James Webb xác định ngôi sao ở Andromeda đã trở thành lỗ đen mà không trải qua vụ nổ siêu tân tinh

Một sự kiện thiên văn có quy mô lớn đã thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học quốc tế, làm thay đổi hiểu biết về vòng đời cuối cùng của các ngôi sao lớn. Các quan sát chi tiết trong Thiên hà Andromeda đã xác nhận rằng một siêu sao màu vàng chấm dứt sự tồn tại của nó bằng cách sụp đổ trực tiếp vào một lỗ đen, một hiện tượng hiếm gặp vượt qua giai đoạn phát sáng dữ dội mà truyền thống gọi là siêu tân tinh. Vụ án này mang lại cái nhìn sâu sắc chưa từng có về quá trình nổ tung thầm lặng trong vũ trụ.

Đối tượng nghiên cứu, được các nhà thiên văn học xếp vào danh mục là M31-2014-DS1, nằm cách Trái đất khoảng 2,5 triệu năm ánh sáng. Việc giám sát liên tục cho thấy rằng, thay vì phát nổ và phân tán vật chất sáng khắp vũ trụ, thiên thể này chỉ đơn giản biến mất khỏi quang phổ nhìn thấy được. Lực hấp dẫn cực lớn đã vượt qua áp suất bên trong của ngôi sao, buộc cấu trúc của nó tự sụp đổ trong một sự kiện “thất bại” của sao.

Việc xác nhận hiện tượng này đòi hỏi phải sử dụng công nghệ tiên tiến. Kính viễn vọng Không gian James Webb, hoạt động trong phổ hồng ngoại và Đài thiên văn Chandra, chuyên về tia X, là nền tảng cho phân tích. Sự vắng mặt của phát xạ tia X là một dấu hiệu mang tính quyết định, cho thấy rằng không có vụ nổ năng lượng như mong đợi đối với một ngôi sao có cường độ lớn như vậy, xác nhận giả thuyết về sự sụp đổ trực tiếp.

Sự kiện này thách thức các mô hình cổ điển về tiến hóa sao vốn dự đoán các vụ nổ phát sáng ở hầu hết các ngôi sao có khối lượng lớn hơn Mặt trời. Khám phá ở Andromeda cho thấy vũ trụ có thể chứa đầy các lỗ đen được hình thành một cách âm thầm, vô hình trước các phương pháp tìm kiếm siêu tân tinh truyền thống.

Phân tích thành phần và cấu trúc dư lượng

Các nghiên cứu chuyên sâu sử dụng tia hồng ngoại giữa đã cho phép các nhà khoa học nhìn xuyên qua bóng tối nơi ngôi sao từng tỏa sáng. Tại hiện trường, người ta xác định được nguồn sáng màu đỏ nhạt, bao gồm bụi lạnh. Quang phổ cho thấy sự hiện diện của các phân tử phức tạp, bao gồm sulfur dioxide và nước, cho thấy các lớp bên ngoài của ngôi sao bị đẩy ra nhẹ nhàng trước khi lõi sụp đổ hoàn toàn.

Dữ liệu thu thập được chỉ ra sự hình thành một cấu trúc độc đáo xung quanh lỗ đen mới hình thành. Không giống như tàn dư hỗn loạn của siêu tân tinh, môi trường này thể hiện đặc điểm của sự giãn nở yên tĩnh và có kiểm soát. Các quan sát kỹ thuật nêu bật các yếu tố cụ thể về tài liệu còn sót lại tại địa điểm:

– Gió phân tử được phát hiện đang giãn nở với tốc độ gần 100 km/s ở vùng bên trong hệ thống.

– Đã hình thành một lớp vỏ bụi có kích thước vật lý tương đương với kích thước của Hệ Mặt trời của chúng ta.

– Độ sáng của nguồn dư bị giảm mạnh, giảm xuống còn khoảng 7% độ sáng ban đầu của ngôi sao siêu khổng lồ.

– Dụng cụ phát hiện sự hấp thụ hóa học rõ ràng, chẳng hạn như carbon monoxide (CO) và carbon dioxide (CO2), trong vật liệu bị trục xuất.

Khối lượng ban đầu của ngôi sao M31-2014-DS1 được ước tính gấp từ 12 đến 13 lần khối lượng Mặt trời. Sau quá trình co lại, vật thể nhỏ gọn thu được vẫn giữ lại khoảng năm khối lượng mặt trời. Phần còn lại của vật chất hoặc bị tiêu tán vào không gian hoặc vẫn quay quanh một đĩa bồi tụ rất mờ, điều này giải thích sự phát xạ bức xạ thấp và khó phát hiện bằng kính thiên văn thông thường.

Đánh giá về các mô hình cái chết của sao

Việc phân loại kỹ thuật của sự kiện này là “siêu tân tinh thất bại” cung cấp bằng chứng vật lý còn thiếu để chứng thực cho các lý thuyết vật lý thiên văn hiện đại. Vật lý học về sao gợi ý rằng, ở những phạm vi khối lượng cụ thể, lực hấp dẫn của lõi sắt mạnh đến mức nó ngăn cản sóng xung kích “hồi phục” thường gây ra vụ nổ siêu tân tinh. Nếu không có sự bật lại này, vật chất không bị trục xuất một cách dữ dội mà bị hạt nhân nuốt chửng.

Ý nghĩa thống kê của khám phá này là rất lớn đối với cuộc điều tra dân số vũ trụ. Các tính toán cập nhật chỉ ra rằng khoảng 30% tổng số vụ sụp đổ của sao có thể xảy ra thông qua cơ chế im lặng này. Nếu được xác nhận trên quy mô lớn, điều này có nghĩa là số lượng lỗ đen trong vũ trụ lớn hơn đáng kể so với ước tính trước đây chỉ dựa trên số lượng siêu tân tinh nhìn thấy được.

Andromeda, là thiên hà xoắn ốc lớn gần nhất với Dải Ngân hà, đóng vai trò là phòng thí nghiệm tự nhiên lý tưởng. Khả năng quan sát từng ngôi sao trong thiên hà này cho phép các nhà thiên văn học giám sát chính xác các ứng cử viên “siêu tân tinh thất bại”, điều chỉnh tốc độ hình thành của các vật thể nhỏ gọn trong Nhóm thiên hà Địa phương.

Vai trò của tia hồng ngoại và tia X trong việc xác nhận

Xác thực khoa học về những gì đã xảy ra với M31-2014-DS1 phụ thuộc vào cả những gì được nhìn thấy và những gì không được nhìn thấy. Đài thiên văn Chandra đã quét khu vực này để tìm dấu hiệu năng lượng cao. Các lỗ đen ăn ngấu nghiến vật chất lân cận thường phát ra một lượng lớn tia X. Sự im lặng trong dải quang phổ này đã củng cố lý thuyết cho rằng quá trình bồi tụ vật chất của lỗ đen mới là khan hiếm và chậm chạp.

Đồng thời, độ nhạy của Kính thiên văn James Webb rất quan trọng trong việc phát hiện dấu hiệu nhiệt của bụi còn lại. Nếu không có khả năng quan sát ở vùng hồng ngoại giữa, sự kiện này có thể được hiểu đơn giản là sự biến mất của một ngôi sao do bị che khuất, chứ không phải là sự ra đời của một lỗ đen.

Việc giám sát khu vực sẽ tiếp tục trong những năm tới. Các nhà khoa học dự định theo dõi sự phát triển của đường cong ánh sáng và sự phân tán bụi xung quanh. Dữ liệu trong tương lai này sẽ giúp cải tiến các mô hình toán học về cách vật chất hoạt động dưới lực hấp dẫn cực lớn và cách phân bố các nguyên tố hóa học nặng trong không gian giữa các vì sao ngay cả khi không có vụ nổ thảm khốc.