Ngôi sao tia X phát nổ

13

Những ngôi sao tia X rực sáng

Tiến sĩ Vật lý và Toán học
A.D.CHERNIN

Năm 1975, một nhóm các nhà thiên văn học Liên Xô báo cáo đã quan sát thấy những đợt bức xạ tia X vũ trụ mạnh và ngắn. Chẳng bao lâu, các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện ra những tia bức xạ tia X ở trung tâm của một trong những cụm sao trong Thiên hà của chúng ta. Từ đó bắt đầu lịch sử nghiên cứu các vụ nổ – các ngôi sao tia X phát sáng. Tên của họ xuất phát từ từ tiếng Anh bùng nổ, có nghĩa là vụ nổ, chớp nhoáng. Ngày nay người ta đã biết hơn 30 ngôi sao như vậy; 8 trong số chúng thuộc về các cụm sao.

Thực tế là các ngôi sao có khả năng phát ra không chỉ ánh sáng khả kiến ​​mà còn cả tia X, đã được phát hiện trong 15-20 năm qua, khi các máy viễn vọng tia X đặc biệt xuất hiện, mang trên các ống trụ cao, tên lửa và vệ tinh ngoài bầu khí quyển Trái đất (không cho phép bức xạ tia X của vũ trụ đến được với chúng ta). Các nguồn vũ trụ phát ra tia X trong vùng bước sóng từ $10^{-8}$ đến $10^{-10}$ m. Các lượng tử tương ứng với phạm vi sóng điện từ này có năng lượng từ 0,1 đến 30 keV hoặc từ $10^{-17}$ đến $3 \cdot 10^{-15}$ J.

Vụ nổ là sao neutron

Việc tăng độ sáng của chùm tia*) sẽ diễn ra trong khoảng thời gian từ vài phần giây đến mười giây. Sau đó, trong khoảng thời gian từ vài giây đến vài phút, độ chói giảm dần trở lại mức ban đầu và một tia sáng mới xuất hiện vài giờ hoặc vài ngày sau đó (Hình 1). Một số kẻ phá sản đôi khi “tắt” hàng tuần và nhiều nơi,

*) Khi chúng ta nói về sự gia tăng độ sáng của vụ nổ, chúng tôi muốn nói đến sự gia tăng sức mạnh của bức xạ tia X do vụ nổ phát ra. Và hơn nữa, khi nói về bức xạ tia X mà mắt không nhìn thấy được, chúng ta sẽ sử dụng những thuật ngữ quen thuộc tương tự như đối với ánh sáng khả kiến.

Hình 1. Sự phụ thuộc điển hình của độ sáng của chùm tia vào thời gian.

14

và sau đó chúng “sống lại” lần nữa, lại phát ra tia X-quang. Các vụ nổ bùng nổ hầu như luôn xảy ra trên nền không biến mất, mặc dù hơi thay đổi theo thời gian, độ sáng của tia X.

Vị trí của các vụ nổ trên bầu trời vừa không đồng đều vừa không đồng đều. Hầu hết chúng tập trung theo hướng về phía trung tâm Thiên hà, và số lượng chúng càng lớn thì bạn càng ở gần trung tâm (Hình 2). Tình huống này đóng vai trò như một dấu hiệu rất rõ ràng rằng những kẻ phá hoại thuộc về Thiên hà của chúng ta. Hơn nữa, theo đó, khoảng cách thông thường tới vụ nổ gần với khoảng cách từ chúng ta đến trung tâm Thiên hà - đây là 10 kpc, hay $3 \cdot 10^{20}$ m.

Các tín hiệu mà kính viễn vọng tia X nhận được trong quá trình quan sát các vụ nổ khác nhau có năng lượng khác nhau khoảng mười lần. Các giá trị của mật độ dòng năng lượng, tức là năng lượng tới trên một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian, nằm trong khoảng $F = (3 \cdot 10^{-11} \div 3 \cdot 10^{-12}) \text{ Дж}/(\text{м}^2 \cdot \text{с})$.

Nếu khoảng cách đến nguồn là $R = 3 \cdot 10^{20}$ m, chúng ta có thể tìm thấy độ sáng của nó, tức là tổng năng lượng mà nguồn phát ra trên một đơn vị thời gian theo mọi hướng:

$$L = 4\pi R^2 F = (3 \cdot 10^{30} \div 3 \cdot 10^{31}) \text{ Дж}/\text{с}.$$

Năng lượng phát ra từ đèn chớp trong vụ nổ có được bằng cách nhân độ sáng $L$ với thời lượng vụ nổ $\Delta t$: (ở đây đối với thời lượng đèn nháy $\Delta t$ lấy giá trị trung bình là 10 giây).

Sử dụng phương pháp tương tự, chúng ta có thể tìm thấy độ sáng nền, không biến mất của chùm tia. Giá trị của nó gần như giống nhau đối với tất cả các bộ nổ: $L_0 \approx 10^{30} \text{ Дж}/\text{с}.$

Để hiểu bản chất của vụ nổ, điều rất quan trọng là trong quá trình chớp sáng, vụ nổ sẽ phát sáng giống như bề mặt của một vật thể được nung nóng đến nhiệt độ từ 10 đến 30 triệu độ sẽ phát sáng. Điều này được thiết lập bởi loại phổ tia X của vụ nổ, nghĩa là bởi đặc tính của năng lượng phát ra tùy thuộc vào bước sóng $^*$). Năng lượng trung bình $\varepsilon$ của lượng tử phát ra có liên hệ với nhiệt độ $T$ của vật thể bằng một sự tương ứng gần đúng $\varepsilon \approx kT$, trong đó $k = 1,4 \cdot 10^{-23} \text{ Дж}/\text{K}$ là hằng số Boltzmann. Ở nhiệt độ $T = (1 \div 3) 10^7$ K, giá trị thực tế của $\varepsilon \approx (1 \div 4) 10^{-16}$ J nằm trong đặc tính dải năng lượng của tia X.

Theo một trong những định luật nhiệt động lực học - định luật Stefan-Boltzmann, bề mặt của một vật thể được nung nóng đến nhiệt độ $T$ phát ra trên một đơn vị thời gian từ một đơn vị diện tích một lượng năng lượng tỷ lệ với nhiệt độ cơ thể: $W = \sigma T^4$. Hệ số tỷ lệ $\sigma = 5,7 \times 10^{-8} \text{ Дж}/(\text{m}^2 \cdot \text{с} \cdot \text{К})$ được gọi là hằng số Stefan-Boltzmann. Quả bóng sậy $r$ có diện tích bề mặt $4\pi r^2$; bề mặt này nếu được nung nóng đến nhiệt độ $T$ sẽ tạo ra độ sáng

$$L = \sigma T^4 \cdot 4\pi r^2.$$

Sử dụng công thức này và dựa trên dữ liệu nhiệt độ

$^*$) Các phần khác nhau của quang phổ của vật bức xạ có phần năng lượng phát ra khác nhau. Năng lượng tối đa xảy ra trong một khoảng nhất định của độ dài phổ. Nhiệt độ cơ thể càng cao thì sự dịch chuyển cực đại trong vùng bước sóng nhỏ càng xa. Dựa vào bước sóng tại đó xảy ra nhiệt độ phát ra tối đa, người ta có thể đánh giá nhiệt độ cơ thể.

17

nối tiếp nhau mà không có bất kỳ chu kỳ rõ ràng nào, người ta ước tính rằng cơ chế bùng phát không liên quan đến chuyển động quay của chính sao neutron quanh trục của nó, hoặc với chuyển động quỹ đạo định kỳ của nó trong hệ sao đôi. Nếu không thì các vụ nổ sẽ là đồng hồ tốt như sao xung.

Nguyên nhân của vụ nổ là do sự biến đổi của vật chất rơi trên bề mặt sao neutron.

Vật chất của ngôi sao đồng hành bị vụ nổ bắt giữ có thành phần hóa học chung của sao: (70-75)% hydro (theo khối lượng), khoảng (25-30)% gel, khoảng 1% nguyên tố nặng hơn. Khi nó chạm vào bề mặt của một ngôi sao neutron, khí bị nén và nóng lên đến mức có thể xảy ra các phản ứng nhiệt hạch chuyển hydro thành heli - giống như ở độ sâu của Mặt trời và các ngôi sao “bình thường” khác.

Năng lượng giải phóng trong các phản ứng được cộng vào năng lượng truyền tới bề mặt của ngôi sao bồi tụ. Tuy nhiên, sự bổ sung này không lớn lắm. Thật vậy, trong các phép biến đổi hạt nhân - trống rỗng ngay cả trước khi “đốt cháy” hoàn toàn, tức là sự biến đổi hydro thành sắt - không quá 0,01 $c^2$ năng lượng được giải phóng trên một đơn vị khối lượng vật chất. Do đó, năng lượng giải phóng trên một đơn vị thời gian trong quá trình đốt cháy nhiệt hạch của chất bồi tụ không vượt quá 0,01 $c^2 j$. So sánh điều này với ước tính của chúng tôi về động năng của chất bồi tụ, chúng tôi thấy rằng các phản ứng nhiệt hạch tạo ra một xung năng lượng nhỏ hơn khoảng ba mươi lần so với năng lượng bồi tụ.

Những người khác quan trọng hơn ở đây. Là kết quả của phản ứng nhiệt hạch của quá trình đốt cháy hydro, một lớp gel được hình thành trên bề mặt sao neutron. Hóa ra chính trong lớp gel là nơi phát triển các quá trình gây bùng phát bệnh.

Hơn 30 năm trước, L. E. Gurevich và A. I. Lebedinsky, khi phát triển lý thuyết về giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa sao, đã phát hiện ra rằng trong những điều kiện nhất định, vụ nổ nhiệt hạch có thể xảy ra trên các ngôi sao. Trong một ngôi sao đã cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân ở khu vực trung tâm của nó, hầu hết thường có các lớp gần bề mặt nơi vật chất vẫn còn giàu hydro, gel và các nguyên tố nhẹ khác. Hãy tưởng tượng một tình huống trong đó nhiệt độ ở các lớp trọng lượng này cao nhưng vẫn không đủ để xảy ra phản ứng hạt nhân. Hơn nữa, vì lý do nào đó, nhiệt độ ở một trong các lớp này tăng lên và đột nhiên vượt quá giới hạn tới hạn mà từ đó quá trình đốt cháy hạt nhân có thể xảy ra. Điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?

Rõ ràng, nó sẽ học các phản ứng hạt nhân khi giải phóng nhiệt. Nhưng liệu nhiệt độ của lớp có đủ cao không? Nó sẽ đi lên hay đi xuống? Điều này phụ thuộc vào sự tương ứng giữa nhiệt độ tỏa nhiệt trong phản ứng hạt nhân và nhiệt độ tỏa nhiệt từ lớp ra bên ngoài. Nếu nhiệt rời khỏi lớp rất nhanh, gần như ngay lập tức, thì rõ ràng là ngay khi bắt đầu, các phản ứng hạt nhân sẽ ngay lập tức kết thúc, vì nhiệt độ của lớp sẽ ngay lập tức giảm xuống và trở nên tới hạn.

Sẽ có một kết quả khác nếu nhiệt tỏa ra trong các phản ứng hạt nhân không có thời gian thoát ra khỏi lớp nhanh chóng, do đó nhiệt độ của nó tăng thêm. Khi nhiệt độ tăng, các phản ứng hạt nhân diễn ra ngày càng hiệu quả, nhiệt lượng tỏa ra tăng nhanh và kết quả là nhiệt độ của lớp tiếp tục tăng. Nhưng sau đó các phản ứng hạt nhân gần như chậm lại, nguồn cung cấp nhiệt tăng lên, v.v. Chúng ta có thể nói rằng quá trình giải phóng năng lượng hạt nhân trong trường hợp này phát triển trên cơ sở tuyết lở, tự hỗ trợ và tăng tốc. Và đây là một vụ nổ. Trong trường hợp giải phóng năng lượng hạt nhân từ một ngôi sao, quá trình này phát triển do tốc độ phản ứng hạt nhân thay đổi rất nhanh theo nhiệt độ: nhiệt độ càng cao, phản ứng hạt nhân càng hiệu quả thì nhiệt tỏa ra càng nhanh.

Hiện tượng này được ghi nhớ ngay khi vụ nổ được mở ra; các nhà thiên văn học từ các quốc gia khác nhau đã

19

Hình 3. Sơ đồ sao xung tia X (sự bồi tụ trong từ trường, phát xạ các điểm nóng). 1 - đường sức từ; 2 — trục y tế của sao neutron; 3 - trục từ của ngôi sao; 4 - các hạt lơ lửng rơi về phía cực từ; 5—điểm nóng gần cực.

Hình 4. Sơ đồ Barstra (bồi tụ, gia nhiệt và bức xạ từ toàn bộ bề mặt).

à các ngôi sao. Tất cả 124 cụm sao cầu đã biết trong Thiên hà đều chứa hơn 10 triệu ngôi sao, chiếm một phần nghìn tổng số sao trong Thiên hà. Từ đó có thể thấy rằng barstra chắc chắn thích xuất hiện giữa các ngôi sao của cụm sao cầu. Lý do cho sự ưu tiên này vẫn chưa được hiểu. Tại sao một ngôi sao neutron trong một số trường hợp lại biểu hiện dưới dạng barstra, còn trong những trường hợp khác lại là một pulsar?

Hay nói cách khác: tại sao xung không phát xung và xung không bùng lên?

Người ta tin rằng các ẩn tinh tia X cũng là một phần của hệ thống nhị phân thử nghiệm với dòng vật chất và bồi tụ. Có thể từ trường đóng một vai trò quan trọng trong trường hợp này. Từ trường của sao neutron nếu đủ mạnh ($10^{12}$ lần so với từ trường trung bình của Mặt trời, bằng $10^{-4}$ T), có thể làm thay đổi bản chất của sự bồi tụ - vật chất được trường hướng chủ yếu về các cực từ của sao. Do đó, nhiệt độ trở nên không đồng đều: nhiệt độ ở các cực cao hơn đáng kể so với phần còn lại của bề mặt ngôi sao. Các điểm nóng ở hai cực chủ yếu tạo ra bức xạ (hãy nhớ rằng độ sáng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, nó tỷ lệ thuận với bốn độ của nó). Nếu một ngôi sao quay nhanh và trục từ nghiêng với trục quay của nó (Hình 3), thì hiệu ứng ngọn hải đăng sẽ xảy ra: một điểm sáng đôi khi nhìn thấy được, đôi khi không nhìn thấy được và bức xạ xuất hiện không liên tục và dao động.

Từ trường của barster được cho là yếu hơn từ trường của ẩn tinh; nó không ảnh hưởng đến sự bồi tụ, xảy ra ít nhiều đồng đều theo mọi hướng, do đó tất cả các bề mặt của sao neutron đều được nung nóng như nhau và bức xạ như nhau (Hình 4). Khi đó chuyển động quay của ngôi sao, có thể nhanh ở đây, sẽ không xuất hiện trong bức xạ. Nếu vậy, thì rõ ràng tại sao bộ nổ không đập. Nhưng tại sao ẩn tinh không tạo ra tia sáng? Người ta cho rằng từ trường kiểm soát sự bồi tụ có khả năng bằng cách nào đó ngăn chặn sự bùng phát nhiệt trên bề mặt của một ngôi sao neutron.

Những phỏng đoán và giả thuyết này vẫn cần được xác nhận bằng những tính toán lý thuyết và quan sát thiên văn sâu hơn.