Các nhà thiên văn Trung Quốc tìm thấy bằng chứng quang phổ về một hố đen xé toạc cùng một ngôi sao hai lần

Hai đợt bùng sáng chỉ ra một ngôi sao sống sót

Một ngôi sao dường như đã sống sót sau lần tiếp cận gần với hố đen siêu nặng, nhưng sau đó quay trở lại và mất thêm vật chất. Các nhà thiên văn học tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) xác định được sự kiện lặp lại này, AT 2022dbl, sau khi nó bắt đầu sáng lên trở lại vào tháng 1 năm 2024. Manh mối rõ nhất là sự tương đồng nổi bật trong ánh sáng phát ra từ hai đợt bùng sáng.

Phát hiện được công bố ngày 9 tháng 8 năm 2024 trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters. Trong thông báo nghiên cứu, USTC mô tả AT 2022dbl là sự kiện phá vỡ thủy triều một phần lặp lại đầu tiên được xác nhận bằng quang phổ, tức phương pháp nghiên cứu ánh sáng được tách thành các bước sóng thành phần.

Sự kiện phá vỡ thủy triều, hay TDE, xảy ra khi một ngôi sao đi đủ gần một hố đen khổng lồ để lực hấp dẫn xé vật chất khỏi nó. Vật chất tạo ra một đợt bùng sáng mạnh khi di chuyển về phía hố đen. Trong một sự kiện phá vỡ một phần, một phần ngôi sao sống sót, khiến nó có thể tiếp cận hố đen lần nữa.

AT 2022dbl đáng chú ý vì các nhà nghiên cứu không chỉ ghi nhận một vật thể sáng lên hai lần. Hai đợt bùng sáng có những đặc điểm phát xạ gần như trùng khớp, bao gồm các đặc điểm gắn với nitơ. Những đặc điểm này củng cố kết luận của nhóm rằng vật chất trong cả hai đợt rất có thể đều đến từ cùng một ngôi sao.

Phát hiện này cũng làm thay đổi cách các nhà thiên văn có thể diễn giải những vụ phá vỡ sao tưởng chừng bình thường. Theo nhóm nghiên cứu, nếu xem xét riêng lẻ, mỗi đợt bùng sáng của AT 2022dbl đều giống một TDE điển hình. Theo dõi vật thể theo thời gian hé lộ câu chuyện phức tạp hơn: một ngôi sao dường như mất vật chất qua những lần tiếp cận liên tiếp, thay vì biến mất trong một sự kiện duy nhất.

Hố đen có thể xé vật chất khỏi ngôi sao như thế nào

Hố đen hút mạnh hơn lên phía của một ngôi sao ở gần nó so với phía xa hơn. Khi chênh lệch này đủ lớn, nó kéo giãn ngôi sao và có thể xé vật chất khỏi ngôi sao. Sự chênh lệch lực hấp dẫn này là lực thủy triều, nguồn gốc tên gọi của hiện tượng.

Bồi tụ là quá trình vật chất tập hợp quanh và di chuyển về phía một vật thể dưới tác động của lực hấp dẫn. Trong một TDE, mảnh vỡ sao nóng lên và phát ra bức xạ trong quá trình đó. Các nhà thiên văn phát hiện đợt bùng sáng tạo ra, qua đó tìm hiểu một vụ tương tác xảy ra ở khoảng cách quá xa để có thể quan sát trực tiếp.

USTC giải thích rằng một TDE điển hình sáng lên nhanh trong vài chục ngày, rồi mờ dần trong nhiều tháng hoặc nhiều năm. Một sự kiện phá vỡ một phần có thể diễn tiến tương tự. Điểm khác biệt là ngôi sao sống sót, có thể tiếp tục trên quỹ đạo đưa nó đến gần hố đen lần nữa.

Với AT 2022dbl, các nhà nghiên cứu diễn giải đợt bùng sáng trở lại cùng quang phổ tương đồng là bằng chứng cho quá trình lặp lại này. Ánh sáng mang thông tin về vật chất bị xé khỏi ngôi sao, còn việc vật thể sáng trở lại cho thấy hoạt động đã tiếp diễn.

Vì sao quang phổ tương đồng có ý nghĩa

Quang phổ tách ánh sáng theo bước sóng, giống như lăng kính tách ánh sáng nhìn thấy thành nhiều màu. Nguyên tử và ion tạo ra các đặc điểm ở những bước sóng nhất định. Các nhà thiên văn dùng những đặc điểm này để tìm hiểu thành phần và điều kiện vật lý của vật chất phát ra ánh sáng.

Hai đợt bùng sáng của AT 2022dbl có đặc điểm vạch phát xạ cực kỳ giống nhau. USTC nhấn mạnh những đặc điểm cho thấy hàm lượng các nguyên tố liên quan đến phản ứng hạt nhân bên trong các ngôi sao cao bất thường. Trong số các đặc điểm trùng khớp có những vạch phát xạ N III, do các nguyên tử nitơ mất hai electron tạo ra.

Nhóm nghiên cứu xem sự tương đồng về thành phần hóa học này là dấu hiệu then chốt cho thấy cả hai đợt đều có vật chất từ cùng một ngôi sao. Lập luận của họ kết nối thời điểm hoạt động tái diễn với thành phần được tiết lộ qua ánh sáng: vật thể bùng sáng lần nữa, và ánh sáng phát ra mang dấu hiệu hóa học gần như trùng khớp.

Các ứng viên trước đây cho hiện tượng phá vỡ thủy triều lặp lại chủ yếu được nhận diện dựa trên đường cong ánh sáng, biểu thị độ sáng theo thời gian. USTC cho biết các trường hợp đó thiếu bằng chứng mạnh tương tự ngoài sự thay đổi độ sáng và chưa được chấp nhận rộng rãi. AT 2022dbl bổ sung phép so sánh quang phổ giữa hai đợt bùng sáng, tạo cơ sở quan sát vững chắc hơn cho cách giải thích rằng đây là sự kiện phá vỡ một phần lặp lại.

Cách phát hiện đợt bùng sáng thứ hai

Nhóm USTC thường xuyên cập nhật đường cong ánh sáng của các sự kiện phá vỡ thủy triều đã biết để tìm hoạt động tái diễn. Việc theo dõi liên tục này giúp các nhà nghiên cứu nhận ra AT 2022dbl sáng lên trở lại vào tháng 1 năm 2024 và sắp xếp quan sát khi đợt bùng sáng mới vẫn đang diễn tiến.

Họ đã tiến hành theo dõi bằng vệ tinh Swift và mạng lưới kính thiên văn toàn cầu của Đài thiên văn Las Cumbres, gọi tắt là LCOGT. Các quan sát này đo sự kiện ở nhiều dải bước sóng, cung cấp cho nhóm nghiên cứu hồ sơ rộng hơn về sự thay đổi của bức xạ so với việc chỉ quan sát một dải.

Nhóm nghiên cứu cũng thu được quang phổ chất lượng cao ở giai đoạn sớm bằng kính thiên văn Hale, còn gọi là P200, tại Đài thiên văn Palomar ở Mỹ. Quang phổ này giúp xác định đợt bùng phát mới là một sự kiện phá vỡ thủy triều, đồng thời cho phép thực hiện phép so sánh then chốt với đợt bùng sáng đầu tiên.

Các mốc chính gồm:

• Tháng 1 năm 2024: Nhóm phát hiện AT 2022dbl sáng lên trở lại và bắt đầu quan sát bằng Swift, LCOGT cùng kính thiên văn Hale của Palomar.
• Ngày 9 tháng 8 năm 2024: Nghiên cứu được công bố trên The Astrophysical Journal Letters với tiêu đề The Unluckiest Star: A Spectroscopically Confirmed Repeated Partial Tidal Disruption Event AT 2022dbl.

Phát hiện sớm sự trở lại này có ý nghĩa quan trọng vì đợt bùng sáng thay đổi theo thời gian. Việc quan sát nhanh giúp các nhà nghiên cứu thu được quang phổ ở giai đoạn đầu của đợt thứ hai, bên cạnh các phép đo theo dõi diễn biến độ sáng.

Nguồn gốc có thể từ một cặp sao

Các nhà nghiên cứu cho rằng ngôi sao sống sót ban đầu có thể thuộc một hệ sao đôi, tức hai ngôi sao quay quanh nhau. Một lần tiếp cận gần hố đen có thể đã tách cặp sao và khiến một ngôi sao bị hố đen giữ lại.

Theo cách giải thích này, ngôi sao bị giữ lại đi theo quỹ đạo hình elip có độ lệch tâm rất cao. Độ lệch tâm cho biết quỹ đạo kéo dài đến mức nào: quỹ đạo gần tròn giữ vật thể ở khoảng cách tương đối ổn định, còn quỹ đạo rất dẹt đưa vật thể đi xa hơn nhiều trước khi quay trở lại gần.

Mỗi lần đi qua gần hố đen, ngôi sao có thể chịu lực thủy triều mạnh, mất thêm vật chất và tạo ra một đợt bùng sáng khác. Điều này đưa ra lời giải thích vật lý về cách một ngôi sao có thể sống sót sau một lần tiếp cận rồi quay lại, tiếp tục mất vật chất.

Nguồn gốc từ hệ sao đôi và quỹ đạo được đề xuất vẫn là cách diễn giải của nhóm về các quan sát. Thông báo không nêu ngày dự kiến chắc chắn cho một đợt bùng sáng khác. Việc tiếp tục theo dõi sẽ giúp các nhà thiên văn tìm hoạt động mới và so sánh mọi đợt tương lai với hai đợt đầu tiên.

Ý nghĩa đối với nghiên cứu sự phá vỡ sao

AT 2022dbl đặt ra một vấn đề thực tiễn cho các nhà thiên văn khi phân loại những sự kiện này: một đợt bùng sáng do sao bị phá vỡ một phần có thể trông giống đợt bùng sáng của một TDE thông thường. Các nhà nghiên cứu cho biết diễn biến của từng đợt không thể phân biệt với các sự kiện điển hình.

Vì vậy, những nghiên cứu chỉ quan sát một đợt bùng sáng có thể xếp các ngôi sao sống sót vào nhóm vật thể được cho là đã trải qua một lần phá vỡ duy nhất. USTC cho biết các nghiên cứu về TDE quang học phần lớn chưa chú ý đến các vụ phá vỡ một phần lặp lại, trong khi phát hiện này gợi ý rằng những sự kiện như vậy có thể phổ biến hơn dự đoán trước đây.

Sự khác biệt này có ý nghĩa khi các nhà nghiên cứu thống kê sự kiện và tìm hiểu cách các ngôi sao mất vật chất gần hố đen. Một quần thể gồm những ngôi sao quay lại nhiều lần có lịch sử khác với quần thể trong đó mỗi đợt bùng sáng tương ứng với lần tiếp cận cuối cùng của một ngôi sao riêng biệt. AT 2022dbl cung cấp một trường hợp cụ thể để các nhà nghiên cứu xem xét lại những số liệu thống kê và mô hình vật lý đó.

Chiến lược quan sát cũng quan trọng không kém. Kiểm tra thường xuyên các vật thể đã biết có thể phát hiện hoạt động mà một lần quan sát để tìm kiếm ban đầu sẽ bỏ lỡ. Trong trường hợp này, sự kết hợp giữa các phép đo độ sáng liên tục, phản ứng nhanh và quang phổ đã tạo ra bằng chứng cốt lõi.

Nhóm nghiên cứu và việc tìm kiếm thêm trường hợp

Tác giả thứ nhất của bài báo là nghiên cứu sinh tiến sĩ Lin Zheyu tại USTC, được Giáo sư Xu Kong và Phó nghiên cứu viên Ning Jiang cùng hướng dẫn. Jiang, Giáo sư Tinggui Wang và Kong là các tác giả liên hệ. Các cơ sở cùng tham gia gồm Đài thiên văn Quốc gia thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Đại học Vũ Hán, Đại học Hiroshima, Đại học Kyoto và Viện Vật lý Thiên văn Ấn Độ.

Dự án nhận được hỗ trợ từ các tổ chức, trong đó có Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc, Bộ Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, chương trình hàng không vũ trụ có người lái của Trung Quốc, Quỹ Tang và chính quyền tỉnh An Huy.

Các nhà nghiên cứu dự kiến sử dụng Kính viễn vọng Khảo sát Trường rộng, hay WFST, còn được gọi là Kính viễn vọng Khảo sát Mặc Tử, để tìm thêm các sự kiện như AT 2022dbl. USTC và Đài thiên văn Tử Kim Sơn cùng phát triển kính thiên văn này; các sự kiện phá vỡ thủy triều là một trong những mục tiêu khoa học cốt lõi của nó.

Tìm thêm các trường hợp sẽ giúp các nhà thiên văn có thêm sao và đợt bùng sáng để so sánh. AT 2022dbl cho thấy giá trị của việc kết hợp tìm kiếm sự kiện mới với theo dõi liên tục những sự kiện đã biết: một vật thể đã mờ đi vẫn có thể còn một đợt hoạt động khác có thể quan sát được.

Điểm chính

• Các nhà nghiên cứu USTC phát hiện AT 2022dbl sáng lên trở lại vào tháng 1 năm 2024.
• Quang phổ tương đồng của hai đợt bùng sáng ủng hộ kết luận rằng hố đen đã xé vật chất khỏi cùng một ngôi sao hai lần.
• Nhóm mô tả đây là sự kiện phá vỡ thủy triều một phần lặp lại đầu tiên được xác nhận bằng quang phổ.
• Swift, LCOGT và kính thiên văn Hale của Palomar cung cấp dữ liệu quan sát đợt bùng sáng thứ hai.
• Nghiên cứu được công bố ngày 9 tháng 8 năm 2024 trên The Astrophysical Journal Letters.
• Các nhà nghiên cứu đề xuất ngôi sao bị hố đen giữ lại đi theo quỹ đạo kéo dài và dự định tìm thêm trường hợp bằng WFST.