Trên khắp vũ trụ, cách xa 7,5 tỷ năm ánh sáng, một ngôi sao sắp chết giải phóng một số nhà thiên văn học ánh sáng năng lượng cao nhất từng thấy. Và những hạt ánh sáng, hay photon này, đang giúp các nhà thiên văn học hiểu làm thế nào những hạt này được tăng cường đến những năng lượng cực đoan như vậy.
Các nhà thiên văn học đã tìm thấy các photon năng lượng siêu cao trong khi họ đang xem xét một sự kiện gọi là vụ nổ tia gamma hay GRB. Được cho là kết quả từ sự va chạm của các ngôi sao neutron hoặc sự sụp đổ của một ngôi sao lớn, các vụ nổ tia gamma xuất hiện đột ngột, đôi khi chỉ trong một phần của giây. Một trong những vụ nổ thoáng qua này có thể giải phóng nhiều năng lượng hơn mặt trời sẽ tạo ra trong toàn bộ cuộc sống của nó. Những sự kiện này rất khó để bắt, nhưng một dư vị sau vụ nổ. Ánh sáng từ hào quang mờ hơn nhưng tồn tại lâu hơn, cho phép các nhà thiên văn học đo nó một cách chi tiết.
Vào ngày 14 tháng 1 năm 2019, một vụ nổ tia gamma như vậy, có tên GRB 190114C, đã được phát hiện bởi hai kính viễn vọng không gian thông qua một hệ thống tự động. Trong vòng 22 giây, các nhà thiên văn học trên Trái đất đã chỉ đạo các kính viễn vọng trên mặt đất của họ để đo lượng dư phát sau sự kiện.
"Chúng tôi đã tìm kiếm lâu hơn 20 năm," Razmik Mirzoyan, người phát ngôn của Kính thiên văn Gamma hình ảnh khí quyển chính (MAGIC) hợp tác và đồng tác giả trong nghiên cứu mới, nói với Live Science. Rằng họ đã có thể tìm thấy cái này, Mirzoyan nói, "không chỉ là may mắn, nó chỉ là sự kiên trì."
Về mặt thiên văn học, sự kiện này tương đối gần, cho phép các nhà thiên văn học đo được lượng dư phát qua một phạm vi bước sóng lớn. Trong 10 ngày tiếp theo, các nhà khoa học đã thu thập dữ liệu từ sáu vệ tinh và 15 kính viễn vọng trên mặt đất phát hiện bức xạ ở bước sóng từ radio đến tia cực tím.
Phân tích các phép đo từ hàng chục giây đầu tiên sau vụ nổ, các nhà thiên văn học đã tìm thấy các photon có năng lượng hàng nghìn tỷ electron - đó là hàng nghìn tỷ lần năng lượng của các photon điển hình đến từ mặt trời.
Trong khi các photon có năng lượng vượt quá 1 nghìn tỷ volt điện tử đã được phát hiện trước đó từ các nguồn vật lý thiên văn khác như tàn dư siêu tân tinh, không có loại nào được biết là có nguồn gốc từ GRB.
Dữ liệu đa bước sóng đã giúp các nhà thiên văn học thiết lập cách thức các hạt được cung cấp năng lượng. Các photon năng lượng thấp hơn đã được giải phóng bởi các hạt xoắn ốc xung quanh từ trường trong một quá trình được gọi là bức xạ synchrotron. Ngược lại, các photon năng lượng cực cao phá vỡ kỷ lục đã được tăng tốc thông qua các vụ va chạm với các electron năng lượng cao - một biến thể của một cơ chế mà các nhà khoa học gọi là tán xạ Compton nghịch đảo. Các phát hiện đã xác nhận các lý thuyết về GRB và giúp các nhà thiên văn học hiểu được tính chất vật lý của những vụ nổ kỳ quái này.
"Sau hơn 50 năm kể từ khi GRB lần đầu tiên được phát hiện, nhiều khía cạnh cơ bản của chúng vẫn còn bí ẩn", Mirzoyan nói trong một tuyên bố. "Việc phát hiện ra tia gamma từ GRB 190114C, cho thấy vụ nổ GRB thậm chí còn mạnh hơn so với suy nghĩ trước đây."
Trong khi các nhà thiên văn học từ lâu đã tìm kiếm các photon năng lượng cực cao như vậy, GRB 190114C không phải là một sự kiện hiếm gặp - chỉ là một điều khó bắt gặp. Nhờ các kính viễn vọng như MAGIC và Hệ thống lập thể năng lượng cao (H.E.S.S.), được thiết kế để phát hiện tia gamma siêu năng lượng và hệ thống tự động để phát hiện GRB ban đầu, các nhà khoa học hy vọng sẽ bắt được nhiều photon năng lượng siêu cao như vậy trong tương lai.
"Chúng tôi đang bước vào kỷ nguyên mới khám phá các photon năng lượng cực cao", Bing Zhang, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Nevada, Las Vegas, người không tham gia vào nghiên cứu mới, nói với Live Science trong email. "Vì vật lý phong phú được mong đợi trong chế độ năng lượng cao, những quan sát này chắc chắn sẽ mang lại sự phấn khích trong những năm tới."
Kết quả mới được công bố vào ngày 20 tháng 11 trên tạp chí Nature.
