Sao từ

Những nam châm mạnh nhất từng biết, và ngày một trong số đó lóe sáng khắp thiên hà

Từng bước

Một nam châm to bằng thành phố

Sao từ là sao neutron có từ trường mạnh nhất từng biết. Từ trường của SGR 1806-20 khoảng 2×10¹⁵ gauss: gấp bốn triệu tỉ lần của Trái Đất.

Sao neutron là thứ còn lại khi lõi của một ngôi sao khối lượng lớn sụp đổ: khoảng 1,4 lần khối lượng Mặt Trời trong một quả cầu rộng chừng 24 km. Phần lớn có từ trường gấp khoảng một nghìn tỉ lần của Trái Đất. Khoảng 30 trong gần 3.000 sao neutron đã biết có từ trường mạnh hơn nữa từ một trăm đến một nghìn lần. Chúng được gọi là sao từ.

SGR 1806-20, cách khoảng 28.000 năm ánh sáng trong chòm Nhân Mã, là một trong những sao mạnh nhất. Từ trường của nó khoảng 2×10¹⁵ gauss. Từ trường Trái Đất là nửa gauss, nam châm tủ lạnh chừng một trăm, còn nam châm ổn định mạnh nhất từng chế tạo, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia về Từ trường Cao của Mỹ, là 455.000.

Ở gần sao từ như thế, chính các nguyên tử cũng bị ép thành những cây kim mảnh dọc theo từ trường. Ngay cả ở cách 1.000 km, từ trường vẫn còn vài tỉ gauss, đủ để làm biến dạng nguyên tử của mọi sinh vật.

Vòng quay chậm bị hãm

Phần lớn sao neutron trẻ quay nhiều vòng mỗi giây. Sao từ quay chậm, cứ 2 đến 12 giây một vòng, vì từ trường khổng lồ của chúng như cái phanh: khi ngôi sao quay, từ trường ném các hạt tích điện ra không gian, và chúng mang theo chuyển động quay của sao.

Một từ trường bị xoắn

Bên trong, từ trường được cho là còn mạnh hơn và rối rắm. Khi dần thoát ra ngoài, nó xoắn các đường sức phía trên ngôi sao và làm căng lớp vỏ rắn nơi chúng bám vào.

Vỏ của sao neutron là một lớp rắn dày khoảng một kilômét, một mạng tinh thể các hạt nhân giàu sắt bền hơn thép rất nhiều. Từ trường xuyên qua nó và bám chặt vào nó.

Ở sao từ, từ trường được cho là còn mạnh hơn bên trong ngôi sao, và rối rắm. Qua nhiều năm nó chậm rãi đẩy ra ngoài, kéo theo lớp vỏ và xoắn các đường sức uốn vòng phía trên bề mặt. Đường sức bị xoắn mang dòng điện, và dòng điện nung nóng lớp vỏ: sao từ phát sáng tia X mạnh hơn mức mà vòng quay chậm dần có thể chi trả. Chính từ tính, chứ không phải vòng quay, cấp năng lượng cho chúng.

Sự xoắn thấy ở đây được vẽ để minh họa ý tưởng, theo lời giải thích được chấp nhận rộng rãi nhất (Thompson, Lyutikov và Kulkarni 2002). Không ai có thể nhìn thấy chính từ trường.

Động đất sao

Khi sức căng quá lớn, lớp vỏ nứt ra. Mỗi trận động đất sao làm rung chuyển từ trường và phóng ra một đợt tia X và tia gamma kéo dài khoảng một phần mười giây.

Sao từ được chú ý đầu tiên nhờ những đợt bùng này. Năm 1979 các vệ tinh bắt được những đợt tia gamma ngắn, lặp lại từ cùng một vùng trời, và nguồn của chúng được gọi là nguồn lặp tia gamma mềm: chữ SGR trong SGR 1806-20.

Một đợt bùng điển hình kéo dài khoảng một phần mười giây và tỏa ra năng lượng bằng Mặt Trời trong vài ngày đến vài tháng, chủ yếu dưới dạng tia X. Khi thức giấc, một sao từ có thể phóng hàng trăm đợt trong nhiều tuần, rồi im lặng nhiều năm. Lời giải thích được ưa chuộng là lớp vỏ gãy dưới sức căng của từ trường, như mặt đất trong động đất, và các đường sức phía trên bật sang hình dạng mới, giải phóng năng lượng.

Vết nứt và các đợt bùng là vẽ minh họa, chậm lại sáu lần.

Vụ bùng phát khổng lồ

Ngày 27 tháng 12 năm 2004, SGR 1806-20 giải phóng tất cả cùng lúc. Trong một phần năm giây nó sáng hơn cả trăng tròn nhìn từ Trái Đất, từ khoảng cách 28.000 năm ánh sáng: chớp sáng nhất từng thấy từ bên ngoài Hệ Mặt Trời.

Vụ bùng phát khổng lồ tới Trái Đất lúc 21:30 UT. Gần như toàn bộ là tia gamma, mắt không thấy được, nhưng trong một phần năm giây nó mang tới Trái Đất nhiều năng lượng hơn ánh sáng trăng tròn (Palmer và cộng sự 2005). Nó làm bão hòa gần như mọi máy dò tia gamma trong không gian và còn làm xáo trộn tầng khí quyển trên của Trái Đất, tầng điện li.

Người ta cho rằng nó xảy ra khi một phần lớn từ trường, bị căng suốt nhiều năm, gãy và bật ngay sang hình dạng mới, ném ra một đám mây vật chất với tốc độ bằng một phần đáng kể tốc độ ánh sáng.

Chớp sáng là tia gamma, vẽ màu tím nhạt, chậm lại khoảng năm lần.

Chiếc đuôi nhấp nháy

Sau chớp sáng, một quả cầu lửa bị từ trường giữ lại đã sáng trong khoảng sáu phút, rực lên mỗi khi vòng quay của ngôi sao, cứ 7,56 giây, đưa nó về phía chúng ta.

Chớp đầu tiên kéo dài một phần năm giây. Tiếp theo là một vầng sáng dịu hơn tắt dần trong khoảng 380 giây, lên xuống mỗi 7,56 giây: chính là vòng quay của ngôi sao.

Lời giải thích là một quả cầu lửa bị giam: một khối electron, positron và tia gamma nóng hàng trăm triệu độ, bị bắt trong các vòng kín của từ trường ngay trên bề mặt. Áp suất của chính nó sẽ làm nó nổ tung trong chớp mắt; chỉ từ trường mạnh cỡ này mới giữ nổi. Khi nguội dần từ ngoài vào trong, ánh sáng của nó phai đi, còn vòng quay của ngôi sao đưa nó về phía Trái Đất rồi lại quay đi.

Ở đây quả cầu lửa được vẽ ở một bên ngôi sao; hình dạng thật của nó chưa được biết. Chiếc đuôi chạy nhanh hơn thực tế khoảng bốn lần.

Ngôi sao ngân lên

Trong đuôi, tia X nhấp nháy ở những tần số cố định, từ 18 đến 1.840 lần mỗi giây: lớp vỏ vẫn còn rung sau trận động đất, như một chiếc chuông bị gõ.

Các vệ tinh đo thời gian tia X của đuôi thật chính xác đã thấy chúng nhấp nháy ở những tần số cố định: 18, 26, 30, 92, 150, 625 và 1.840 lần mỗi giây (Israel và cộng sự 2005; Strohmayer và Watts 2006). Một bộ tương tự đã được tìm thấy trong vụ bùng phát khổng lồ năm 1998 của SGR 1900+14.

Chúng khớp với các cách lớp vỏ sao neutron có thể xoắn qua lại, một nửa ngược với nửa kia, giống như các nhà địa chấn học đọc tiếng ngân của Trái Đất sau động đất để biết bên trong có gì. Đó là lần đầu tiên bên trong một sao neutron có thể được thăm dò như vậy.

Những tần số này là cao độ ta nghe được. Khi bật âm thanh, chúng phát ở đây thành các nốt; độ lớn của chúng là vẽ minh họa. Sự xoắn của lớp vỏ được vẽ chậm lại để mắt theo kịp.

Nguyên tố nặng

Vụ bùng phát còn ném ra vật chất. Khoảng mười phút sau, một vầng sáng tia gamma mờ cho thấy nó chứa các nguyên tố nặng mới hình thành: khoảng một phần ba khối lượng Trái Đất.

Vụ bùng phát ném ra một đám mây vật chất giàu neutron với tốc độ bằng một phần đáng kể tốc độ ánh sáng. Khi xem lại dữ liệu cũ, các nhà thiên văn tìm thấy một vầng sáng tia gamma muộn hơn, mờ hơn, đạt đỉnh khoảng mười phút sau chớp sáng.

Độ sáng và nhịp thời gian của nó khớp với sự phân rã phóng xạ của các hạt nhân nặng mới hình thành: quá trình bắt neutron nhanh, quá trình r, tạo ra vàng, bạch kim và urani. Khoảng một phần triệu khối lượng Mặt Trời đã được tạo ra, bằng một phần ba khối lượng Trái Đất (Patel và cộng sự 2025). Những vụ bùng phát như vậy có thể tạo ra một đến mười phần trăm các nguyên tố nặng nhất trong Ngân Hà; phần lớn còn lại đến từ các vụ va chạm sao neutron.

Đám mây được vẽ như một lớp vỏ phát sáng vàng; hình dạng thật của nó chưa được biết.

Chớp vô tuyến từ thiên hà của chúng ta

Ngày 28 tháng 4 năm 2020, một sao từ khác, SGR 1935+2154, phóng ra một đợt tia X và một chớp sóng vô tuyến ngắn hơn một phần nghìn giây: chớp vô tuyến nhanh đầu tiên được thấy từ bên trong Ngân Hà.

Chớp vô tuyến nhanh là những chớp sóng vô tuyến kéo dài vài phần nghìn giây, được phát hiện lần đầu năm 2007. Hàng nghìn chớp đã được thấy, hầu hết từ các thiên hà khác, và điều gì tạo ra chúng vẫn là bí ẩn.

Ngày 28 tháng 4 năm 2020, hai kính thiên văn vô tuyến, CHIME ở Canada và STARE2 ở Mỹ, bắt được một chớp từ SGR 1935+2154, cách khoảng 30.000 năm ánh sáng, cùng lúc với một đợt tia X từ nó. Nó đến thành hai chớp cách nhau 29 phần nghìn giây. Nhìn từ một thiên hà khác, nó sẽ giống một chớp vô tuyến nhanh mờ: ít nhất một số chớp xa xôi ấy đến từ sao từ.

Sóng vô tuyến là vô hình; ở đây chúng được vẽ màu xanh lục, chậm lại khoảng ba mươi lần.

Lụi tàn

Sao từ còn trẻ: từ trường của chúng hao mòn trong khoảng 10.000 năm. Sau đó các đợt bùng ngừng lại, và ngôi sao sống tiếp như một sao neutron yên tĩnh.

Có khoảng 30 sao từ đã biết, tất cả đều trong Ngân Hà hoặc thiên hà đồng hành của nó, Đám Mây Magellan Lớn. Chúng nằm gần các cụm sao trẻ và tàn tích siêu tân tinh, và rất ít sao già hơn vài nghìn năm. Một sao, trong cụm Westerlund 1 cách 16.000 năm ánh sáng, sinh ra từ một ngôi sao nặng khoảng 40 lần Mặt Trời.

Khi từ trường suy yếu và nhả dần các chỗ xoắn, nó nung nóng ngôi sao và cấp năng lượng cho các đợt bùng. Sau chừng mười nghìn năm, phần còn lại quá ít để làm nứt lớp vỏ. Sao từ chậm lại, nguội đi và lụi tàn thành một trong hàng trăm triệu sao neutron yên tĩnh được cho là lấp đầy thiên hà của chúng ta.

Vật thể trong câu chuyện

Sao neutron