Einstein Probe hé lộ một loại vụ nổ vũ trụ chưa từng được biết đến: Kỷ nguyên mới của thiên văn học tia X

Einstein Probe của Trung Quốc làm sáng tỏ những vụ nổ vũ trụ bí ẩn

Trong một phát hiện đột phá, vệ tinh Einstein Probe (EP) của Trung Quốc đã phát hiện một loại vụ nổ vũ trụ chưa từng được biết đến, hé lộ một quần thể ẩn gồm các hiện tượng bùng phát tia X mờ và nhanh xảy ra trong giai đoạn cuối đời của những ngôi sao khối lượng lớn. Phát hiện này được công bố trên Nature Astronomy vào tháng 6 năm 2025, thách thức các lý thuyết hiện hành về sự sụp đổ của sao và mở ra chương mới trong ngành vật lý thiên văn năng lượng cao. Sự kiện mang ký hiệu EP240414a được ghi nhận dưới dạng một đợt bùng phát tia X thoáng qua kéo dài 150 giây từ một ngôi sao cách chúng ta 4 tỷ năm ánh sáng, sau đó được xác định có liên quan đến một siêu tân tinh hiếm gặp, SN 2024gsa. Phát hiện này không chỉ thu hẹp khoảng cách giữa siêu tân tinh thông thường và các vụ nổ tia gamma (GRB) mạnh mẽ, mà còn cho thấy những khả năng vượt trội của công nghệ tiên tiến trên Einstein Probe.

Einstein Probe đã phát hiện điều gì?

Việc Einstein Probe phát hiện EP240414a đánh dấu lần đầu tiên các nhà thiên văn quan sát thấy một hiện tượng bùng phát tia X nhanh (FXRT) có liên hệ trực tiếp với một siêu tân tinh. FXRT là những chớp sáng tia X ngắn, mạnh, kéo dài từ vài giây đến vài phút nên cực kỳ khó ghi nhận. Trong trường hợp này, đợt bùng phát tia X đi kèm một tia phóng tương đối tính yếu — dòng vật chất chuyển động gần bằng tốc độ ánh sáng, nhưng chậm hơn và ít năng lượng hơn các tia phóng thường thấy ở GRB.

Các quan sát tiếp nối ở những bước sóng quang học và vô tuyến đã xác nhận mối liên hệ giữa hiện tượng bùng phát tia X và siêu tân tinh SN 2024gsa. Những đặc điểm độc đáo của sự kiện — phổ tia X mềm, diễn biến nhanh và đi kèm một tia phóng yếu — khiến nó khác biệt với các loại vụ nổ vũ trụ đã biết, chẳng hạn GRB kéo dài hoặc GRB có độ sáng thấp. Thay vào đó, sự kiện này cho thấy có một nhóm trung gian mới trong quá trình sao chết, nhiều khả năng liên quan đến sự sụp đổ của một sao Wolf-Rayet (ngôi sao khối lượng lớn đã mất các lớp ngoài), nhưng không có đủ mômen động lượng để tạo ra một GRB hoàn chỉnh.

Giáo sư He Gao thuộc Đại học Sư phạm Bắc Kinh, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích:

Những hiện tượng bùng phát tia X nhanh này giống như pháo hoa vũ trụ — sáng rực nhưng thoáng qua, khiến chúng cực kỳ khó phát hiện. Chúng giống những phiên bản 'dịu hơn' của các vụ nổ tia gamma và có thể phổ biến hơn nhiều so với chúng ta từng nghĩ. Các sứ mệnh trước đây đơn giản là đã bỏ lỡ chúng vì khả năng theo dõi tia X còn hạn chế.

Phát hiện này không chỉ mở rộng hiểu biết về cái chết của các sao khối lượng lớn, mà còn cho thấy những hiện tượng bùng phát mờ và nhanh như vậy có thể là một đặc điểm phổ biến nhưng trước đây chưa được nhận ra của vũ trụ.

Einstein Probe hoạt động như thế nào?

Einstein Probe là đài quan sát không gian tối tân được Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc phóng lên quỹ đạo vào tháng 1 năm 2024, phối hợp với Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), Viện Vật lý Ngoài Trái Đất Max Planck (Đức) và Cơ quan Vũ trụ Pháp CNES. Vệ tinh này được trang bị độc đáo hệ quang học tia X "mắt tôm hùm" — công nghệ lấy cảm hứng từ cách tôm hùm nhìn, sử dụng phản xạ thay vì khúc xạ để thu nhận ánh sáng từ một vùng trời rộng.

Thiết bị chính của tàu thăm dò, Kính viễn vọng tia X trường rộng (WXT), gồm mười hai mô-đun, phối hợp với nhau có thể theo dõi gần một phần mười một toàn bộ bầu trời chỉ trong một lần quan sát. Phạm vi bao quát rộng này rất quan trọng để bắt được những sự kiện khó dự đoán, tồn tại trong thời gian ngắn như FXRT. Khi WXT phát hiện một nguồn tia X mới, vệ tinh có thể nhanh chóng chuyển hướng để quan sát nguồn đó bằng Kính viễn vọng tia X theo dõi (FXT) nhạy hơn, cho phép nghiên cứu chi tiết diễn biến của sự kiện.

Tiến sĩ Weimin Yuan, điều tra viên chính của Einstein Probe, nhấn mạnh các khả năng của sứ mệnh:

EP240414a cho thấy Einstein Probe có thể khám phá những hiện tượng vũ trụ mới. Chúng tôi kỳ vọng sẽ có thêm nhiều phát hiện về vũ trụ cực hạn trong tương lai.

Vệ tinh quay quanh Trái Đất mỗi 96 phút ở độ cao khoảng 600 km, nhờ đó có thể quét toàn bộ bầu trời đêm vài giờ một lần. Các thiết bị dò tiên tiến, trong đó có những cảm biến CMOS cải tiến, mang lại độ nhạy cao và khả năng phản hồi nhanh, giúp phát hiện và nghiên cứu các nguồn tia X mờ, thoáng qua mà những sứ mệnh trước đây chưa ghi nhận được.

Vì sao các hiện tượng bùng phát tia X nhanh lại quan trọng?

Những hiện tượng bùng phát tia X nhanh như EP240414a rất quan trọng để hiểu các quá trình cực đoan nhất trong vũ trụ. Người ta cho rằng chúng xuất hiện trong những khoảnh khắc cuối cùng của các sao khối lượng lớn, khi lõi sao sụp đổ và kích hoạt một vụ nổ siêu tân tinh. Trong một số trường hợp, sự sụp đổ này còn phóng ra một tia vật chất với vận tốc tương đối tính, tạo thành GRB. Tuy nhiên, không phải tia phóng nào cũng đủ mạnh để thoát khỏi ngôi sao hoặc phát ra tia gamma có thể phát hiện được.

Việc phát hiện một tia phóng yếu nhưng thành công ở EP240414a cho thấy tồn tại một phổ liên tục của các vụ nổ do tia phóng dẫn động, trải dài từ siêu tân tinh thông thường (không có tia phóng) đến GRB mạnh (có tia phóng mạnh), trong đó những sự kiện như EP240414a nằm ở khoảng giữa. Phát hiện này giúp thu hẹp khoảng cách giữa hai thái cực và mang lại hiểu biết mới về vật lý hình thành tia phóng, vai trò của sự quay của sao và sự đa dạng trong cái chết của các sao.

Giáo sư Xiaofeng Wang thuộc Đại học Thanh Hoa, đồng tác giả liên hệ của nghiên cứu, nhấn mạnh ý nghĩa của phát hiện:

Đây là lần đầu tiên Einstein Probe phát hiện một hiện tượng bùng phát tia X liên quan đến siêu tân tinh, mở ra kỷ nguyên mới cho ngành vật lý thiên văn năng lượng cao nghiên cứu các hiện tượng biến đổi theo thời gian. Những phát hiện này có được nhờ sự hợp tác quốc tế chặt chẽ.

Bằng cách ghi nhận những phát xạ tia X mờ xuất hiện sớm từ các sự kiện như vậy, Einstein Probe giúp các nhà thiên văn nghiên cứu động lực học tương tác giữa tia phóng và vật chất xung quanh, cấu trúc của sao tiền thân và những cơ chế quyết định liệu tia phóng có thoát ra thành công hay không.

Công nghệ đằng sau phát hiện: Hệ quang học mắt tôm hùm

Thành công của Einstein Probe dựa vào hệ quang học mắt tôm hùm mang tính cách mạng. Khác với kính viễn vọng truyền thống, vốn sử dụng thấu kính hoặc gương để hội tụ ánh sáng từ một trường quan sát hẹp, hệ quang học mắt tôm hùm dùng các mảng kênh vuông nhỏ để phản xạ tia X từ một vùng rộng lên thiết bị dò. Thiết kế này cho phép WXT theo dõi đồng thời những vùng trời rộng lớn, tăng khả năng bắt gặp các sự kiện hiếm và thoáng qua.

FXT, được thiết kế dựa trên kính viễn vọng tia X eROSITA thành công, cung cấp các quan sát theo dõi có độ phân giải cao. Sự kết hợp giữa khả năng giám sát trường rộng và quan sát theo dõi nhanh, nhạy là bước đột phá đối với thiên văn học nghiên cứu các hiện tượng biến đổi theo thời gian, giúp phát hiện và mô tả những sự kiện nếu không sẽ không được ghi nhận.

Theo Erik Kuulkers, nhà khoa học dự án Einstein Probe của ESA:

Ngay khi hướng mắt Einstein Probe lên bầu trời, thiết bị đã phát hiện những hiện tượng mới thú vị. Đó là một khởi đầu rất tốt và cho thấy sẽ còn nhiều khám phá hấp dẫn phía trước.

Sự hợp tác quốc tế của sứ mệnh bảo đảm dữ liệu và các phát hiện được chia sẻ với cộng đồng khoa học toàn cầu, thúc đẩy việc theo dõi nhanh và quan sát đa bước sóng bằng kính viễn vọng mặt đất lẫn trên không gian trên khắp thế giới.

Ý nghĩa rộng hơn: Cửa sổ mới nhìn vào vũ trụ biến động

Phát hiện EP240414a của Einstein Probe mới chỉ là khởi đầu. Trong những tháng hoạt động đầu tiên, vệ tinh đã phát hiện hàng chục sự kiện thoáng qua, bao gồm các sao lùn trắng, sao neutron, hố đen và các vụ nổ tia gamma. Khả năng ghi nhận phát xạ tia X sớm từ những vụ nổ xa xôi mở ra một cách mới để nghiên cứu những hiện tượng bí ẩn và giàu năng lượng nhất trong vũ trụ.

Một trong những mục tiêu chính của sứ mệnh là hỗ trợ xác định vị trí các nguồn sóng hấp dẫn — những gợn sóng trong không-thời gian do sự hợp nhất của các hố đen và sao neutron tạo ra. Những sự kiện thảm khốc này thường phát ra tia X, và khả năng quan sát rộng của Einstein Probe có thể giúp xác định nguồn gốc của chúng, bổ trợ cho các máy dò sóng hấp dẫn trên mặt đất như LIGO và Virgo.

Vệ tinh cũng tôn vinh truyền thống lâu đời của thiên văn học Trung Quốc. Tên gọi "Tianguan" trong tiếng Trung tưởng nhớ các nhà thiên văn thời nhà Tống, những người đã ghi chép về siêu tân tinh năm 1054, sự kiện tạo ra Tinh vân Con Cua nổi tiếng. Sứ mệnh tiếp nối di sản này bằng cách mở rộng giới hạn hiểu biết về vũ trụ biến động và dữ dội.

Hợp tác quốc tế và triển vọng tương lai

Einstein Probe là minh chứng cho sự hợp tác khoa học quốc tế. Sứ mệnh quy tụ chuyên môn và nguồn lực từ Trung Quốc, châu Âu và nhiều nơi khác. Viện Vật lý Ngoài Trái Đất Max Planck đóng góp những bộ phận quan trọng cho FXT, trong khi ESA hỗ trợ các trạm mặt đất và được tiếp cận 10% dữ liệu của sứ mệnh. Cơ quan Vũ trụ Pháp CNES hỗ trợ truyền dữ liệu theo thời gian thực, bảo đảm các phát hiện được phổ biến nhanh chóng.

Cách tiếp cận hợp tác này thúc đẩy tiến bộ khoa học và bảo đảm toàn thể cộng đồng thiên văn học được hưởng lợi từ các phát hiện của sứ mệnh. Einstein Probe dự kiến hoạt động ít nhất ba năm, có thể được gia hạn; các nhà khoa học kỳ vọng sẽ có thêm nhiều đột phá khi vệ tinh tiếp tục quét bầu trời tia X biến động.

Paul O'Brien, Trưởng khoa Vật lý thiên văn tại Đại học Leicester, nhấn mạnh tác động của sứ mệnh:

Khả năng tìm kiếm và quan sát các nguồn tia X của Einstein Probe đã và đang tác động đáng kể đến hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ.

Khi sứ mệnh tiếp tục, các nhà thiên văn hy vọng khám phá thêm những loại vụ nổ vũ trụ ẩn giấu, hiểu sâu hơn về quá trình tiến hóa của sao, và có thể giải đáp những bí ẩn lâu đời về nguồn gốc của hố đen, sao neutron cũng như những vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ.

Tóm tắt

• Vệ tinh Einstein Probe đã phát hiện một loại vụ nổ vũ trụ mới: các hiện tượng bùng phát tia X mờ, nhanh, liên quan đến cái chết của những sao khối lượng lớn.
• Phát hiện EP240414a, có liên quan đến siêu tân tinh SN 2024gsa, hé lộ một nhóm vụ nổ sao ẩn giấu với các tia phóng tương đối tính yếu.
• Hệ quang học mắt tôm hùm và khả năng quan sát tia X trường rộng của vệ tinh giúp bắt được những sự kiện thoáng qua, khó dự đoán mà các sứ mệnh trước đây đã bỏ lỡ.
• Phát hiện này thu hẹp khoảng cách giữa siêu tân tinh thông thường và các vụ nổ tia gamma mạnh, đồng thời thách thức những lý thuyết hiện có về sự sụp đổ của sao.
• Einstein Probe là một sứ mệnh hợp tác quốc tế với sự đóng góp của Trung Quốc, ESA, Đức và Pháp, và được kỳ vọng sẽ còn đạt nhiều khám phá trong những năm tới.
• Dữ liệu của sứ mệnh sẽ giúp làm sáng tỏ vật lý hình thành tia phóng, sự đa dạng trong cái chết của các sao và nguồn gốc của các sự kiện sóng hấp dẫn.