LIGO và VIRGO lần đầu tiên phát hiện sóng hấp dẫn tạo bởi va chạm 2 sao neutron

LIGO và VIRGO lần đầu tiên phát hiện sóng hấp dẫn tạo bởi va chạm của 2 sao neutron

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã phát hiện trực tiếp các sóng hấp dẫn - những gợn sóng trong không gian-thời gian - cùng với nguồn ánh sáng từ sự va chạm ngoạn mục của hai sao neutron. Gợi ý lần đầu tiên một sự kiện vũ trụ đã được nhìn thấy trong cả sóng hấp dẫn và ánh sáng.

Vòng xoáy của vật chất bị đẩy ra từ các ngôi sao sáp nhập cũng được miêu tả. Những đám mây phát sáng với bước sóng ánh sáng nhìn thấy và khác. Ảnh: NSF / LIGO / Sonoma State University / A Simonnet.

Khám phá này được thực hiện bằng cách sử dụng Đài quan sát bằng sóng hấp dẫn xung laser giao thoa kế ở Hoa Kỳ (LIGO); máy dò Virgo châu Âu; và khoảng 70 đài quan sát mặt đất và không gian.

Sao neutron là những ngôi sao nhỏ nhất và dày đặc nhất được biết đến và được hình thành khi những ngôi sao khổng lồ bùng nổ trong các vụ nổ siêu tân tinh. Khi những ngôi sao nơtron này quay xoắn lại với nhau, chúng phát ra các sóng hấp dẫn phát hiện được trong khoảng 100 giây; khi chúng va chạm, một tia sáng dưới dạng tia gamma đã được phát ra và được nhìn thấy trên trái đất khoảng hai giây sau khi nhận được các sóng hấp dẫn. Trong những ngày và vài tuần sau vụ va chạm ngoạn mục này, các dạng khác của ánh sáng, hoặc bức xạ điện từ - bao gồm cả tia X, tia cực tím, quang, hồng ngoại, và sóng radio - đã được phát hiện.
Các quan sát cho phép các nhà thiên văn học một cơ hội chưa từng có để thăm dò sự va chạm của hai sao neutron. Ví dụ, các quan sát của Đài quan sát Gemini của Mỹ, Kính thiên văn Rất Lớn của Châu Âu và Kính viễn vọng Không gian Hubble cho thấy dấu hiệu của vật liệu tổng hợp gần đây, bao gồm vàng và bạch kim, giải quyết một bí ẩn kéo dài hàng thập kỷ, trong đó khoảng một nửa các nguyên tố nặng hơn sắt được tạo thành.

Các trạm quan sát sóng hấp dẫn trên toàn cầu hiện tại.

Các kết quả của LIGO-Virgo được công bố hôm 16/10/2017 trên tạp chí Physical Review Letters [1]; các bài báo bổ sung từ các hợp tác của LIGO và Virgo và cộng đồng thiên văn đã được gửi hoặc chấp nhận để xuất bản trên nhiều tạp chí khác nhau.

Ông France A. Córdova, Giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), cho biết: "Thật là vô cùng thú vị khi trải nghiệm một sự kiện hiếm hoi làm biến đổi sự hiểu biết của chúng ta về hoạt động của vũ trụ. Phát hiện này cho thấy một mục tiêu lâu dài mà nhiều người trong chúng ta đã có, đó là đồng thời quan sát các sự kiện vũ trụ hiếm có bằng cách sử dụng các đài quan sát sóng truyền thống cũng như sử dụng sóng hấp dẫn. Chỉ thông qua việc đầu tư bốn thập kỉ qua của NSF trong các đài quan sát sóng hấp dẫn, cùng với các kính thiên văn quan sát từ bước sóng radio tới các tia gamma, chúng ta có thể mở rộng cơ hội để phát hiện ra các hiện tượng vũ trụ mới và ghép một bài tường thuật mới về vật lý của các sao trong cái chết chùng xuống"

Dấu hiệu của sao

Tín hiệu sóng hấp dẫn, có tên GW170817, lần đầu tiên được phát hiện vào ngày 17 tháng 8 lúc 8:41 sáng EDT (tức là khoảng 7:41 tối giờ Hà Nội). Phát hiện được thực hiện bởi hai máy dò LIGO giống hệt nhau, đặt tại Hanford, Washington, và Livingston, Louisiana. Thông tin được cung cấp bởi máy dò thứ ba, Virgo, nằm gần Pisa, Italy, cho phép cải thiện trong việc xác định địa điểm sự kiện không gian này. Vào thời điểm đó, LIGO đã gần kết thúc lần quan sát lần thứ hai kể từ khi được nâng cấp trong một chương trình mang tên Advanced LIGO, trong khi Virgo đã bắt đầu chạy lần đầu tiên sau khi hoàn thành nâng cấp được gọi là Advanced Virgo.

Vị trí của các sóng hấp dẫn đã quan sát được. VIRGO đã góp phần xác định vị trí tốt hơn cho hai sóng hấp dẫn gần đây. Đường đồng mức càng nhỏ thì sai số càng thấp. Ảnh: LIGO.

Dữ liệu LIGO chỉ ra rằng hai vật thể thiên thể nằm ở khoảng cách tương đối khoảng 130 triệu năm ánh sáng từ trái đất đã xoắn vào nhau. Có vẻ như các vật thể không lớn như những lỗ đen nhị phân - những vật thể mà LIGO và VIRGO đã phát hiện trước đó. Thay vào đó, các vật thể xoáy vào nhau này được ước tính nằm trong khoảng từ 1,1 đến 1,6 lần khối lượng của mặt trời, trong dãy các sao neutron. Một ngôi sao neutron với đường kính khoảng 20 km thì dày đặc đến nỗi một muỗng cà phê nguyên liệu sao neutron có khối lượng khoảng một tỷ tấn.


Trong khi các hố đen nhị phân tạo ra "chirps" (giống như tiếng chíp của chú chim con) kéo dài một phần giây trong dải nhạy cảm của máy dò LIGO, chirp ngày 17 tháng 8 kéo dài khoảng 100 giây và đã được nhìn xuyên qua toàn bộ dải tần số của LIGO - tương tự như các nhạc cụ phổ biến. Các nhà khoa học có thể xác định nguồn chirp như từ các vật thể mà khối lượng nhỏ hơn so với các hố đen được quan sát thấy cho đến nay.

Một miếng vá trên bầu trời

Mặc dù máy dò LIGO lần đầu tiên nhận được sóng hấp dẫn tại Hoa Kỳ, nhưng Virgo ở Ý cũng đã đóng một vai trò quan trọng trong sự khám phá.  Do định hướng của nó đối với nguồn tại thời điểm phát hiện, Virgo phục hồi một tín hiệu nhỏ; kết hợp với kích thước tín hiệu và thời gian trong thiết bị dò LIGO, điều này cho phép các nhà khoa học để chính xác vị trí trên bầu trời. Sau khi thực hiện kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo các tín hiệu không phải là vật dụng của thiết bị, các nhà khoa học đã kết luận rằng một sóng hấp dẫn xuất phát từ một miếng vá tương đối nhỏ ở bầu trời phía Nam.

Ông David H. Reitze, giám đốc điều hành của Phòng thí nghiệm LIGO, nói: "Sự phát hiện này mở ra một cánh cửa của một thiên văn học "multi-messenger" (tạm dịch đa tín hiệu, đa sứ giả) được chờ đợi từ lâu. Đây là lần đầu tiên chúng ta quan sát thấy một sự kiện thiên thể vật lý trong cả sóng hấp dẫn và sóng điện từ - các sứ giả vũ trụ của chúng ta." Thiên văn học sóng hấp dẫn tạo cơ hội mới để hiểu được tính chất của các sao neutron theo những cách không thể đạt được bằng thiên văn học điện từ.

Một quả cầu lửa và một ánh sáng rực rỡ

Mỗi đài quan sát điện từ sẽ đăng tải các quan sát chi tiết của mình về sự kiện thiên văn này. Trong khi chờ đợi, một bức tranh tổng quát đang nổi lên trong số tất cả các quan sát liên quan đến đó xác nhận thêm rằng tín hiệu sóng hấp dẫn ban đầu thực sự đến từ một cặp sao neutron quay quanh nhau.

Khoảng 130 triệu năm trước đây, hai ngôi sao neutron trong khoảnh khắc cuối cùng của chúng hướng về quỹ đạo lẫn nhau, chỉ cách nhau khoảng 300 km, và tốc độ gần giống nhau khi khoảng cách giữa chúng giảm dần. Khi những ngôi sao quay nhanh hơn và gần nhau hơn, chúng kéo dài và làm méo mó khoảng không-thời gian xung quanh, tạo ra năng lượng dưới dạng sóng trọng lực mạnh mẽ, trước khi va mạnh vào nhau.

Sự hợp nhất hai sao neutron bằng quan sát sóng hấp dẫn.

Vào thời điểm va chạm, phần lớn của hai ngôi sao neutron sáp nhập vào thành một đối tượng siêu đặc, phát ra một "quả cầu lửa" tia gamma. Các phép đo tia gamma ban đầu kết hợp với việc phát hiện sóng hấp dẫn cũng là minh chứng cho lý thuyết tương đối rộng của Einstein, dự đoán rằng các sóng hấp dẫn phải đi với vận tốc ánh sáng. Các quan sát ánh sáng sáng mới này cho thấy các nguyên tố nặng, chẳng hạn như chì và vàng, được tạo ra trong những va chạm này và sau đó phân bố khắp trong vũ trụ.

Trong những tuần và tháng tới, các kính viễn vọng trên thế giới sẽ tiếp tục quan sát sự kết hợp của sao neutron và thu thập thêm các bằng chứng về các giai đoạn khác nhau của sự sáp nhập, tương tác với môi trường xung quanh và các quá trình tạo ra các nguyên tố nặng nhất trong vũ trụ

(Theo LIGO)

Tham khảo:
[1] GW170817: Observation of Gravitational Waves from a Binary Neutron Star Inspiral, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.161101