The Knowledge Frontier

Vũ trụ & thiên vănBản tiền ấn phẩmQuan sát4 phút đọc

HAI NGÔI SAO CHẾT TRÊN QUỸ ĐẠO DẸT NHẤT TỪNG THẤY

Các cặp sao neutron — những lõi sụp đổ còn lại sau các ngôi sao nặng — quay quanh nhau và chậm rãi mất năng lượng dưới dạng sóng hấp dẫn. Cặp đầu tiên được tìm thấy năm 1974 (PSR B1913+16), và ngày nay đã biết hơn 30 cặp. Một số cuối cùng sẽ hợp nhất, tạo ra những sự kiện như GW170817 và GW190425 mà LIGO đã phát hiện. Có bao nhiêu cặp như vậy còn tồn tại trong Dải Ngân Hà, và trên những quỹ đạo nào, là những câu hỏi cơ bản của thiên văn học sóng hấp dẫn và của câu chuyện về cách các sao đôi tiến hóa.

Một quỹ đạo kỷ lục

PSR J0653+0443 là một sao xung — một sao neutron có chùm sóng vô tuyến quét qua Trái Đất như ngọn hải đăng — quay một vòng mỗi 47,5 mili giây. Nó được phát hiện lần đầu bởi Kính thiên văn vô tuyến hình cầu khẩu độ 500 mét (FAST) của Trung Quốc vào ngày 20 tháng 11 năm 2022, và nằm cách chừng 1 kiloparsec (khoảng 3.000 năm ánh sáng), trong nhánh Anh Tiên (Perseus) của Thiên Hà.

Bằng cách đo thời điểm các xung của nó suốt hơn hai năm, Z. L. Yang, J. L. Han và các cộng sự tại các Đài Thiên văn Quốc gia Trung Quốc và các trường đại học đối tác đã phát hiện ra nó quay quanh một sao neutron khác. Khối lượng: 1,38 lần Mặt Trời đối với sao xung, 1,44 đối với sao đồng hành.

Quỹ đạo thật phi thường:

  • chu kỳ 79,084 ngày, dài nhất trong tất cả các sao neutron đôi đã biết;
  • độ lệch tâm — bằng 0 với một đường tròn, gần 1 với một quỹ đạo bị kéo dài gần thành một đường cong hở — 0,99238692 — cao nhất từng đo được cho bất kỳ cặp sao nào; kỷ lục trước, của một sao đôi thông thường, là 0,985;
  • chỉ 46 phút để đi từ phía này sang phía kia của sao đồng hành, trong khi phần lớn 79 ngày trôi qua ở xa;
  • tại điểm gần nhất, khoảng cách 0,83 bán kính Mặt Trời, chừng 580.000 km — nhỏ hơn cả bán kính của chính Mặt Trời — và tốc độ tương đối 1.140 kilômét mỗi giây, lớn nhất trong mọi sao neutron đôi đã biết.

FAST là một chảo ăng-ten cố định: nó chỉ thấy một dải trời ngay trên đầu, và điểm gần nhất không phải lúc nào cũng rơi vào dải đó. Từ năm 2025 đến 2028, chỉ có hai lần lướt qua nằm trong tầm nhìn của nó: ngày 19 tháng 2 năm 2025 và ngày 21 tháng 4 năm 2027. Nhóm đã theo dõi lần đầu suốt hai giờ, mỗi phút một phép đo.

Một lần che khuất và một hình elip lắc lư

Trong lần lướt qua đó, tín hiệu vô tuyến của sao xung biến mất trong 85 giây khi đi qua phía sau môi trường từ trường của sao đồng hành. Điều này nghĩa là chúng ta nhìn quỹ đạo gần như từ cạnh bên. Đây mới chỉ là lần che khuất thứ hai từng thấy ở một sao neutron đôi, sau sao xung đôi nổi tiếng PSR J0737−3039A.

Thuyết tương đối rộng khiến hình elip chậm rãi xoay — sự tiến động điểm cận tinh (advance of periastron) — điểm gần nhất của quỹ đạo chậm rãi dịch vòng quanh —, ở đây đo được 0,017791 độ mỗi năm, đúng như dự đoán. Nhưng sự tiến động này không đều: nó nhanh lên gần điểm gần nhất. Trên quỹ đạo gần như parabol này, hướng của quỹ đạo dịch chuyển ngay trong chính lần lướt qua, đưa sao xung lại gần ta rồi ra xa ta, khiến các xung của nó đến sớm hơn rồi muộn hơn trong khoảng −2,91 đến +2,49 mili giây, lớn hơn mười lần so với bất kỳ hệ nào khác thuộc loại này.

Sinh ra từ một cú hích dữ dội

Người ta cho rằng những cặp như vậy hình thành từ hai ngôi sao nặng phát nổ lần lượt. Theo các tác giả, độ lệch tâm cực đoan này chỉ có thể đến từ một “cú hích” lớn truyền cho sao neutron thứ hai khi lõi sắt của ngôi sao sinh ra nó sụp đổ. Các mô phỏng của họ gợi ý một cú hích hơn khoảng 400 kilômét mỗi giây.

Họ cũng mô phỏng khoảng một tỉ hệ sao đôi nặng. Trong số các sao neutron đôi còn tồn tại, những hệ có độ lệch tâm trên 0,95 và chu kỳ từ 50 đến 110 ngày chiếm dưới 0,5%. Vậy mà hệ này lại xuất hiện trong số chỉ 28 hệ đã biết ở ngoài các cụm sao cầu, trong đĩa Thiên Hà. Theo lời các tác giả, “hoặc chúng ta rất may mắn, hoặc lý thuyết tiến hóa sao đôi hiện nay và hiểu biết hiện nay về siêu tân tinh sụp đổ lõi cần được điều chỉnh”.

Những đợt bùng sóng hấp dẫn

Vì hai ngôi sao chỉ lại gần nhau mỗi 79 ngày một lần, chúng phát sóng hấp dẫn thành những đợt bùng tuần hoàn. Sự phát xạ đạt đỉnh gần 0,357 milihertz, một chu kỳ mỗi 47 phút — đúng bằng thời gian của lần lướt qua gần nhất. Mức này quá yếu với các đài quan sát sóng hấp dẫn trong không gian đang được lên kế hoạch là LISA, Taiji và TianQin, nhưng những ý tưởng tương lai được đề xuất như LISAmax có thể phát hiện nó sau mười năm. Cặp sao sẽ hợp nhất sau khoảng 2,5 tỉ năm, kết thúc bằng một sự kiện như GW170817.