Khoảnh khắc sao neutron 'vỡ như trứng' khi bị hố đen nuốt chửng

Theo Live Science, nghiên cứu này không chỉ cung cấp hình ảnh sống động về thảm họa vũ trụ, mà còn hé lộ khả năng phát hiện sóng vô tuyến, tín hiệu tia X, và thậm chí là sự tồn tại thoáng qua của một vật thể mới chưa từng được quan sát trước đây - “sao xung lỗ đen”.

Mô phỏng cho thấy sao neutron bị hố đen nuốt tạo sóng xung kích, tín hiệu vô tuyến và sao xung thoáng qua - Ảnh: Caltech

Khi lỗ đen “xé toạc” một ngôi sao

Hiện tượng một hố đen nuốt chửng sao neutron được đánh giá là một trong những sự kiện mãnh liệt nhất trong vũ trụ. Nhờ vào mô phỏng máy tính tiên tiến, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý thiên văn Elias Most tại Viện Công nghệ California (Caltech) ở Mỹ đứng đầu đã mô hình hóa quá trình này với độ chính xác cao, ghi lại từng mili giây trước khi ngôi sao neutron hoàn toàn biến mất vào lỗ đen.

Kết quả mô phỏng cho thấy, dưới tác động từ lực hấp dẫn khổng lồ của hố đen, bề mặt sao neutron nứt toác như mặt đất trong một trận động đất mạnh. Quá trình này gây ra những cơn "động đất sao", giải phóng sóng xung kích dữ dội và làm nhiễu loạn mạnh mẽ từ trường của ngôi sao.

Theo bài báo công bố trên Astrophysical Journal Letters tháng 3 vừa qua, những sóng xung kích đó không chỉ lan tỏa trong không gian mà còn có khả năng tạo ra tín hiệu vô tuyến, cụ thể là các vụ nổ vô tuyến nhanh (fast radio bursts – FRB), một dạng tín hiệu từng gây tò mò trong giới thiên văn học.

Có thể “nghe” tiếng nứt của sao?

"Trước đây, mọi người chỉ nghĩ rằng sao neutron có thể bị nứt như một quả trứng. Nhưng chưa ai tự hỏi: Liệu ta có thể nghe thấy tiếng nứt đó không? Mô phỏng của chúng tôi cho thấy có thể, nó có thể phát ra dưới dạng tín hiệu vô tuyến, đủ để thiết bị thu nhận", Most cho biết.

Những tín hiệu này, nếu đủ mạnh, có thể được phát hiện bằng các kính thiên văn vô tuyến tiên tiến trong tương lai. Một ví dụ điển hình là mạng lưới gồm 2.000 ăng ten vô tuyến đang được Caltech xây dựng tại Nevada, hệ thống được kỳ vọng có thể phát hiện các vụ FRB từ những va chạm như trên.

Ngay sau khi sóng Alfvén - loại sóng từ được tạo ra bởi sự biến dạng từ trường, xuất hiện, mô phỏng cho thấy một vụ nổ dữ dội xảy ra khi sao neutron bị hút trọn vào hố đen. Vụ nổ này tạo ra "sóng xung kích quái vật", thậm chí còn mạnh hơn cú sốc đầu tiên.

Các nhà khoa học tin rằng những sóng xung kích mạnh mẽ này cũng có thể đi kèm với tín hiệu vô tuyến khác biệt. Nếu có thể phát hiện được cả hai đợt tín hiệu trước và sau khi sao neutron biến mất, giới thiên văn học sẽ có cơ hội nghiên cứu sâu hơn về bản chất của sự va chạm giữa sao neutron và hố đen, vốn là một quá trình đầy bí ẩn.

"Đây không chỉ là mô hình lý thuyết như trước. Đây là một mô phỏng thực tế, tích hợp mọi yếu tố vật lý cần thiết, mô tả chính xác cách sao neutron bị phá hủy như một quả trứng", theo Giáo sư vật lý Katerina Chatziioannou, đồng tác giả nghiên cứu. "

Giả thuyết mới

Một điểm đặc biệt trong mô phỏng là dự đoán về khả năng hình thành của một vật thể mới: sao xung hố đen (black hole pulsar). Thông thường, sao xung là sao neutron quay nhanh, phát ra chùm bức xạ đều đặn như ngọn hải đăng vũ trụ. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy một hố đen, trong quá trình nuốt chửng sao neutron, có thể tạm thời bắt chước đặc điểm này.

Góc nhìn từ mô phỏng "sao xung hố đen", một vật thể giả định trong đó hố đen phóng ra các luồng từ trường quét xung quanh hố đen, giống như đèn hiệu của ngọn hải đăng, khi nó quay - Ảnh: Caltech

Hiện tượng xảy ra khi từ trường mạnh mẽ của sao neutron bị hố đen kéo theo. Để ổn định, hố đen phải loại bỏ phần từ trường dư thừa. "Mô phỏng của chúng tôi cho thấy quá trình này diễn ra theo cách khiến hố đen tạm thời hành xử như một sao xung", nhà khoa học Most nói.

Theo dự đoán, sao xung hố đen này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian cực ngắn, một phần nhỏ của một giây nhưng đủ lâu để phát ra tia X hoặc tia gamma mạnh. Nếu các nhà thiên văn học có thể ghi nhận những tín hiệu như vậy, đó sẽ là dấu hiệu rõ ràng cho thấy sự hình thành thoáng qua của một vật thể hiếm gặp.

Sức mạnh của siêu máy tính

Để tái tạo một sự kiện thiên văn phức tạp đến như vậy, nhóm nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính Perlmutter tại Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Lawrence Berkeley. Đây là hệ thống tính toán hiệu năng cao, được trang bị các GPU, thiết bị thường dùng trong xử lý đồ họa game và đào tạo trí tuệ nhân tạo.

"Trước đây, chúng tôi không có đủ năng lực tính toán để mô hình hóa toàn bộ hiện tượng vật lý xảy ra trong một quá trình như thế này. Nhưng nhờ GPU, mọi thứ trở nên khả thi và đạt kết quả như kỳ vọng”, Most chia sẻ.

Các mô phỏng như trên mở ra cánh cửa mới cho nghiên cứu các hiện tượng thiên văn cực đoan. Không chỉ giúp hiểu rõ quá trình sao neutron bị hố đen nuốt chửng, nghiên cứu còn gợi mở phương pháp phát hiện sự kiện này thông qua tín hiệu vô tuyến hoặc tia năng lượng cao. Đồng thời, khái niệm về sao xung hố đen nếu được xác thực sẽ là một bổ sung quan trọng cho kiến thức về vật lý thiên văn hiện đại.

Trong tương lai, với sự phát triển của các đài quan sát không gian và mạng lưới kính thiên văn trên Trái đất, khả năng ghi nhận các vụ va chạm tương tự sẽ ngày càng cao. Những tín hiệu tinh vi phát ra trong khoảnh khắc cuối cùng của một ngôi sao có thể chính là chìa khóa để giải mã những bí ẩn sâu thẳm nhất của vũ trụ.

Hoàng Vũ