Sao neutron biến “gió” của sao khổng lồ thành những đợt bùng phát tia X ra sao?

Trong hệ đôi BP Crucis, một sao neutron chỉ rộng khoảng 20 km chuyển động quanh ngôi sao siêu khổng lồ xanh Wray 977, có khối lượng khoảng 40 lần và kích thước khoảng 60 lần Mặt Trời. Sao neutron không hút cả ngôi sao đồng hành, mà bắt giữ một phần luồng plasma liên tục thoát ra từ nó. Vật chất bị gia tốc, nung nóng khi rơi xuống thiên thể đặc này và phát tia X. Điều đáng chú ý là dòng plasma không đi theo một lộ trình ổn định: nó có thể tạo thành đĩa hỗn loạn, rơi gần như trực tiếp, rồi lập lại đĩa quay theo chiều ngược lại. [1]

“Gió” của sao khổng lồ thực chất là gì?

Wray 977 nóng và sáng đến mức khí ion hóa liên tục thoát khỏi ngôi sao, tạo thành gió sao. Đây không phải luồng không khí như trên Trái Đất mà là dòng plasma, tức vật chất gồm các hạt mang điện. Trong BP Crucis, ảnh hưởng hấp dẫn của sao neutron được cho là làm xuất hiện một dòng plasma đặc hơn trong luồng vật chất này. Dòng đặc trở thành nguồn “nhiên liệu” mà sao neutron có thể thu giữ khi quỹ đạo đưa nó đi xuyên qua. [1]

Sao neutron trong hệ có tên GX 301-2, là lõi bị nén còn lại sau một vụ nổ siêu tân tinh. Nó chứa khối lượng lớn hơn Mặt Trời trong một quả cầu đường kính chỉ khoảng 20 km. Thiên thể quay một vòng sau khoảng 11 phút và quét chùm tia X về phía Trái Đất, vì vậy nó được xếp vào nhóm pulsar, hay sao xung. Trường hấp dẫn mạnh của vật thể nhỏ bé này khiến plasma ở gần nó tăng tốc và giải phóng năng lượng dưới dạng tia X. [1]

Vì sao bùng phát chỉ mạnh ở một số đoạn quỹ đạo?

GX 301-2 mất 41,5 ngày để hoàn thành một vòng quỹ đạo. Trong mỗi vòng, các đợt tia X mạnh kéo dài vài ngày xuất hiện hai lần, gần điểm sao neutron ở gần Wray 977 nhất và gần điểm xa nhất. Cách giải thích được các nhà nghiên cứu đưa ra là quỹ đạo cắt qua dòng plasma đặc tại những vị trí đó. Khi sao neutron đi vào dòng, lượng vật chất nó bắt giữ tăng lên và độ sáng tia X cũng tăng theo. [1]

Hai đợt bùng phát không mạnh như nhau. Gần Wray 977, dòng vật chất dày đặc hơn nên sao neutron thu được nhiều plasma hơn và tạo ra đợt bùng phát mạnh nhất. Toàn bộ hành trình xuyên qua dòng đặc kéo dài khoảng bốn ngày. Như vậy, vị trí trên quỹ đạo không tự phát ra tia X; nó quyết định sao neutron gặp môi trường vật chất nào và có bao nhiêu plasma rơi vào vùng hấp dẫn của nó. [1]

Đĩa bồi tụ hình thành rồi tan rã thế nào?

Khi sao neutron bắt đầu đi vào dòng plasma, khí bị gom lại thành một đĩa bồi tụ dày, nhiễu loạn và không đều. “Bồi tụ” là quá trình vật chất bị một thiên thể thu hút rồi rơi dần vào nó. Trong đĩa, plasma chuyển động xoắn quanh sao neutron, tiến vào trong, nóng lên và phát tia X. Đây là giai đoạn luồng gió sao được chuyển thành một nguồn bức xạ mạnh. [1]

Đi sâu hơn vào dòng vật chất, cấu trúc ấy không còn duy trì được. Nhóm nghiên cứu nghi rằng khi sao neutron chuyển động trực diện hơn so với dòng chảy, plasma bị bắt giữ không còn đủ mômen động lượng để tiếp tục quay thành đĩa. Có thể hình dung mômen động lượng là mức độ chuyển động xoay mà vật chất mang theo: nếu thành phần chuyển động vòng quanh quá nhỏ, khí không thể tiếp tục lượn thành nhiều vòng mà rơi gần như thẳng xuống sao neutron. [1]

Gần cuối lần băng qua dòng plasma, một đĩa hỗn loạn lại xuất hiện trong thời gian ngắn, nhưng quay ngược chiều so với đĩa ban đầu. Hướng chảy mà sao neutron gặp ở phía ra khỏi dòng có thể trao cho vật chất mômen động lượng theo chiều đối lập. Đĩa thứ hai cũng biến mất khi sao neutron rời khỏi vùng plasma đặc. Chuỗi đĩa hình thành, tan rã rồi tái lập ngược chiều hiện vẫn là diễn giải vật lý của nhóm nghiên cứu, không phải toàn bộ các giai đoạn đều được XRISM theo dõi liên tục. [1]

Phổ tia X hé lộ chuyển động của plasma ra sao?

Đài quan sát XRISM theo dõi BP Crucis trong khoảng 16 giờ vào ngày 1/2/2025, gần cuối một đợt bùng phát mạnh. Thiết bị Resolve ghi phổ tia X có độ phân giải cao, cho thấy các vạch phát xạ và hấp thụ thay đổi nhanh. Phổ có thể hiểu như dấu vân tay năng lượng của ánh sáng: các nguyên tố và trạng thái ion hóa khác nhau để lại những vạch ở các mức năng lượng đặc trưng. [1]

Các vạch hấp thụ của sắt bị ion hóa mạnh xuất hiện ở mức năng lượng thấp hơn mức đo được trong phòng thí nghiệm. Sự dịch chuyển về phía năng lượng thấp, gọi là dịch đỏ, cho biết khí đang chuyển động ra xa người quan sát. Với hình học của lần quan sát này, hướng đó tương ứng với plasma đang lao về phía pulsar. Độ dịch của các vạch còn cho phép nhóm nghiên cứu ước tính tốc độ dòng khí khoảng 540.000 km/h. [1]

Điểm quan trọng không chỉ nằm ở con số vận tốc. Các vạch hấp thụ được tạo ra khi tia X đi qua vật chất trên đường tới thiết bị, vì vậy chúng mang thông tin về plasma ở gần sao neutron. Từ vị trí và sự biến đổi của vạch, các nhà thiên văn có thể nối bức xạ quan sát được với hướng và tốc độ chuyển động của dòng khí, thay vì chỉ suy đoán quá trình bồi tụ qua độ sáng tổng thể. [1]

Quan sát này thay đổi điều gì?

XRISM quan sát hệ vào lúc đĩa đầu tiên được cho là đã tan và plasma đang rơi trực tiếp xuống sao neutron. Vì thế, dữ liệu cung cấp dấu hiệu rõ về gió sao bị một vật thể đặc bắt giữ ở khoảng cách rất gần. Nó hỗ trợ mắt xích trung tâm của lời giải: các đợt bùng phát được cấp năng lượng bởi vật chất từ Wray 977, chứ không chỉ trùng hợp với lúc GX 301-2 đi qua một vị trí nhất định trên quỹ đạo. [1]

BP Crucis còn cho thấy “ăn” gió sao không phải quá trình đều đặn. Chỉ một thay đổi trong hướng tương đối giữa sao neutron và dòng plasma cũng có thể làm vật chất chuyển từ quay thành đĩa sang rơi trực tiếp, rồi quay theo chiều ngược lại. Nhờ phổ tia X, một hệ ở cách Trái Đất khoảng 13.000 năm ánh sáng trở thành nơi có thể khảo sát chuyển động của plasma quanh sao neutron, dù chuỗi biến đổi trọn vẹn vẫn cần được kiểm tra qua các lần quan sát ở nhiều pha quỹ đạo hơn. [1]