Hai sao neutron va chạm

Hai ngôi sao chết va vào nhau, rèn ra vàng, rồi 130 triệu năm sau được Trái Đất vừa nghe thấy vừa nhìn thấy như thế nào

Từng bước

Hai sao neutron

Mỗi ngôi là phần còn lại khi lõi của một ngôi sao nặng sụp đổ trong một vụ siêu tân tinh: khối lượng lớn hơn Mặt Trời bị ép vào một quả cầu to bằng một thành phố, và phần lớn là neutron. Lực hấp dẫn của chúng mạnh đến mức ánh sáng từ mặt sau cũng bị bẻ cong về phía ta, nên chúng trông lớn hơn thực tế khoảng một phần tư.

Mỗi ngôi sinh ra trong vụ siêu tân tinh của riêng mình, nhưng cả hai vẫn bị ràng buộc với nhau. Từ đó quỹ đạo của chúng không ngừng co lại, và ở đây chúng chỉ còn hơn một giờ. Chúng nằm trong NGC 4993, một thiên hà ở chòm sao Trường Xà.

Gợn sóng trong không gian

Khi quay, chúng làm rung chuyển chính không gian. Sóng hấp dẫn lan ra với tốc độ ánh sáng, kéo giãn không gian theo một hướng và nén nó theo hướng kia, hai lần mỗi vòng.

Sóng mang năng lượng đi, và năng lượng ấy lấy từ quỹ đạo, nên hai ngôi sao xích lại gần và quay nhanh hơn. Sao neutron nhẹ hơn nhiều so với những lỗ đen có vụ sáp nhập được nghe thấy đầu tiên, nên sóng của chúng yếu hơn và vòng xoắn chậm hơn nhiều.

Ở đây sóng được vẽ trên mặt phẳng quỹ đạo: màu vàng kim nơi không gian bị giãn và màu xanh nơi bị nén. Ở giai đoạn này chúng lên xuống sáu lần mỗi giây, mỗi bước sóng dài khoảng 50.000 km, gấp bốn lần bề rộng Trái Đất.

Ngày càng nhanh

Thời gian được tua nhanh: trong một giờ tiếp theo, hai ngôi sao xích lại từ 1.000 km xuống 400 km và tăng tốc lên 12 vòng mỗi giây. Giờ đây sóng của chúng đủ nhanh để LIGO và Virgo nghe thấy.

Càng gần, chúng chuyển động càng nhanh và sóng càng mạnh, nên quỹ đạo co lại ngày càng nhanh. Từ đây hai ngôi sao chỉ còn 100 giây, và trong khoảng thời gian đó chúng sẽ quay thêm gần 2.000 vòng nữa.

Cao độ của sóng gấp đôi số vòng quay mỗi giây của quỹ đạo. Ở mức 24 dao động mỗi giây, hai ngôi sao lọt vào tầm nghe của hai máy dò LIGO ở Mỹ và Virgo ở Ý, những máy bắt được sóng từ khoảng mười đến vài nghìn dao động mỗi giây.

100 giây cuối cùng

Thời gian được tua nhanh rồi làm chậm: trong 100 giây cuối cùng, hai ngôi sao xích lại từ 400 km đến gần như chạm nhau, và cao độ của sóng tăng từ 24 lên hơn một nghìn dao động mỗi giây.

Đây là điều LIGO và Virgo nghe thấy: hàng nghìn dao động trong khoảng 100 giây, ngày càng cao và mạnh, một tiếng chirp dài hơn nhiều so với tích tắc mà các vụ sáp nhập lỗ đen mang lại. Chuyển thành âm thanh, nó vút lên như tiếng chim hót.

Tiếng chirp dài giúp các nhà khoa học cân chính xác hai ngôi sao. Tổ hợp khối lượng quyết định cao độ tăng nhanh đến đâu là 1,19 lần khối lượng Mặt Trời, chính xác đến một phần nghìn; còn từng khối lượng thì kém chính xác hơn: khoảng 1,46 và 1,27 lần khối lượng Mặt Trời nếu, như nhiều khả năng, hai ngôi sao tự quay chậm.

Bị xé nát

Làm chậm khoảng 2.000 lần: bị kéo giãn bởi lực hút của nhau, hai ngôi sao chạm nhau ở 40% tốc độ ánh sáng. Lực thủy triều xé ra những cánh tay vật chất, văng đi với tốc độ lên tới một phần tư tốc độ ánh sáng.

Mặt gần của mỗi ngôi sao bị ngôi kia hút mạnh hơn mặt xa, và trong những vòng cuối lực thủy triều làm chúng biến dạng. Khi va chạm, các lớp ngoài bị xé toạc và văng ra thành hai cánh tay cong, như nước từ vòi tưới vườn đang quay.

Nơi chúng gặp nhau, cú va chạm nén và nung nóng vật chất đến hàng trăm tỷ độ, và thêm nhiều vật chất phun ra, nhanh nhất về phía hai cực. Điều thực sự xảy ra ở đây chỉ được biết qua mô phỏng trên siêu máy tính, và hình dạng hiển thị chỉ theo chúng một cách đại khái.

Quá nặng để tồn tại lâu

Hai ngôi trở thành một ngôi sao nặng khoảng 2,7 Mặt Trời, tự quay hàng trăm lần mỗi giây. Quá nặng để tự chống đỡ lâu, nó sụp thành một lỗ đen được bao quanh bởi một đĩa mảnh vụn.

Lúc đầu chỉ có sự tự quay nhanh và sức nóng giữ cho ngôi sao hợp nhất đứng vững. Những sao neutron nặng nhất từng tìm thấy chỉ nhỉnh hơn hai lần khối lượng Mặt Trời, và ánh sáng của vụ va chạm này cho thấy ngôi sao hợp nhất đã sụp trong chưa đầy một giây thành một lỗ đen rộng khoảng 15 km.

Khí còn lại quay quanh nó tạo thành một đĩa nóng và dày, bị lỗ đen nuốt hoặc thổi bay trong khoảng một giây. Ở đây thời gian được làm chậm trước rồi tua nhanh, và đám mây vật chất văng ra được vẽ trong suốt để thấy ngôi sao và lỗ đen.

Tia phun tia gamma

Dọc theo trục của nó, một tia phun hẹp vọt ra với tốc độ gần bằng ánh sáng. Tia gamma của nó, ở đây vẽ màu tím, đến Trái Đất 1,7 giây sau sóng hấp dẫn.

Tia phun có lẽ được đẩy bởi sự tự quay của lỗ đen và từ trường của đĩa. Nó phải khoan xuyên qua vật chất đã bị văng ra trước đó. Tia gamma của nó, quá giàu năng lượng để mắt nào thấy được, chính là chớp sáng ngắn mà các nhà thiên văn gọi là vụ nổ tia gamma ngắn.

Vệ tinh Fermi của NASA đã bắt được vụ nổ này, GRB 170817A, dài khoảng hai giây. Nó mờ bất thường vì tia phun không hướng về phía ta: các ảnh vô tuyến sau đó cho thấy nó lệch khoảng 20 độ. Đến nơi 1,7 giây sau sóng hấp dẫn, sau 130 triệu năm hành trình, nó cho thấy lực hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng, chính xác đến một phần 10¹⁵.

Một kilonova

Thời gian được tua nhanh: vật chất văng ra, khoảng 20.000 lần khối lượng Trái Đất, phát sáng khi các nguyên tố nặng mới trong đó phân rã. Ánh sáng này, một kilonova, sáng như hàng trăm triệu Mặt Trời.

Các nguyên tử vừa hình thành không bền và phân rã trong nhiều giờ, nhiều ngày, nung nóng đám mây từ bên trong. Nó sáng gấp khoảng một nghìn lần một nova, tức một vụ bùng nổ trên bề mặt sao lùn trắng, nên năm 2010 được đặt tên là kilonova. Đây là kilonova đầu tiên từng được nhìn thấy.

Khi được thấy lần đầu, mười một giờ sau vụ va chạm, nó sáng như khoảng 270 triệu Mặt Trời và đã bắt đầu mờ đi. Những giờ đầu tiên của nó không được quan sát, nên ở đây dựa theo mô hình. Nó có màu trắng xanh, khoảng 10.000 độ, và nở ra với gần một phần ba tốc độ ánh sáng.

Vàng và bạch kim

Ngày được tua nhanh: nó nguội từ trắng xanh sang đỏ và mờ dần. Ánh sáng của nó cho thấy các nguyên tố nặng hơn sắt đang hình thành: người ta tìm thấy stronti trong đó, và nó cũng tạo ra vàng và bạch kim.

Trong giây đầu tiên sau va chạm, vật chất văng ra giàu neutron đến mức các nguyên tử nuốt chúng nhanh hơn tốc độ phân rã, xây nên những nguyên tố nặng hơn sắt rất nhiều. Đó là quá trình nhanh, hay quá trình r; khoảng một nửa số nguyên tố nặng hơn sắt được cho là hình thành theo cách này.

Các nguyên tử nặng gọi là lanthanide, hình thành cùng vàng và bạch kim, chặn ánh sáng xanh lam, nên khi đám mây loãng dần, ánh sáng của nó chuyển sang đỏ rồi hồng ngoại. Năm 2019, stronti được nhận ra trong ánh sáng của nó. Lượng vàng hình thành thì kém chắc chắn hơn: các ước tính từ vài lần đến vài trăm lần khối lượng Trái Đất.

Nhìn từ Trái Đất

Ngày 17 tháng 8 năm 2017 lúc 12:41 UTC, sóng hấp dẫn quét qua Trái Đất, và 1,7 giây sau là tia gamma. Mười một giờ sau, một kính thiên văn ở Chile tìm thấy nguồn sáng mới trong thiên hà NGC 4993.

Hai máy dò LIGO và Virgo cùng nhau thu hẹp nguồn về một khoảng trời rộng chừng 130 lần diện tích Mặt Trăng, trong chòm Trường Xà, cách khoảng 130 triệu năm ánh sáng. Các kính thiên văn khắp thế giới lùng sục các thiên hà ở đó ngay khi trời tối.

Kính thiên văn Swope ở Las Campanas, Chile, tìm thấy nó đầu tiên: một điểm sáng mới gần tâm NGC 4993. Chỉ trong vài ngày, khoảng 70 đài quan sát trên khắp bảy châu lục và ngoài không gian đã theo dõi nó, từ tia gamma đến sóng vô tuyến. Thiên hà ở đây được vẽ theo một mô hình đơn giản.

Nghe thấy và nhìn thấy

Đây là lần đầu tiên cùng một sự kiện vừa được nghe qua sóng hấp dẫn vừa được thấy bằng ánh sáng. Nó cho thấy phần lớn vàng trong vũ trụ được tạo ra ở đâu.

Nó chứng minh rằng các vụ va chạm sao neutron gây ra những vụ nổ tia gamma ngắn và rèn ra nguyên tố nặng, và rằng sóng hấp dẫn lan truyền với tốc độ ánh sáng. Độ mạnh của sóng cho biết khoảng cách, còn tốc độ thiên hà lùi xa ta mang lại một cách mới để đo vũ trụ giãn nở nhanh đến đâu.

Vài ngày sau, tia X xuất hiện, rồi đến sóng vô tuyến: ánh sáng dư của tia phun, tiếp tục sáng lên suốt nhiều tháng. Năm 2019, các máy dò nghe thấy một cặp sao neutron khác va chạm nhưng không tìm thấy ánh sáng. Tính đến năm 2025, đây vẫn là vụ va chạm duy nhất vừa được nghe thấy vừa được nhìn thấy.