THIÊN VĂN HỌC ĐA TÍN HIỆU

  

MỘT SỐ THÔNG TIN VỀ THIÊN VĂN HỌC ĐA TÍN HIỆU  

40B

(theo cuốn sách của Imre Bartos, Columbia University, USA &Marek Kowalski, Humboldt University and DESY, Germany) 

Cùng với sự phát hiện GW(sóng Hấp dẫn) cộng với các tín hiệu từ neutrino vũ trụ năng lượng cao và tia vũ trụ, chúng ta đang chứng kiến sự ra đời của ngành thiên văn học đa tín hiệu (multimessenger astronomy).Nhờ các tín hiệu này + bức xạ điện từ ,chúng ta có thể nghiên cứu các sự cố vũ trụ có năng lượng tối đa.

Những đối tượng được chú ý nhiều nhất  các thiên hà với các lỗ đen siêu nặng ở tâm và sự kết dính các lỗ đen và sao neutron.

Nhập đề 

Từ lâu các nhà thiên văn học khảo sát Vũ trụ chủ yếu nhờ phổ điện từ. Một phần vũ trụ là trong suốt đối với điện từ, điều này cho phép chúng ta chụp ảnh vũ trụ trong phổ kéo dài đến các tia X và tia gamma.

Song cũng còn những phần vũ trụ chưa quan sát được bằng phổ điện từ.Các lỗ đen bức xạ chủ yếu không phải điện từ cho nên khó quan sát được.

Các tia vũ trụ -những hạt có  năng lượng rất cao cho phép nới rộng quan sát lên 6 bậc năng lượng.Song những hạt mang điện này bị xáo trộn bởi từ trường cho nên khó xác định nguồn gốc của chúng.

Hai phát hiện cơ bản gần đây trong thập kỷ hiện tại  đã mở thêm cánh cửa vào vũ trụ.Thứ nhất là sự phát hiện sóng hấp dẫn nhờ LIGO (Laser Interferometer Gravitationalwave Observatory -LIGO) từ sự kết hợp của 2 lỗ đen.

Thứ hai là sự ghi đo các neutrino năng lượng cao nguồn gôc vũ trụ của IceCube, một detector khổng lồ thể tích 1 km khối tại Antartic ice ở Nam cực.

Tất cả điều đó  làm cơ sở của một thời đại mới là thiên văn học đa tín hiệu ( multimessenger astronomy): khảo sát Vũ trụ bằng sự  kết hợp các tín hiệu :bức xạ điện từ, sóng hấp dẫn neutrino và tia vũ trụ.

Mỗi tín hiệu có đặc điểm riêng ví dụ sóng hấp dẫn và neutrino có thể đi qua vật chất và các trường giữa các thiên hà tạo nên một bức tranh mà các nguồn tín hiệu khác không cho phép (xem hình 1).

   

 

   Hình1.   Chỉ có sóng hấp dẫn và neutrino năng lượng cao mới qua được những vùng mà sóng điện từ không qua được. Điều này cho phép người ta sử dụng sóng hấp dẫn và neutrino để khảo sát những vùng vũ trụ nguyên thủy và xa xôi.

Những vấn đề có thể nghiên cứu được nhờ thiên văn học đa tín hiệu: sự hình thành và phát triển của lỗ đen, động học bùng nổ các sao, nguồn gôc tia vũ trụ, những tia tương đối tính ( relativistic jets), các lỗ đen siêu nặng ở tâm các thiên hà, sự va chạm giữa các lỗ đen và các sao neutron và nhiều vấn đề khác.

Sao neutron , lỗ đen và quá trình kết hợp (merge) của chúng

Sao neutron hình thành trong quá trình co sụp (collapse) của những sao có khối lượng lớn khoảng 10 đến 29   khối lượng mặt trời.Sao neutron sẽ là những sao với kích thược tương đối nhỏ song với mật độ vật chất rất lớn.

Khi một sao co sụp (collapse) dưới lực hấp dẫn vật chất sẽ chuyển động vào phía tâm (lỗ đen hay sao neutron).Song vì vật chất có xung lượng góc lớn cho nên số vật chất đó biến thành một đĩa gọi là đĩa bồi ( accretion disk), còn lại khoảng 10-40% khối lượng biến thành bức xạ.

Nhiều đối tượng trong vũ trụ có thể va chạm nhau và ta có bức xạ từ những va chạm đó. 

Nhiều thiên thể có thể tồn tại dưới dạng các sao đôi (binary)-thường đó là những lỗ đen hay sao neutron hay tổ hợp của 2 đối tượng đó.

Ở tâm các thiên hà thường có một lỗ đen với khối lượng rất lớn gọi là  lỗ đen siêu khối lượng ( supermassive black hole)-có khối lượng nhiều triệu hay nhiều tỷ lần so với khối lượng các lỗ đen hình thành trong quá trình co sụp các sao.Những thiên hà chứa những siêu lỗ đen này có độ sáng rất lớn và được gọi là thiên hà hoạt động (active galaxies) còn tâm của chúng được gọi là hạt nhân thiên hà hoạt động ( active galactive nuclei).  

Sóng hấp dẫn 

Khi có sự cố vũ trụ hay sự kết hợp của các lỗ đen hay của các sao neutron (va chạm của hai binary compact) thì chúng ta thu được SHD.

 

  

                                         

 Hinh 2.    Bức xạ SHD,phần trên là SHD từ sự co sụp của sao , phần dưới là kết hợp của lỗ đen và sao neutron.

Neutrino

Trong trường hợp sao co sụp dưới hấp dẫn đa phần năng lượng phát ra dưới dạng neutrino với năng lượng nhiều MeV. Neutrino phát ra khi mật độ vật chất  chịu áp suất lớn đến trở thành mật độ hạt nhân .Electron và proton kết hợp  thành neutron trong quá trình bắt electron ( electron capture).  

Đối với những đĩa bồi thì năng lượng thoát ra dưới dạng những tia thẳng góc với mặt đĩa do từ trường của đĩa-đó là những tia tương đối tính (relativistic jets)-những hạt có vận tốc gần vận tốc ánh sáng .

Tia vũ trụ

Tia vũ trụ là những hạt có năng lượng cao có nguồn gốc (còn chưa rõ lắm) từ những thiên hà ở rất xa. Trong quá trình đi vào khí quyển trái đất tia vũ trụ tạo ra những mưa sao gồm nhiều hạt. Tia vũ trụ có thành phần chính là các proton và các hạt nhân nguyên tử. 

Các tia vũ trụ là những hạt có năng lượng cao cho nên sẽ là những tín hiệu quan trọng trong thiên văn.

Neutrino năng lượng cao 

Những hạt tương đối tính tạo nên bởi các cơ chế gia tốc trong vũ trụ sẽ là những tia vũ trụ và khi chúng va chạm với những photon hay các hạt khác chúng ta sẽ có nhiều hạt mới được sinh ra và khi những hạt sau phân rã chúng tạo nên neutrino năng lượng cao, tia gamma và các loại hạt khác.

                   Hình 3.Đài quan sát IceNeutrino nằm dưới băng Nam cực

Detector neutrino lớn nhất hiện nay là đài qua sát IceCube neutrino có dung tích 1km khối  đặt tại Nam cực.Ở đây người ta ghi đo  hiệu ứng Cherenkov phát ra trong quá trình tương tác giữa neutrino năng lượng cao với băng (ice).

  

                                                Hình 4   .Các nguồn neutrino

  

Phổ điện từ 

Phổ bức xạ điện từ được chia thành những vùng sau theo độ dài sóng photon giảm dần và năng lượng và tần số tăng dần : sóng radio ,sóng vi ba, hồng ngoại.phổ nhình thấy được, vùng tử ngoại, tia X và các tia gamma (xem hình 5).

                                                      Hình 5 . Phổ điện từ 

 

Một nguồn tia gamma là các bùng nổ tia gamma (GRB-Gamma bursts).Khi các tia gamma này bị chậm dần ta có bức xạ gọi là hậu bức xạ (afterglow),kéo dài rất lâu. 

Ngoài ra khi các đĩa bồi bị nung lên đến nhiệt độ cao vì ma sát (friction) chúng cũng phát ra bức xạ nhiệt dưới dạng tia X.

Khi các sao neutron va chạm và kết hợp nhiều tổng hợp hạt nhân nặng được hình thành, một số là phóng xạ và sự phân rã của chúng tạo nên bức xạ chuyển dịch (transient radiation) gọi là kilonova nằm trong giải gần hồng ngoại kéo dài nhiều ngày và có thể quan sát được quanh vùng kết hợp của các sao neutron.

  Nhiều sao neutron có chuyển động quay chúng được gọi là sao pulsar,các sao này phát ra tia photon –tia X hoặc radio do từ trường của chúng . Khi chúng quay ta nhận được ánh sáng của chúng một cách có chu kỳ.

                                         

KẾT LUẬN

Thiên văn học đa tín hiệu sử dụng sóng hấp dẫn +neutrino năng lượng cao+tia vũ trụ kết hợp với phổ điện từ trước đây sẽ mở ra một kỷ nguyên mới mở rộng khả năng quan sát lên nhiều bậc năng lượng cho khoa học vũ trụ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Imre Bartos Columbia University, USA &Marek KowalskiHumboldt University and DESY, Germany , Multimessenger Astronomy

IOP Science,Physicsworld Discovery