Các tia vũ trụ - các hạt được gia tốc tới gần tốc độ ánh sáng - luôn luôn phát ra từ Mặt trời của chúng ta, mặc dù chúng rất chậm chạp so với các tia được gọi là Tia vũ trụ siêu năng lượng (UHECR). Những loại tia vũ trụ này có nguồn gốc từ các nguồn bên ngoài Hệ Mặt trời, và có năng lượng mạnh hơn nhiều so với các tia từ Mặt trời của chúng ta, mặc dù cũng hiếm hơn nhiều. Sự hợp nhất giữa sao lùn trắng và sao neutron hoặc lỗ đen có thể là một nguồn của các tia này và sự hợp nhất như vậy có thể xảy ra thường đủ để trở thành nguồn đáng kể nhất của các hạt năng lượng này.
Khảo sát khai thác dữ liệu vận tốc xuyên tâm Sloan White dwArf (SWARMS) - một phần của Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan - gần đây đã phát hiện ra một hệ thống nhị phân của các vật thể kỳ lạ chỉ cách Hệ mặt trời 50 phân tích. Hệ thống này, có tên SDSS 1257 + 5428, dường như là một ngôi sao lùn trắng đang quay quanh một ngôi sao neutron hoặc lỗ đen khối lượng thấp. Chi tiết về hệ thống và khám phá ban đầu của nó có thể được tìm thấy trong một bài báo của Carles Badenes, et al. đây.
Đồng tác giả Todd Thompson, trợ lý giáo sư tại Khoa Thiên văn học tại Đại học bang Ohio, lập luận trong một bức thư gần đây gửi Tạp chí Vật lý thiên văn rằng loại hệ thống này và sự hợp nhất sau đó của những ngôi sao kỳ lạ này có thể là phổ biến và có thể chiếm số lượng UHECR hiện đang được quan sát. Sự hợp nhất giữa sao lùn trắng và sao neutron hoặc lỗ đen cũng có thể tạo ra một lỗ đen có khối lượng thấp, cái gọi là lỗ đen của bé Baby.
Thompson đã viết trong một cuộc phỏng vấn qua email:
Sao lùn trắng / sao neutron hoặc nhị phân lỗ đen được cho là khá hiếm, mặc dù có một phạm vi rất lớn về số lượng trên mỗi thiên hà giống như dải Ngân hà trong tài liệu. SWARMS là người đầu tiên phát hiện ra một hệ thống như vậy bằng cách sử dụng kỹ thuật tốc độ hướng tâm của máy và là người đầu tiên tìm thấy một vật thể ở gần đó, chỉ cách 50 phân tích (khoảng 170 năm ánh sáng). Vì lý do này, điều đó rất đáng ngạc nhiên, và sự gần gũi tương đối của nó là điều cho phép chúng tôi đưa ra lập luận rằng các hệ thống này phải khá phổ biến so với hầu hết các kỳ vọng trước đây. SWARMS hẳn đã rất may mắn khi nhìn thấy thứ gì đó rất hiếm ở gần đó.
Thompson, et al. lập luận rằng loại hình sáp nhập này có thể là nguồn UHECR quan trọng nhất trong thiên hà Milky Way và người ta nên hợp nhất trong thiên hà khoảng 2.000 năm một lần. Những kiểu sáp nhập này có thể ít phổ biến hơn một chút so với siêu tân tinh loại Ia, bắt nguồn từ hệ thống nhị phân của sao lùn trắng.
Một sao lùn trắng hợp nhất với một ngôi sao neutron cũng sẽ tạo ra một lỗ đen có khối lượng thấp, gấp khoảng 3 lần khối lượng Mặt trời. Thompson cho biết, trên thực tế, kịch bản này có khả năng vì chúng ta nghĩ rằng các sao neutron không thể tồn tại trên 2-3 lần khối lượng của Mặt trời. Ý tưởng là WD sẽ bị phá vỡ và tích tụ vào sao neutron và sau đó ngôi sao neutron sẽ sụp đổ thành một lỗ đen. Trong trường hợp này, chúng ta có thể thấy tín hiệu của sự hình thành BH trong sóng trọng lực.
Các sóng trọng lực được tạo ra trong một sự hợp nhất như vậy sẽ nằm trên phạm vi có thể phát hiện được của Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế tia laser (LIGO), một thiết bị sử dụng tia laser để phát hiện sóng trọng lực (trong đó chưa phát hiện được sóng nào) và thậm chí có thể là một cách xa đài quan sát sóng hấp dẫn cơ sở, ăng ten không gian giao thoa kế laser của NASA, LISA.
Các tia vũ trụ thông thường đến từ Mặt trời của chúng ta có năng lượng ở quy mô 10 ^ 7 đến 10 ^ 10 electron-volt. Các tia vũ trụ năng lượng cực cao là một hiện tượng hiếm gặp, nhưng chúng vượt quá 10 ^ 20 electron. Làm thế nào để các hệ thống như SDSS 1257 + 5428 tạo ra các tia vũ trụ có năng lượng cao như vậy? Thompson giải thích rằng có hai khả năng hấp dẫn không kém.
Đầu tiên, sự hình thành của một lỗ đen và đĩa bồi tụ tiếp theo từ sự hợp nhất sẽ tạo ra một tia nước giống như những gì nhìn thấy ở trung tâm của các thiên hà, dấu hiệu nhận biết của một quasar. Mặc dù các máy bay phản lực này sẽ nhỏ hơn rất nhiều, nhưng sóng xung kích ở phía trước máy bay phản lực sẽ tăng tốc các hạt đến các năng lượng cần thiết để tạo ra UHECR, Thompson nói.
Trong kịch bản thứ hai, ngôi sao neutron đánh cắp vật chất của người bạn lùn trắng và sự bồi đắp này bắt đầu nó quay nhanh. Các ứng suất từ tạo ra ở bề mặt của sao neutron, hay còn gọi là nam châm, có thể tăng tốc bất kỳ hạt nào tương tác với từ trường cực mạnh thành năng lượng cực cao.
Việc tạo ra các tia vũ trụ năng lượng cực cao này bằng các hệ thống như vậy mang tính lý thuyết cao và mức độ phổ biến của chúng trong thiên hà của chúng ta chỉ là một ước tính. Hiện vẫn chưa rõ sau khi phát hiện ra SDSS 1257 + 5428 liệu đối tượng đồng hành của sao lùn trắng là lỗ đen hay sao neutron. Nhưng việc SWARMS thực hiện một khám phá sớm như vậy trong cuộc khảo sát là đáng khích lệ cho việc phát hiện ra các hệ thống nhị phân kỳ lạ hơn nữa.
Không có khả năng SWARMS sẽ thấy thêm 10 hoặc 100 hệ thống như vậy. Nếu có, tỷ lệ sáp nhập như vậy sẽ rất cao (không thể tin được). Điều đó nói rằng, chúng tôi đã rất ngạc nhiên nhiều lần trước đây. Tuy nhiên, với tổng diện tích bầu trời được khảo sát, nếu ước tính của chúng tôi về tỷ lệ sáp nhập như vậy là chính xác, SWARMS sẽ chỉ thấy khoảng 1 hệ thống như vậy và họ có thể không thấy. Một cuộc khảo sát tương tự trên bầu trời phía nam (hiện tại không có gì có thể so sánh với Khảo sát bầu trời kỹ thuật số Sloan, dựa trên SWARMS) nên bật lên khoảng 1 hệ thống như vậy, theo ông Thompson.
Các quan sát của SDSS 1257 + 5428 đã được thực hiện bằng cách sử dụng đài quan sát tia X của Swift và một số phép đo đã được thực hiện trong phổ radio. Không tìm thấy nguồn tia gamma nào ở vị trí của hệ thống bằng kính viễn vọng Fermi.
Thompson cho biết, có lẽ quan sát sắp tới quan trọng nhất của hệ thống là có được một khoảng cách thực sự thông qua thị sai. Ngay bây giờ, khoảng cách dựa trên các thuộc tính của sao lùn trắng quan sát được. Về nguyên tắc,
Việc theo dõi hệ thống trong năm tới sẽ tương đối dễ dàng và có được khoảng cách thị sai, điều này sẽ làm giảm bớt nhiều sự không chắc chắn xung quanh các tính chất vật lý của sao lùn trắng.
Nguồn: Arxiv, cuộc phỏng vấn qua email với Todd Thompson
