Trong các bài báo được công bố gần đây, các nhà nghiên cứu đã ước tính tốc độ sụp đổ của lõi siêu tân tinh trong Dải Ngân hà là 1.63 ± 0.46 sự kiện mỗi thế kỷ. Do đó, với sự kiện siêu tân tinh cuối cùng, SN 1987A đã được quan sát cách đây 35 năm vào năm 1987, sự kiện siêu tân tinh tiếp theo trong Dải Ngân hà có thể được mong đợi bất cứ lúc nào trong tương lai gần.
Vòng đời của một ngôi sao và siêu tân tinh
Trên thang thời gian hàng tỷ năm, các ngôi sao trải qua một vòng đời: chúng được sinh ra, già đi và cuối cùng chết đi bằng vụ nổ và sự phân tán vật chất của chúng vào không gian giữa các vì sao dưới dạng bụi hoặc đám mây.
Vòng đời của một ngôi sao bắt đầu trong một tinh vân (đám mây bụi, hydro, heli và các khí ion hóa khác) khi sự sụp đổ hấp dẫn của một đám mây khổng lồ tạo ra một tiền sao. Tiền sao này tiếp tục phát triển nhờ sự bồi tụ khí và bụi cho đến khi đạt đến khối lượng cuối cùng. Khối lượng cuối cùng của ngôi sao quyết định tuổi thọ cũng như những gì xảy ra với ngôi sao trong suốt vòng đời của nó.
Tất cả các ngôi sao đều lấy năng lượng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân. Nhiên liệu hạt nhân cháy trong lõi tạo ra áp suất hướng ra ngoài mạnh mẽ do nhiệt độ lõi cao. Điều này cân bằng với lực hấp dẫn hướng vào trong. Sự cân bằng bị phá vỡ khi nhiên liệu trong lõi cạn kiệt. Nhiệt độ giảm, áp suất hướng ra ngoài giảm đi. Kết quả là, lực hấp dẫn của sự ép vào trong trở nên chiếm ưu thế, buộc lõi phải co lại và sụp đổ. Hình dạng cuối cùng của một ngôi sao sau khi sụp đổ phụ thuộc vào khối lượng của ngôi sao đó. Trong trường hợp các ngôi sao siêu khối lượng, khi lõi sụp đổ trong một khoảng thời gian ngắn, nó tạo ra những sóng xung kích khổng lồ. Vụ nổ mạnh mẽ, rực rỡ này được gọi là siêu tân tinh.
Hiện tượng thiên văn thoáng qua này xảy ra trong giai đoạn tiến hóa cuối cùng của một ngôi sao và để lại tàn dư siêu tân tinh. Tùy thuộc vào khối lượng của ngôi sao, tàn dư này có thể là một sao neutron hoặc một lỗ đen.
SN 1987A, siêu tân tinh cuối cùng
Sự kiện siêu tân tinh gần đây nhất là SN 1987A, được quan sát thấy trên bầu trời phía nam cách đây 35 năm vào tháng 2 năm 1987. Đây là sự kiện siêu tân tinh đầu tiên có thể nhìn thấy bằng mắt thường kể từ sau sự kiện của Kepler năm 1604. Nằm trong Đám mây Magellan Lớn gần đó (một thiên hà vệ tinh của Dải Ngân hà), nó là một trong những ngôi sao phát nổ sáng nhất được quan sát thấy trong hơn 400 năm, bùng cháy với sức mạnh tương đương 100 triệu mặt trời trong vài tháng và mang đến cơ hội độc đáo để nghiên cứu các giai đoạn trước, trong và sau khi một ngôi sao chết đi.
Nghiên cứu về siêu tân tinh là quan trọng
Nghiên cứu về siêu tân tinh rất hữu ích theo nhiều cách, chẳng hạn như đo khoảng cách trong không gian , hiểu biết về sự giãn nở của vũ trụ và bản chất của các ngôi sao như những nhà máy sản xuất tất cả các nguyên tố tạo nên mọi thứ (bao gồm cả chúng ta) trong vũ trụ . Các nguyên tố nặng hơn được hình thành do phản ứng tổng hợp hạt nhân (của các nguyên tố nhẹ hơn) trong lõi của các ngôi sao, cũng như các nguyên tố mới được tạo ra trong quá trình sụp đổ lõi, được phân bố khắp không gian trong vụ nổ siêu tân tinh. Siêu tân tinh đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối các nguyên tố khắp vũ trụ.
Thật không may, trong quá khứ chúng ta không có nhiều cơ hội để quan sát và nghiên cứu kỹ lưỡng các vụ nổ siêu tân tinh. Việc quan sát và nghiên cứu kỹ lưỡng các vụ nổ siêu tân tinh trong dải ngân hà của chúng ta sẽ rất đáng chú ý vì việc nghiên cứu trong điều kiện đó không thể thực hiện được trong các phòng thí nghiệm trên Trái đất. Do đó, việc phát hiện siêu tân tinh ngay khi nó bắt đầu là vô cùng cần thiết. Nhưng làm thế nào để biết khi nào một vụ nổ siêu tân tinh sắp xảy ra? Có hệ thống cảnh báo sớm nào cho các vụ nổ siêu tân tinh sắp xảy ra không?
Neutrino, ngọn hải đăng của vụ nổ siêu tân tinh
Vào khoảng cuối của vòng đời, khi một ngôi sao sử dụng hết các nguyên tố nhẹ hơn để làm nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân cung cấp năng lượng cho nó, lực hút bên trong chiếm ưu thế và các lớp bên ngoài của sao bắt đầu rơi vào trong. Lõi bắt đầu sụp đổ và trong vài phần nghìn giây, lõi bị nén đến mức các electron và proton kết hợp để tạo thành neutron và một neutrino được giải phóng cho mỗi neutron được hình thành.
Các neutron được hình thành theo cách này tạo thành một sao neutron sơ khai bên trong lõi của ngôi sao, phần còn lại của ngôi sao rơi xuống dưới tác động của trường hấp dẫn mạnh và bật trở lại. Sóng xung kích tạo ra làm tan rã ngôi sao, chỉ còn lại phần lõi (một sao neutron hoặc một lỗ đen tùy thuộc vào khối lượng của ngôi sao) và phần khối lượng còn lại của ngôi sao phân tán vào không gian giữa các vì sao.
Sự bùng nổ khổng lồ của các neutrino được tạo ra do sự sụp đổ lõi hấp dẫn thoát ra ngoài không gian mà không bị cản trở do bản chất không tương tác với vật chất. Khoảng 99% năng lượng liên kết hấp dẫn thoát ra dưới dạng neutrino (trước các photon bị giữ lại trong trường hấp dẫn) và đóng vai trò như một tín hiệu cảnh báo về vụ nổ siêu tân tinh sắp xảy ra. Những neutrino này có thể được thu nhận trên Trái đất bởi các đài quan sát neutrino, từ đó đóng vai trò như một cảnh báo sớm về khả năng quan sát quang học vụ nổ siêu tân tinh trong thời gian tới.
Các neutrino thoát ra ngoài cũng cung cấp một cửa sổ duy nhất dẫn đến những diễn biến cực đoan bên trong một ngôi sao đang nổ tung có thể có ý nghĩa trong việc hiểu các lực cơ bản và các hạt cơ bản.
Hệ thống cảnh báo sớm siêu tân tinh (SNEW)
Vào thời điểm siêu tân tinh sụp đổ lõi được quan sát lần cuối (SN1987A), hiện tượng này đã được quan sát bằng mắt thường. Các neutrino được phát hiện bởi hai máy dò Cherenkov trong nước, Kamiokande-II và thí nghiệm Irvine-MichiganBrookhaven (IMB) đã quan sát được 19 sự kiện tương tác neutrino. Tuy nhiên, việc phát hiện neutrino có thể hoạt động như một ngọn hải đăng hoặc báo động cản trở quan sát quang học của siêu tân tinh. Kết quả là, các đài quan sát và nhà thiên văn học khác nhau không thể hành động đúng lúc để nghiên cứu và thu thập dữ liệu.
Kể từ năm 1987, thiên văn học neutrino đã có nhiều tiến bộ. Giờ đây, hệ thống cảnh báo siêu tân tinh SNWatch đã có mặt, được lập trình để phát âm thanh báo động cho các chuyên gia và các tổ chức liên quan về khả năng nhìn thấy siêu tân tinh. Và, có một mạng lưới các đài quan sát neutrino trên khắp thế giới, được gọi là Hệ thống Cảnh báo Sớm Siêu tân tinh (SNEWS), kết hợp các tín hiệu để cải thiện độ tin cậy khi phát hiện. Mọi hoạt động thông thường đều được các máy dò riêng lẻ thông báo đến máy chủ SNEWS trung tâm. Hơn nữa, SNEWS đã được nâng cấp lên SNEWS 2.0 gần đây, công cụ này cũng tạo ra các cảnh báo có độ tin cậy thấp hơn.
Siêu tân tinh sắp xảy ra trong dải ngân hà
Các đài quan sát neutrino trải khắp thế giới đang hướng tới mục tiêu phát hiện đầu tiên các neutrino sinh ra từ sự sụp đổ lõi hấp dẫn của các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta . Do đó, sự thành công của chúng phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ sụp đổ lõi siêu tân tinh trong Dải Ngân hà.
Trong các bài báo được công bố gần đây, các nhà nghiên cứu đã ước tính tốc độ sụp đổ của lõi siêu tân tinh trong Dải Ngân hà là 1.63 ± 0.46 sự kiện mỗi 100 năm; khoảng một đến hai sao băng mỗi thế kỷ. Hơn nữa, các ước tính cho thấy khoảng thời gian giữa siêu tân tinh sụp đổ lõi trong Dải Ngân hà có thể là từ 47 đến 85 năm.
Do đó, xét đến việc sự kiện siêu tân tinh cuối cùng, SN 1987A, được quan sát cách đây 35 năm, sự kiện siêu tân tinh tiếp theo trong Dải Ngân hà có thể xảy ra bất cứ lúc nào trong tương lai gần. Với các đài quan sát neutrino được kết nối mạng để phát hiện các vụ nổ sớm và Hệ thống Cảnh báo Sớm Siêu tân tinh (SNEW) được nâng cấp, các nhà khoa học sẽ có điều kiện quan sát kỹ hơn những diễn biến cực đoan tiếp theo liên quan đến vụ nổ siêu tân tinh của một ngôi sao sắp chết. Đây sẽ là một sự kiện trọng đại và là cơ hội duy nhất để nghiên cứu các giai đoạn trước, trong và sau khi một ngôi sao chết đi nhằm hiểu rõ hơn về vũ trụ.
***
Nguồn:
- Pháo hoa Thiên hà, NGC 6946: Điều gì tạo nên điều này Thiên hà rất đặc biệt? khoa học Châu Âu. Đăng vào ngày 11 tháng 2021 năm XNUMX. Có sẵn tại http://scientificeuropean.co.uk/sciences/space/the-fireworks-galaxy-ngc-6946-what-make-this-galaxy-so-special/
- Scholberg K. 2012. Phát hiện Neutrino Siêu tân tinh. In sẵn axRiv. Có sẵn tại https://arxiv.org/pdf/1205.6003.pdf
- Kharusi S Al, et al 2021. SNEWS 2.0: hệ thống cảnh báo sớm siêu tân tinh thế hệ tiếp theo dành cho thiên văn học đa tín hiệu. Tạp chí Vật lý mới, Tập 23, tháng 2021 năm 031201. XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1088/1367-2630/abde33
- Rozwadowskaab K., Vissaniab F., và Cappellaroc E., 2021. Về tỷ lệ siêu tân tinh sụp đổ lõi trong một dải sữa. Thiên văn học mới tập 83, tháng 2021 năm 101498, năm XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1016/j.newast.2020.101498. Bản in trước axRiv có sẵn tại https://arxiv.org/pdf/2009.03438.pdf
- Murphey, CT, et al 2021. Lịch sử chứng kiến: sự phân bố trên bầu trời, khả năng phát hiện và tỷ lệ siêu tân tinh trong Dải Ngân hà bằng mắt thường. Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia, Tập 507, Số 1, Tháng 2021 năm 927, Trang 943–XNUMX, DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/stab2182. Bản in trước axRiv Có sẵn tại https://arxiv.org/pdf/2012.06552.pdf
***
