Tinh vân Con cua

Vào thế kỉ 18, nhà thiên văn học người Pháp Charles Messier đã để ý sự có mặt của những vật thể cố định, khuếch tán trên bầu trời đêm. Thoạt đầu, ông nghĩ đây là sao chổi, nên lúc ấy ông cố gắng xác định vị trí của chúng. Tuy nhiên, sau đó các nhà thiên văn phát hiện thấy những vật thể này thật ra là các tinh vân, các thiên hà và các đám sao. Từ năm 1758 đến 1782, Messier đã biên soạn một bản danh mục gồm xấp xỉ 100 vật thể này.

Tinh vân Con cua (còn gọi là Vật thể Messier 1) là một nguồn phát tia vũ trụ. Ảnh: NASA

Mục đích của ông là đảm bảo rằng các nhà thiên văn khác sẽ không nhầm lẫn những vật thể này là sao chổi. Nhưng đồng thời, danh sách này – gọi là Danh mục Messier – còn có một mục đích cao hơn. Ngoài việc là một bộ sưu tập gồm một số vật thể đẹp nhất trên bầu trời đêm, danh mục này còn là một cột mốc quan trọng trong việc khám phá và nghiên cứu các vật thể ở xa. Tiểu mục đầu tiên trong danh mục Messier là Tinh vân Con cua nổi tiếng – vì thế mà nó còn được gọi là Vật thể Messier 1, hay M1.

Mô tả

Messier 1 (tức là M1, NGC 1952, Sharpless 244, và Tinh vân Con cua) là một tàn dư sao siêu mới nằm trong Cánh tay Perseus của Ngân hà, cách Trái đất chừng 6500 ± 1600 năm ánh sáng. Giống như mọi tàn dư sao siêu mới khác, nó là một đám mây khí đang dãn nở được tạo ra trong vụ nổ của một ngôi sao. Vật chất nổ này phân tán trên một thể tích có đường kính xấp xỉ 13 ± 3 năm ánh sáng, và vẫn đang dãn nở ở vận tốc khoảng 1.500 km/s (930 dặm/s).

Dựa trên tốc độ dãn nở hiện nay của nó, người ta cho rằng sự dãn nở của tinh vân đã giảm tốc kể từ sao siêu mới ban đầu. Về cơ bản, sau khi vụ nổ xảy ra, pulsar của tinh vân bắt đầu phát ra bức xạ nuôi từ trường của tinh vân, làm nó dãn ra và lan tỏa ra phía ngoài.

Sao siêu mới tạo ra Tinh vân Con cua đã được quan sát bằng mắt trần bởi các nhà quan sát trên khắp thế giới hồi năm 1054. Đây là ảnh ghép sử dụng dữ liệu từ các kính thiên văn Chandra, Hubble và Spitzer của NASA.

Trong vùng ánh sáng nhìn thấy, Tinh vân Con cua gồm một khối sợi hình oval – có các vạch phổ phát xạ bị tách thành các thành phần vừa lệch đỏ vừa lệch xanh – bao xung quanh một vùng trung tâm màu xanh. Cấu trúc sợi đó còn lại từ những lớp ngoài của khí quyển của ngôi sao xưa, và chủ yếu gồm hydrogen và helium, cùng với những lượng nhỏ carbon, oxygen, nitrogen và các nguyên tố nặng hơn. Nhiệt độ của các sợi thường từ 11.000 đến 18.000 K.

Trong khi đó, vùng màu xanh là kết quả của bức xạ synchrotron bị phân cực cao, chúng được phát ra bởi các electron năng lượng cao trong một từ trường mạnh. Đường đi cong của những electron này là do từ trường mạnh gây ra bởi sao neutron tại tâm của tinh vân. Một trong nhiều thành phần của Tinh vân Con cua là một đài xuyến giàu helium có thể nhìn thấy dưới dạng một dải đông-tây cắt qua vùng phát pulsar.

Cái đài xuyến đó chiếm khoảng 25% vật chất phát ra nhìn thấy được của tinh vân và được tin là gồm 95% helium. Cho đến nay chưa có lời giải thích hợp lí nào cho cấu trúc của đài xuyến. Và trong khi rất khó xác định tổng khối lượng của tinh vân, các ước tính chính thức đưa ra con số 4,6 ± 1,8 khối lượng Mặt trời – tức là 5,5664 đến 12,7232 $\times 10 30 kg.$

$Pulsar Con cua$

Tại tâm của Tinh vân Con cua là hai ngôi sao mờ, một sao là tổ tiên của sao kia (tức là ngôi sao sinh ra ngôi sao kia). Do bởi ngôi sao này mà M1 là một nguồn phát mạnh sóng vô tuyến, tia X và bức xạ tia gamma. Là tàn dư của sao siêu mới SN 1054, đã được quan sát rộng rãi trên Trái đất hồi năm 1054, ngôi sao này được phát hiện vào năm 1968 và kể từ đó được xem là một pulsar vô tuyến.

Chuỗi quan sát M1, cho thấy sự dãn nở của sóng xung kích tỏa ra từ Pulsar đang tương tác với tinh vân xung quanh. Bên trái là dữ liệu kính thiên văn tia X Chandra, bên phải là dữ liệu ảnh Hubble trong miền ánh sáng nhìn thấy. Ảnh: NASA/ JPL-Caltech

Tên gọi là Pulsar Con cua (hay NP0532), người ta ước tính ngôi sao đang quay nhanh này có đường kính khoảng 28-30 km (17-19 dặm) và phát ra các xung bức xạ - trải từ dải sóng vô tuyến đến tia X – với chu kì 33 mili giây. Giống như mọi pulsar cô lập khác, chu kì này đang giảm đi rất chậm, và năng lượng giải phóng khi pulsar chậm đi là rất lớn. Pulsar Con cua còn là nguồn phát bức xạ synchrotron của tinh vân, nó có độ trưng toàn phần gấp khoảng 75.000 lần độ trưng của Mặt trời.

Công suất tỏa năng lượng cực lớn của pulsar còn tạo ra một vùng động lực khác thường tại tâm của Tinh vân Con cua. Trong khi đa số các thiên thể chỉ biểu hiện các biến đổi trên cỡ thời gian nhiều năm, thì các bộ phận bên trong của Tinh vân Con cua biểu hiện các biến đổi trên tiến trình chỉ vài ba ngày. Đặc trưng động lực nổi bật nhất ở bộ phận bên trong là điểm tại đó gió xích đạo của pulsar quét vào khối tinh vân, tạo ra một mặt xung kích.

Pulsar Con cua còn được bao quanh bởi một lớp vỏ khí đang dãn nở ôm lấy ngôi sao đồng hành phổ của nó, ngôi sao này quay xung quanh sao neutron với chu kì 133 ngày. Pulsar này là pulsar đầu tiên còn được xác thực trong phần nhìn thấy của quang phổ.

Lịch sử quan sát

Thông tin được ghi chép rất sớm về sự kiện sao siêu mới này có từ ngày 4 tháng 7 năm 1054 bởi các nhà thiên văn người Trung Hoa đã để ý sự có mặt của một “ngôi sao khách” có thể nhìn thấy trong ánh sáng ban ngày trong 23 ngày và 653 đêm. Sự kiện cũng được ghi chép bởi người Anasazi, Navajo và Mimbres ở Bắc Mĩ.

Nhà thiên văn học người Pháp Charles Messier năm 40 tuổi. Tranh vẽ của Nicolas Ansiaume

Gần đây hơn, Tinh vân Con cua được lập danh mục dưới dạng một khám phá bởi nhà thiên văn học nghiệp dư người Anh John Bevis vào năm 1731, và được phát hiện một cách độc lập bởi Charles Messier vào ngày 28 tháng 8 năm 1758, trong khi đang tìm kiếm sự trở lại của Sao chổi Halley. Mặc dù Bevis đã đưa tinh vân vào quyển “Uranographia Britannica” của ông, nhưng Messier nhận ra nó không có chuyển động thích hợp, và do đó không phải là sao chổi. Tuy nhiên, Messier thật sự đã công nhận khám phá của Bevis khi ông tìm hiểu về nó muộn hơn nhiều năm.

Vào ngày 12 tháng 9 năm 1758, Messier đi tới ý tưởng biên soạn một danh mục của các vật thể không phải là sao chổi, nhằm giúp các nhà thiên văn khác tránh những nhầm lẫn tương tự. Xét vị trí của M1, chỉ cao hơn mặt phẳng hoàng đạo hơn một độ một chút, đây là một ý tưởng rất hay. Đặc biệt, vì M1 một lần nữa bị nhầm lẫn với Sao chổi Halley khi nó trở lại vào năm 1835.

Tên gọi Tinh vân Con cua được đề xuất đầu tiên bởi William Parsons, ông quan sát nó lúc ở tại Lâu đài Birr vào năm 1884. Tên gọi ấy rõ ràng là do hình ông vẽ, na ná như con cua. Khi ông quan sát nó một lần nữa vào năm 1884 bằng kính thiên văn có độ phân giải tốt hơn, ông không thể xác nhận sự tương tự hình ảnh nữa. Nhưng tên gọi khi ấy đã trở nên phổ biến và được giữ lại kể từ đó.

Mắt trần của chúng ta không bao giờ nhìn thấy Tinh vân Con cua giống như trong ảnh chụp Hubble này. Ảnh: NASA, ESA, J. Hester và A. Loll

Toàn bộ các nhà thiên văn buổi đầu – bao gồm Herschel, Bode, Messier và Lassell – đều nhầm lẫn cấu trúc dạng sợi của Tinh vân Con cua là một dấu hiệu của cấu trúc sao. Như bản thân Messier từng mô tả:

“Tinh vân nằm phía trên sừng phía nam của chòm Kim Ngưu, nó không chứa bất kì ngôi sao nào; nó là một vệt sáng hơi trắng, thon dài theo hình ngọn lửa nến, được khám phá trong khi đang quan sát sao chổi của năm 1758. Xem hình vẽ của sao chổi đó, biên lục năm 1759, trang 188; được quan sát bởi tiến sĩ Bevis vào năm 1731. Nó được báo cáo trên Atlas Thiên thể Anh quốc.”