Các bùng nổ tia Gamma

Tháng 10 năm 1963, lực lượng không quân Mỹ lần đầu tiên phóng một loạt vệ tinh Vela để kiểm soát các vụ nổ hạt nhân theo hiệp định cấm thử vũ khí hạt nhân trong khí quyển và ngoài không gian vừa được ký kết. Các vệ tinh này được phóng lên và hoạt động theo từng cặp có đường kính quỹ đạo 250.000 km với chu kỳ của một vòng quay quanh Trái đất là 4 ngày, vì vậy hầu như chúng có thể quan sát trực tiếp tất cả mọi nơi trên Trái đất. Các vệ tinh Vela mang theo các đêtectơ tia X, gamma và nơtron, ngoài các đêtectơ quang học và các thiết bị kiểm soát môi trường.

Các đêtectơ tia X có nhiệm vụ ghi đo trực tiếp các xung tia X từ các vụ nổ hạt nhân. Phần lớn các vụ nổ hạt nhân trong không gian có thể quan sát trực tiếp qua các xung tia X, song các đêtectơ gamma và nơtron cũng ghi nhận được các sự kiện này. Tuy nhiên, các đêtectơ tia X không thể phát hiện được các vụ nổ hạt nhân sau các chướng ngại vật có bề dày lớn hay các vụ nổ ở phía sau Mặt trăng, lý do đơn giản là tia X bị hấp thụ hết trước khi đến được đêtectơ. Trong những trường hợp như vậy, đêtectơ gamma có thể phát hiện được nhờ các tia gamma tán xạ từ các đám mây.

Bằng việc phóng các vệ tinh Vela từng đôi một, trung tâm điều hành có thể xác định chính xác hướng của các vụ thử hạt nhân nhờ biết khoảng cách giữa hai vệ tinh.

Năm 1965, với việc thiết kế và phóng các vệ tinh Vela-3, Ray Klebesadel ở Phòng thí nghiệm Los Alamos, người được giao nhiệm vụ tiếp tục theo dõi các hoạt động của các đêtectơ tia X và gamma, đã chỉ ra rằng các xung mới ghi nhận được của các đêtectơ không tương thích với các xung của các vụ thử hạt nhân. Năm 1972, Klebesadel cùng với các đồng nghiệp là Ian Strong và Roy Olsen cũng làm việc ở Los Alamos, sau khi tính toán chính xác về thời gian và hướng xuất hiện của các xung từ đêtectơ, đã đi đến kết luận rằng sự kiện ghi nhận được có nguồn gốc vũ trụ. Năm 1973, các phát hiện này được các tác giả công bố trên tờ “Ap. J. Letters”. Bài báo của họ đã đề cập tới 16 GRB do các vệ tinh Vela-5a, 5b và Vela-6a, 6b ghi nhận trong khoảng thời gian từ giữa tháng 7 năm 1969 và tháng 7 năm 1972.

Sử dụng một đêtectơ tia X năng lượng cao trên trạm IMP-6 chuyên dùng để nghiên cứu các lưỡi lửa của Mặt trời, Tom Cline và Upendra Desai làm việc cho Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) lần đầu tiên xác nhận phổ năng lượng của các vụ nổ mới phát hiện nằm trong vùng năng lượng của bức xạ gamma. Một đêtectơ gamma có ống chuẩn trực ghi các chùm tia hẹp đặt trên trạm OSO-7 đã xác nhận một trong các sự kiện đã công bố có nguồn gốc vũ trụ.

Các công bố về GRB vũ trụ - một trong những bí ẩn nhất của thiên văn học hiện đại – đã gây ra một sự bùng nổ các công bố khoa học về thực nghiệm cũng như lý thuyết trong cộng đồng các nhà thiên văn học.

2. Đặc điểm của các GRB

Các GRB có những đặc trưng sau:

- Về mặt năng lượng: Năng lượng của các GRB cực kỳ to lớn. Nó có thể lớn gấp 100.000 lần năng lượng của phần ánh sáng nhìn thấy. Ước tính năng lượng này có thể đạt tới 3 x 10 ⁵³ec, nghĩa là bằng 1/10 năng lượng tĩnh của khối lượng Mặt trời. Năng lượng của đỉnh xung nằm trong khoảng vài trăm keV.

- Về khoảng cách: Khoảng cách từ Trái đất tới nơi xảy ra sự kiện còn là vấn đề tranh cãi. Tuy nhiên, theo những tính toán sơ bộ, khoảng cách này có thể tới hàng tỉ năm ánh sáng.

- Về mặt vị trí: Hướng của các GRB xảy ra rất ngẫu nhiên và như vậy có nghĩa là nó xảy ra ở rất nhiều nơi trong vũ trụ kể cả ở vùng dìa dải Ngân hà của chúng ta. Riêng thiết bị BATSE đặt trên “trạm quan sát tia gamma Compton ” của NASA đã ghi nhận được trên 800 sự kiện.

- Về mặt tần suất: Hiện nay các thiết bị quan sát ghi được vài sự kiện trong một ngày. Các xung ghi nhận được kéo dài từ vài giây tới nhiều phút.

3. Các lý thuyết và giả thuyết về GRB

Hiện có rất nhiều giả thuyết và lý thuyết về sự hình thành các GRB.

Ý tưởng phổ biến nhất là sự ra đời của các lỗ đen từ những ngôi sao đang bị suy sụp. Theo nhà lý thuyết Martin Rees (Đại học Cambridge ) thì một bằng chứng rất thuyết phục cho giả thuyết này là người ta đã quan sát thấy một vài GRB vùng các lỗ đen đang phát triển.

Theo một lý thuyết khá phổ biến khác là “côlapxa” (collapsar) thì GRB hình thành khi một sao có khối lượng ít nhất tương đương 10 hoặc 20 lần khối lượng Mặt trời suy sụp thành một lỗ đen. Bằng chứng của giả thuyết này là tháng 4 năm 1998, khi các nhà thiên văn học Đức phát hiện ra một sao siêu mới thì cũng tại nơi đó người ta ghi nhận được GRB. Bloom và các cộng sự ở Viện Công nghệ California, sử dụng trạm Hubble để nghiên cứu các xung của GRB 0111211 do Trạm BeppoSAX của Ý và Đức hợp tác chế tạo, đã ghi nhận được GRB vào ngày 21-11-2001 và mô tả độ sáng và quang phổ sau các xung GRB này là đặc trưng của một siêu sao mới.

Nhóm nghiên cứu của Reeves (Đại học Leicester, Anh) cũng từ các nghiên cứu về GRB 0111211 đã đưa ra giả thuyết cho rằng trong quá trình hình thành các sao siêu mới từ một sao có khối lượng rất lớn, sẽ tạo ra một khe có đường kính hàng tỷ kilômet dãn nở với tốc độ 260.000 km/s, nghĩa là bằng 87% vận tốc ánh sáng. Các iôn từ các nguyên tố tạo ra trong phản ứng nhiệt hạch của các sao có thể đạt tới 50 triệu độ trong khe và khi sao suy sụp thành sao siêu mới, từ khe bắn ra loại bức xạ năng lượng lớn của GRB.

Một lý thuyết khác là lý thuyết hai giai đoạn của GRB mang tên mô hình “sao trên mới” (supranova). Theo lý thuyết này, lõi của một ngôi sao bùng nổ thoạt đầu suy sụp thành một sao nơtron đặc rồi sau đó mới biến thành một lỗ đen. GRB xuất hiện muộn hơn, thậm chí hàng tháng sau vụ nổ của sao.

Price và cộng sự từ Đài thiên văn Mount Stromlo ủng hộ lý thuyết GRB được tạo ra do kết quả suy sụp của sao siêu mới thành lỗ đen. Nhóm này đã tìm thấy bằng chứng cho lý thuyết trên khi liên kết giữa GRB ghi nhận được tại nơi hình thành sao siêu mới. Các GRB do nhóm Price phát hiện rất gần chúng ta, gần gấp 100 lần so với các GRB quan sát được đồng thời cũng mạnh gấp 100 lần các GRB quan sát trước đó.

Một trong những vấn đề khác của GRB mà các nhà lý thuyết phải đối mặt là việc giải thích hiện tượng phân cực của các tia gamma trong GRB. Ngày 6-12-2003, các vệ tinh đã ghi nhận một GRB có độ dài 6 giây và phân rã trong 30 giây. Bức xạ gamma ghi nhận được có độ phân cực tới 80%.

Hiện nay hàng năm, các trạm quan sát khắp nơi trên thế giới ghi nhận hàng trăm GRB từ các khoảng cách 8 đến 10 tỷ năm ánh sáng; song ngày 29 tháng 3 vừa qua, một sự kiện ghi nhận được chỉ cách chúng ta 2,6 tỷ năm ánh sáng. Các thông tin về GRB được cập nhật hàng ngày, song nó hiện vẫn là một trong những điều bí ẩn nhất của thiên văn học hiện đại.