MỘT NGÔI SAO BỊ BÓC VỎ, MỘT BẠN ĐỒNG HÀNH ẨN MÌNH, MỘT QUỸ ĐẠO 4,2 GIỜ

Một ngôi sao nhỏ, rất nóng trong Đám mây Magellan Nhỏ, bên ngoài Dải Ngân Hà, hoàn thành một vòng sau mỗi 4 giờ 10 phút quanh một bạn đồng hành không phát ra ánh sáng. Tên nó là DGL-3, và bạn đồng hành ẩn mình của nó nhiều khả năng nhất là một sao neutron, phần lõi co sụp siêu đặc còn lại khi một ngôi sao khối lượng lớn phát nổ.

Một ngôi sao bị lột mất các lớp vỏ ngoài

DGL-3 là một sao bị bóc vỏ (stripped star): nó đã mất lớp vỏ ngoài giàu hydro trong quá trình tương tác với một bạn đồng hành. Phần còn lại nhỏ gọn, nóng, nghèo hydro, và đốt cháy heli ở tâm.

• Khối lượng: khoảng 3,4 lần Mặt Trời, ước tính từ độ sáng của nó, với biên sai số rất lệch (từ 2,96 đến 7,72 lần khối lượng Mặt Trời).
• Bán kính: khoảng 0,77 lần Mặt Trời; nhiệt độ bề mặt: khoảng 71.000 kelvin; hydro: chỉ chiếm 10% bề mặt của nó.

Những ngôi sao có khối lượng “trung bình” này đủ nặng để lõi co sụp thành một sao neutron, nhưng không đủ nặng để tạo ra một lỗ đen. Theo các mô hình hiện nay, những cặp sao neutron đủ khít để hợp nhất, xoắn ốc vào nhau trong khi phát ra sóng hấp dẫn, trước đó đều trải qua đúng giai đoạn này: một sao neutron quay quanh một sao bị bóc vỏ. Giai đoạn đó chưa từng được quan sát trực tiếp, và các dự đoán về tốc độ hợp nhất trải rộng qua nhiều bậc độ lớn.

Cân một bạn đồng hành không phát sáng

Nhóm nghiên cứu đã thu được 38 quang phổ bằng kính thiên văn Magellan 6,5 mét ở Chile trong giai đoạn 2019–2022. Các vạch phổ của ngôi sao — những vạch tối ở các màu chính xác trong ánh sáng của nó — dịch về phía xanh lam khi nó tiến lại gần chúng ta và về phía đỏ khi nó lùi xa (hiệu ứng Doppler); chúng cho thấy ngôi sao đung đưa lại gần và ra xa chúng ta với tốc độ lên tới 151,4 km/s, trên một quỹ đạo tròn hoàn thành sau mỗi 4,1693 giờ.

Chu kỳ và tốc độ cho ra hàm khối lượng (mass function), đại lượng liên hệ khối lượng của bạn đồng hành với khối lượng của chính ngôi sao và với độ nghiêng của quỹ đạo nhìn từ Trái Đất (góc nghiêng quỹ đạo). Một quỹ đạo nhìn đúng từ cạnh bên cho bạn đồng hành nhẹ nhất mà quỹ đạo cho phép; khi tính đến khối lượng chưa chắc chắn của ngôi sao, giá trị điển hình của mức tối thiểu đó là 1,38 ± 0,25 lần khối lượng Mặt Trời, chỉ thấp hơn một chút so với mức 1,4 mà một sao lùn trắng có thể đạt tới (xem bên dưới). Vì vậy, chỉ riêng quỹ đạo thì chưa thể loại trừ một sao lùn trắng.

• Không phải một ngôi sao bình thường: một ngôi sao nặng như vậy sẽ quá lớn để lọt vừa một quỹ đạo khít đến thế.
• Không phải một sao bị bóc vỏ thứ hai: những bạn đồng hành bị bóc vỏ giả được cài vào các quang phổ thật đều bị phát hiện mọi lần, thế nhưng dữ liệu thật không cho thấy dấu vết nào.

Còn lại là một thiên thể đặc (compact object): một sao lùn trắng (phần lõi đặc còn sót lại của một ngôi sao nhẹ hơn), một sao neutron hoặc một lỗ đen.

99,4% từ một dao động 2,5%

Ngày 18 tháng 12 năm 2022, một camera tốc độ cao gắn trên kính thiên văn 3,5 mét ở La Silla đã chụp DGL-3 cứ 20 giây một lần trong khoảng 3,4 giờ. Độ sáng của nó tăng giảm khoảng 2,5%, hai lần mỗi vòng quỹ đạo: lực hấp dẫn của bạn đồng hành kéo giãn nhẹ ngôi sao thành hình quả trứng, mà chúng ta nhìn thấy cạnh dài hai lần mỗi vòng, với mức độ phụ thuộc vào khối lượng của bạn đồng hành và vào góc nghiêng.

Nhóm đã chạy 500.000 mô hình của đường cong ánh sáng này và gán cho mỗi mô hình một trọng số theo mức độ khớp với dữ liệu. Đối với khối lượng của bạn đồng hành:

• giá trị khả dĩ nhất là 1,58 lần khối lượng Mặt Trời;
• chỉ 0,6% xác suất nằm dưới 1,4 lần khối lượng Mặt Trời, giới hạn Chandrasekhar dùng để loại trừ một sao lùn trắng: do đó có xác suất 99,4% rằng bạn đồng hành quá nặng để là một sao lùn trắng;
• chỉ 3,4% nằm trong khoảng khối lượng của các lỗ đen đã được xác nhận; phần còn lại của đuôi phân bố về phía khối lượng lớn rơi vào khoảng trống giữa sao neutron và lỗ đen.

Do đó, sao neutron là khả năng cao nhất cho bạn đồng hành: một xác suất, không phải một bằng chứng. Các kính thiên văn tia X không phát hiện được gì; một sao neutron đang nuốt khí từ bạn đồng hành của nó sẽ phát sáng trong tia X, nhưng các tác giả nhận thấy sự im lặng này phù hợp với một sao neutron được nuôi bằng một luồng gió sao yếu.

Một tương lai do mô hình máy tính viết nên

Sau đó, nhóm cho hệ tiến hóa bằng mã tiến hóa sao MESA: một sao bị bóc vỏ nặng 3,6 lần khối lượng Mặt Trời, một sao neutron nặng 1,4, một quỹ đạo 4,2 giờ. Những gì sau đây là dự đoán, không phải quan sát.

1. Ngôi sao tiếp tục đốt heli trong lõi thêm 1,4 triệu năm, rồi phình ra. Trong một quỹ đạo khít như vậy, chỉ cần lớn thêm nửa bán kính Mặt Trời là nó tràn ra và trút khí sang bạn đồng hành.
2. Trong 26.000 năm, 1,2 lần khối lượng Mặt Trời thoát vào không gian. Sao neutron chỉ nuốt được 0,00072 lần khối lượng Mặt Trời, đủ để làm nó quay nhanh lên tới một vòng mỗi 79 mili giây. Quỹ đạo co lại còn 1,9 giờ.
3. Bị tước hết hydro, ngôi sao phát nổ thành một siêu tân tinh và để lại một sao neutron thứ hai. Với tốc độ quỹ đạo gần 800 km/s, chỉ một cú hích lớn bất thường — một lực giật lùi mà vụ nổ có thể truyền cho sao neutron mới sinh — mới có thể tách cặp sao ra.
4. Vụ nổ thổi bay khoảng một khối lượng Mặt Trời khí. Còn lại hai sao neutron, trên một quỹ đạo rộng hơn, thuôn dài 4,4 giờ, và chúng hợp nhất 220 triệu năm sau đó.

Nơi dự báo có thể đổ vỡ

Theo các tác giả, mắt xích yếu nhất là lượng mô-men động lượng, tức “lượng chuyển động quay” của quỹ đạo, mà khí thoát ra mang đi. Trong một trên bảy biến thể mô hình, khí bị mất tạo thành một đĩa bao quanh cả hai ngôi sao, và cặp sao hợp nhất trước vụ siêu tân tinh thứ hai. Trong sáu biến thể còn lại, hai sao neutron hình thành và cuối cùng hợp nhất, trong khoảng từ 175 triệu đến 7,9 tỷ năm sau đó.

DGL-3 nằm cách chúng ta khoảng 60.600 parsec — chừng 200.000 năm ánh sáng (một parsec xấp xỉ 3,26 năm ánh sáng). Các tác giả lưu ý rằng nếu nó ở gần hơn từ 60 đến 600 lần, tức trong phạm vi 100 đến 1.000 parsec, thì các đài quan sát sóng hấp dẫn tần số thấp như LISA sẽ phát hiện được nó.