MỘT CHỚP TIA GAMMA NĂM 1991 NGÂN VANG NHƯ MỘT SAO TỪ

Ngày 11 tháng 7 năm 1991, thiết bị BATSE trên Đài quan sát Tia Gamma Compton đã ghi nhận một chớp tia gamma. GRB 910711 được báo cáo là vụ bùng nổ ngắn nhất mà sứ mệnh từng thấy: một đỉnh sáng khoảng 10 mili giây, rồi một cái đuôi mờ kéo dài 100 đến 200 mili giây. Năm 2023, một phân tích trên 724 vụ bùng nổ ngắn đã đưa nó thành ứng viên mạnh nhất cho dao động kilohertz — độ sáng tăng giảm hàng nghìn lần mỗi giây — được hiểu là chuyển động của một sao neutron «siêu nặng» còn lại sau một vụ sáp nhập.

Hai nghi phạm cho một chớp sáng ngắn

Các vụ bùng nổ tia gamma ngắn có hai nguồn gốc khả dĩ: một vụ sáp nhập của các ngôi sao đặc, hoặc một đợt bùng phát khổng lồ từ một sao từ, tức một sao neutron có từ trường cực mạnh. Một số đợt bùng phát khổng lồ từ các thiên hà khác giống với các vụ bùng nổ do sáp nhập về thời gian kéo dài và năng lượng ánh sáng của chúng; nếu không có vị trí chính xác trên bầu trời, rất khó phân biệt hai loại này. Vị trí của GRB 910711 có độ bất định khoảng 6 độ.

Run-Chao Chen và Bin-Bin Zhang (Đại học Nam Kinh), Ore Gottlieb (Viện Công nghệ Massachusetts) cùng năm đồng nghiệp đã xuất phát từ một mâu thuẫn trong cách hiểu theo giả thuyết sáp nhập.

Ánh sáng quá cứng để mang theo một nhịp

Phổ của GRB 910711 được khớp gần như tốt ngang nhau bởi một vật đen (blackbody) — ánh sáng phát ra từ một vật nóng, không trong suốt — và bởi dạng phổ thường dùng để khớp các vụ bùng nổ do sáp nhập. Với dạng phổ thứ hai này, nó trở nên «cứng» một cách bất thường — nghiêng về các photon năng lượng cao — ở tận cùng của dải các vụ bùng nổ mà BATSE đã đo.

Cách khắc phục tự nhiên: ánh sáng thoát ra từ một quang cầu (photosphere), lớp mà tại đó một đám mây không trong suốt để ánh sáng của nó thoát đi. Nhưng ở đó, ánh sáng thoát ra cách xa động cơ trung tâm, sau rất nhiều lần tán xạ. Một nhịp kilohertz do một sao neutron ở trung tâm quy định sẽ cần thêm một cơ chế để sống sót qua hành trình đó, hoặc được tái tạo trên đường thoát ra.

Một bản sao mờ hơn của một đợt bùng phát đã biết

Mốc so sánh của họ là GRB 200415A, được ghi nhận ngày 15 tháng 4 năm 2020: một đợt bùng phát khổng lồ của sao từ từ thiên hà lân cận NGC 253, cách 3,5 megaparsec — megaparsec là đơn vị mà các nhà thiên văn dùng để đo khoảng cách giữa các thiên hà.

Khi căn chỉnh theo các đỉnh, hai đường cong ánh sáng trông giống nhau: cùng một đỉnh 10 mili giây, cùng một cái đuôi yếu hơn, những đặc điểm ngắn chỉ khoảng 90 micro giây — phần triệu giây — vào năm 1991, và 65 vào năm 2020. Một mô hình của đợt bùng phát năm 2020, chỉ đơn giản được làm mờ đi như thể nó xảy ra ở xa hơn, tái tạo được hình dạng của vụ bùng nổ năm 1991. Các tác giả nhấn mạnh rằng đây là một minh họa, không phải một phép đo khoảng cách.

Các họa âm của khoảng 360 hertz

Bên trong đỉnh sáng, nhóm nghiên cứu tìm thấy một chỗ nhô lên ở 360 hertz — 360 lần mỗi giây — trong vụ bùng nổ năm 1991, và ở 350 hertz vào năm 2020. Trong khoảng 10 mili giây, các tần số chênh nhau ít hơn khoảng 100 hertz không thể phân biệt được: hai chỗ nhô lên này không thể tách bạch.

Các bản đồ nhịp điệu theo thời gian cho thấy các đỉnh sáng lên ở các bội số nguyên của 360 hertz, giống như các họa âm của cùng một nốt nhạc: 1, 3, 5, 6 và 11 lần 360 ở GRB 910711; 2, 4, 6 và 12 lần ở GRB 200415A. Cả hai cùng có họa âm thứ sáu, khoảng 2.160 hertz, gần với một dao động đã được báo cáo trong đợt bùng phát năm 2020.

Phổ song (bispectrum) kiểm tra xem các dao động có liên kết với nhau hay không: các dao động liên kết tạo ra công suất ở tổng các tần số của chúng. Trong đợt bùng phát năm 2020, thành phần 4.320 hertz khớp với hai thành phần liên kết ở 2.160 hertz, và bản thân chúng lại khớp với 720 và 1.440 hertz liên kết với nhau.

100.000 vụ bùng nổ giả

Để kiểm tra yếu tố ngẫu nhiên, với mỗi vụ bùng nổ, nhóm đã tạo ra 100.000 đường cong ánh sáng giả có cùng hình dạng đỉnh và nhiễu đếm photon, nhưng không có dao động. Chỗ nhô lên 360 hertz xuất hiện với cường độ ít nhất tương đương ở khoảng 5% trong số đó đối với GRB 910711, và 0,1% đối với GRB 200415A. Khi các bản giả còn mang thêm các dao động kilohertz đã được báo cáo và một nhiễu nền thực tế hơn, những con số này tăng lên 15,5% và 33,4%: xét riêng, chỗ nhô lên ở tần số thấp trở nên bớt bất ngờ hơn.

Các họa âm chỉ được kiểm tra với các bản giả không có dao động, và đứng vững trong phép thử đó. Một chênh lệch nhỏ ở tần số cơ bản sẽ được nhân lên ở mỗi họa âm, nên hoa văn này kiểm tra nó tinh tế hơn so với riêng chỗ nhô lên. Khi quét từ 260 đến 460 hertz, cả hai vụ bùng nổ đều ưu tiên khoảng 360 hertz; các bản giả thì không. So với các bản giả không có dao động, cường độ kết hợp của các liên kết chỉ đạt được 1,3 lần trên 10.000 đối với GRB 910711, và 4,5 lần đối với GRB 200415A.

Mười bảy thiên hà ứng viên

Ở bất kỳ khoảng cách nào, GRB 910711 cũng quá mờ so với năng lượng ánh sáng của nó, khi so với các vụ bùng nổ do sáp nhập đã biết. Là một đợt bùng phát khổng lồ thì nó phù hợp, nếu nó nằm trong phạm vi khoảng 55 megaparsec, xa hơn NGC 253 khoảng 16 lần. Trong phạm vi đó và trên mảng trời của nó, nhóm liệt kê 17 thiên hà, gần nhất ở khoảng 9,1 megaparsec, tất cả đều được xếp vào loại thiên hà chủ yếu đang hình thành sao. Nếu cách hiểu này đứng vững, BATSE đã bắt được đợt bùng phát khổng lồ đầu tiên từ một thiên hà khác vào năm 1991.

Điều gì có thể ngân vang ở 360 hertz

Trong các đợt bùng phát khổng lồ từ Thiên hà của chúng ta, các dao động nhanh xuất hiện ở phần đuôi đang mờ dần, chứ không phải ở đỉnh; một dao động, ở khoảng 625 hertz, được cho là do sự rung động của lớp vỏ ngôi sao. Với một số giả định, nó có thể rơi vào gần 360 hertz, nhưng điều đó phụ thuộc vào cấu trúc bên trong và từ trường của từng ngôi sao: hai sao từ cùng có dao động đó sẽ là một sự trùng hợp. Mang tính suy đoán hơn là một dao động tại ranh giới nơi vật chất hạt nhân chuyển thành vật chất quark (quark matter) sâu trong lõi: tần số của nó, từ 100 đến 1.000 hertz, chủ yếu phụ thuộc vào vật lý hạt nhân, ít phụ thuộc vào khối lượng ngôi sao. Một dao động như vậy sẽ định hình ánh sáng của đỉnh ra sao thì vẫn còn chưa chắc chắn.

Một nhịp chỉ nghe thấy trong tia gamma

Các kết quả «không xác lập một cách duy nhất» nguồn gốc sao từ, các tác giả viết, nhưng khiến nó trở thành «cách hiểu tiết kiệm hơn»: một vụ sáp nhập phải giải thích cùng lúc phổ cứng, một nhịp vượt qua quang cầu, sự giống nhau với đợt bùng phát năm 2020 và các họa âm chung. Nếu những họa âm như vậy xuất hiện trong các vụ bùng nổ ngắn trong tương lai, chỉ riêng tia gamma cũng có thể giúp phân biệt các đợt bùng phát với các vụ sáp nhập, kịp thời để lên kế hoạch quan sát tiếp theo. GRB 910711 vẫn giữ một mảng trời rộng 6 độ, 17 thiên hà ứng viên, và một nhịp gần 360 hertz.