Khám phá mới về vai trò của ngôi sao thứ ba trong vụ nổ siêu tân tinh

Trong lĩnh vực thiên văn học, hình ảnh của sao lùn trắng, hay còn gọi là những ‘ma cà rồng vũ trụ’, đã trở nên quen thuộc. Chúng hút vật chất từ các ngôi sao đồng hành gần kề và quá trình này thường kết thúc bằng một vụ nổ siêu tân tinh hủy diệt cả hai thiên thể. Tuy nhiên, một nghiên cứu gần đây từ Viện Công nghệ California (Mỹ) đã phát hiện ra một bí mật bất ngờ. Sự tồn tại của một ngôi sao thứ ba đóng vai trò ‘người mai mối’ thầm lặng trong các hệ thống này.

Dựa trên dữ liệu từ sứ mệnh Gaia của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, nghiên cứu đã xác định được 50 hệ ba sao chứa sao biến quang. Trong các hệ này, hai ngôi sao gần nhau tạo thành cặp chính, trong khi ngôi sao thứ ba quay ở khoảng cách xa hơn nhiều. Kết quả từ 2.000 mô phỏng máy tính cho thấy, trong khoảng 20% trường hợp, chính lực hấp dẫn từ ngôi sao thứ ba đã làm biến đổi quỹ đạo của cặp sao đôi, khiến chúng xích lại gần nhau mà không cần trải qua giai đoạn lớp vỏ khí chung như giả thuyết truyền thống.

Vai trò then chốt của ‘kẻ thứ ba’

Trước đây, các nhà thiên văn học tin rằng phần lớn các sao biến quang hình thành thông qua quá trình tiến hóa lớp vỏ chung. Theo đó, một ngôi sao phình to thành sao khổng lồ đỏ và bao phủ ngôi sao đồng hành. Khi hai ngôi sao tương tác, lớp vỏ này bị đẩy ra, để lại một sao lùn trắng quay quanh một sao đồng hành ở khoảng cách đủ gần để bắt đầu quá trình hút vật chất.

Tuy nhiên, phát hiện mới cho thấy mô hình này không phải là con đường duy nhất. Trong các mô phỏng của nhóm nghiên cứu, có đến 60% trường hợp lớp vỏ khí chung vẫn hình thành nhưng được kích hoạt bởi sự tác động của ngôi sao thứ ba. Chỉ khoảng 20% trường hợp còn lại là lớp vỏ khí hình thành theo cách truyền thống, không có sự góp mặt của ngôi sao thứ ba.

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu dự đoán có thể có tới 40% các biến thiên thảm khốc ngoài thực tế được hình thành từ hệ ba sao. Con số này cao hơn nhiều so với những gì dữ liệu quan sát từ Gaia từng ghi nhận. Lý do có thể đến từ việc nhiều ngôi sao thứ ba nằm quá xa hoặc có ánh sáng quá yếu để được phát hiện, thậm chí đã bị bật khỏi hệ do tác động hấp dẫn mạnh mẽ.

Dữ liệu cũng cho thấy, các hệ ba sao có quỹ đạo ngôi sao thứ ba lớn hơn 100 đơn vị thiên văn (100 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời) có xu hướng dễ hình thành các biến quang hơn.

Nhà nghiên cứu Kareem El-Badry chia sẻ: ‘Trong suốt 50 năm qua, giới thiên văn học đã sử dụng mô hình vỏ khí chung để giải thích sự hình thành sao biến quang. Nhưng giờ đây, chúng tôi phát hiện rằng rất nhiều hệ thống như vậy thực chất là sản phẩm của các tương tác ba sao’.

Phát hiện này mở ra một hướng nghiên cứu mới, thách thức những giả định lâu đời về sự tiến hóa của các hệ sao trong vũ trụ.

Một nghiên cứu mới công bố gần đây đã ghi nhận vụ va chạm giữa hai hố đen với quy mô lớn nhất từ trước đến nay, được gọi là GW231123. Sự kiện này được xem là vụ hợp nhất hố đen lớn nhất từng được ghi nhận, với mỗi hố đen có khối lượng gấp hàng trăm lần khối lượng Mặt Trời.

Vụ va chạm được phát hiện bởi nhóm các nhà thiên văn học khi sử dụng Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế laser (LIGO). Những gợn sóng mờ nhạt trong không-thời gian sinh ra từ vụ va chạm giữa hai hố đen đã được quan sát thấy. Các nhà vật lý gọi những gợn sóng này là sóng hấp dẫn.

Sóng hấp dẫn đã được dự đoán bởi Albert Einstein vào năm 1915 trong thuyết tương đối rộng, nhưng ông cho rằng chúng quá yếu nên các công nghệ của con người chưa thể phát hiện. Tuy nhiên, đến năm 2016, LIGO lần đầu tiên ghi nhận được chúng trong một vụ va chạm giữa hai hố đen.

Kể từ lần phát hiện đầu tiên, LIGO cùng các thiết bị đồng hành, gồm Virgo ở Ý và KAGRA ở Nhật Bản, đã ghi nhận khoảng 300 vụ hợp nhất hố đen. Tuy nhiên, GW231123 là trường hợp đặc biệt trong số hơn 300 vụ hợp nhất đã được ghi nhận, không chỉ vì quy mô khổng lồ của vụ va chạm.

Các hố đen riêng lẻ này đặc biệt bởi chúng có khối lượng nằm trong khoảng mà các nhà khoa học không nghĩ rằng chúng được tạo ra từ cái chết của các ngôi sao. Chưa dừng lại ở đó, hai hố đen này còn có khả năng quay gần như với tốc độ tối đa cho phép về mặt vật lý.

GW231123 đặt ra một thách thức lớn đối với hiểu biết hiện tại của chúng ta về quá trình hình thành hố đen. Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, lực hấp dẫn là sự uốn cong của không-thời gian, buộc các vật thể phải di chuyển theo những đường cong trong không gian.

Tuy nhiên, theo chuyên gia Mark Hannam, những sóng hấp dẫn này lại vô cùng yếu và các nhà khoa học đang gặp hạn chế về những thông tin chúng có thể cung cấp. Chẳng hạn, hiện vẫn chưa xác định được chính xác khoảng cách của GW231123 so với Trái Đất, nó có thể cách chúng ta tới 12 tỷ năm ánh sáng.

Tuy vậy, nhà khoa học Hannam cho biết nhóm nghiên cứu tự tin về khối lượng của hai hố đen, được ước tính lần lượt là gấp khoảng 100 và 140 lần khối lượng Mặt Trời. Những con số này đã khiến giới khoa học bối rối.

Có những cơ chế tiêu chuẩn hình thành hố đen, đó là khi một ngôi sao cạn nhiên liệu, chết và sụp xuống. Nhưng có một khoảng khối lượng mà các nhà khoa học cho rằng không thể hình thành hố đen theo cách đó và các hố đen trong GW231123 lại nằm chính giữa khoảng khối lượng đó.

Do đó, câu hỏi đặt ra là chúng được hình thành bằng cách nào? Điều đó khiến chúng trở nên vô cùng thú vị. Một đặc điểm đáng chú ý khác của GW231123 là tốc độ quay quanh nhau cực kỳ nhanh của hai hố đen.

Cho đến nay, phần lớn các hố đen mà chúng tôi phát hiện thông qua sóng hấp dẫn đều quay tương đối chậm. Điều này cho thấy GW231123 có thể được hình thành theo một cơ chế khác so với các vụ hợp nhất từng quan sát trước đó, hoặc cũng có thể là dấu hiệu cho thấy các mô hình hiện tại của chúng ta cần được điều chỉnh.

Theo Giáo sư Mark Hannam, tốc độ quay nhanh như vậy rất khó hình thành trong điều kiện thông thường nhưng lại củng cố giả thuyết rằng hai hố đen trong sự kiện này có thể đã trải qua những vụ hợp nhất trước đó vì hố đen từng hợp nhất thường có xu hướng quay nhanh hơn.