NGHIÊN CỨU LỚP VỎ CỦA CÁC SAO KHỔNG LỒ ĐỎ Ở BƯỚC SÓNG VÔ TUYẾN tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… ĐỖ THỊ HOÀI NGHIÊN CỨU LỚP VỎ CỦA CÁC SAO KHỔNG LỒ ĐỎ Ở BƯỚC SÓNG VÔ TUYẾN Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử Mã số: 62 44 01 06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2017 Công trình hoàn thành tại: Đài thiên văn Paris Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 1: GS Pierre Darriulat, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học 2: GS Thibaut Le Bertre, Đài thiên văn Paris Phản biện 1: … Phản biện 2: ……… Phản biện 3: ……… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … ’, ngày … tháng … năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam Từ giai đoan cuối đời dải chết thành lùn trắng, hầu hết phát triển từ dạng đối xứng cầu sang dạng bất đối xứng cầu tinh vân hành tinh vào môi trường (ISM) Sự chuyển đổi này, với việc xem khổng lồ đỏ tiệm cận khổng lồ đỏ (AGB) trạng thái trung gian quan trọng, đề tài nghiên cứu khó Dạng chuyển đổi thường quan sát gió lưỡng cực với kiểu đối xứng trục thay đối xứng cầu Rất nhiều quan sát, bụi thông qua phát xạ hồng ngoại khí thông qua phát xạ phân tử, đặc biệt carbon monoxide, cho thấy xuất kiểu đối xứng Điều có nghĩa cần đưa mô hình cho vỏ với bất biến quay quanh trục xác định Các chế vật lý đóng vai trò làm cho đối xứng bị biến đổi chưa hiểu rõ nhiều quan sát thực nhằm làm sáng tỏ điều Sự có mặt đồng hành tích thêm khí từ già hay đề cập đến, nhiên vai trò chuyển động quay từ trường - moomen động lượng từ thông phân phối lại lõi suy biến lớp vỏ - chưa làm sáng tỏ Việc sử dụng số liệu đo đạc từ hệ giao thoa vô tuyến, thường có độ phân giải cao không gian tần số, đặc biệt ALMA (Atacama Large Millemettre/milimet Array), thúc đẩy lĩnh vực nghiên cứu Đây vấn đề mà luận án tập trung giải Hai chương đầu luận án phần giới thiệu chung đề tài nghiên cứu Chương trình bày tổng quan hiểu biết AGB đưa tranh chung hình dạng cấu trúc lớp vỏ khổng lồ chúng, chất hóa học mà chúng sở hữu, chế dãn nở khí thông qua vai trò trung gian bụi, luân phiên trình đốt cháy hydrogen heli gây xung nhiệt, đối lưu làm thành phần vật chất khác lớp trộn nhau, vai trò đặc biệt CO việc xác định tính chất sao carbon hay oxy, tượng biến đổi, v.v Sự mát khối lượng tạo phân tử khí khoảng cách mà vận tốc trung bình chúng vượt vận tốc thoát Tốc độ khối lượng vào khoảng 10 -8 đến 10-4 khối lượng mặt trời năm, chủ yếu 10 -7 giai đoạn đầu AGB vào cỡ 10-5 dạng siêu gió vào cuối giai đoạn AGB Luận án nghiên cứu có tốc độ khối lượng chậm, vào khoảng 10 -7 khối lượng mặt trời năm, giai đoạn khác trình tiến hóa: EP Aqr AGB trẻ, RS Cnc trải qua nhiều lần "dredge-up" (quá trình đưa nguyên tố nặng gần tâm vỏ sao) Red Rectangle vừa rời nhánh AGB trình trở thành tinh vân hành tinh sau tạo vài siêu gió Chú ý lựa chọn đại diện cho lượng đáng kể già không đại diện cho tất Thời gian tồn giai đoạn khác đời khác nhau, giống Mặt trời dành khoảng mười tỷ năm dải chính, gần tỷ năm giai đoạn khổng lồ đỏ, vài triệu năm nhánh AGB, vài trăm nghìn năm để chuyển sang tinh vân hành tinh thành lùn trắng nguội dần khoảng thời gian gần vô hạn Chương dành hẳn phần để xem xét chế liên quan đặc biệt đến luận án: chuyển đổi từ dạng cầu sang dạng đối xứng trục tương tác với ISM Các trình khác đưa để mô tả chuyển đổi hình dạng phổ biến hệ đôi Tuy nhiên chế chưa thể giải thích tất trường hợp: vai trò bảo toàn momen động lượng từ thông lớp vỏ khí dãn nở chậm khó mô hình hóa cách xác lại bỏ qua Liên quan đến tương tác với ISM, luận án trình bày tương hỗ CO HI việc đưa thông tin mật độ, nhiệt độ chuyển động khí Phát xạ HI lấn át CO khu vực xa tâm phân ly phát xạ UV đến từ ISM trở nên mạnh mẽ Chương tóm tắt đặc trưng thiết bị, cách đo đạc phương pháp xử lý số liệu liên quan đến nghiên cứu Chương trình bày kiến thức thiên văn vô tuyến, cho kính đơn hệ giao thoa, đồng thời mô tả kính thiên văn dùng để đo đạc số liệu cho luận án bao gồm kính thiên văn IRAM, Pico Veleta Plateau de Bure kính thiên văn vô tuyến Nançay Nó nhắc lại kiến thức vật lý lượng tử nguyên tử phân tử bao gồm phát xạ hấp thụ photon, mật độ trạng thái lượng tử việc truyền sóng vô tuyến qua lớp vật chất bao quanh Chương chương số bốn chương trình bày nghiên cứu già cụ thể cố gắng mô hình hóa cấu trúc chuyển động vật chất bao quanh Nó nghiên cứu loại S, RS Cnc, trải qua vài lần "dredge-up” có tốc độ khối lượng vào khoảng vài lần 10-7 khối lượng mặt trời năm Nghiên cứu sử dụng kết quan sát thông qua hai vạch CO(1-0) CO(2-1) đo kính thiên văn IRAM Sau phần sơ lược quan sát thực phần trình bày mô hình vỏ khí đơn giản với cấu trúc đối xứng trục Phương trình truyền phát xạ giải cách cộng dồn theo bước nhỏ dọc theo đường ngắm Mô hình áp dụng tất kiểu cấu trúc khác Trong trường hợp RS Cnc, mật độ vận tốc biến đổi liên tục từ xích đạo cực Sự diện gió dạng lưỡng cực có chứng thuyết phục, cấu trúc tạo hai thành phần phổ vận tốc Việc đo đồng thời hai vạch phân tử đưa thông tin phân bố nhiệt độ theo khoảng cách Mật độ khí phân bố cầu tính chất động học có dạng đối xứng trục Sự tồn không đồng làm hạn chế số lượng độ xác kết luận rút từ quan sát Để hiểu chi tiết chế vật lý, đặc biệt tính hợp lệ giả thuyết dừng ("stationarity") độ tin cậy biến đổi vận tốc từ mô hình, đòi hỏi quan sát phải có độ phân giải không gian tốt (với mục đích này, đồng nghiệp đề xuất thực thêm quan sát với IRAM, RS Cnc nằm trường nhìn ALMA) Hình hiển thị phổ vân tốc CO(1-0) CO(2-1) đo với kết mô hình phù hợp Hình 1a: RS Cnc: Các phổ vận tốc CO(1-0) từ đo đạc (đường màu đen) từ mô hình (đường màu đỏ) Hình 1b: RS Cnc: Các phổ vận tốc CO(2-1) từ đo đạc (đường màu đen) từ mô hình (đường màu đỏ) Chương nghiên cứu EP Aqr, loại M cho bắt đầu thời kì AGB vắng mặt technetium quang phổ Nó có tốc độ khối lượng tương tự RS Cnc có hai thành phần phổ vận tốc Doppler Tuy nhiên, khác với RS Cnc, vận tốc Doppler phân bố bầu trời Do vậy, nghiên cứu trước đây, người ta đưa cấu trúc gió gồm nhiều lớp tương đối cầu có vận tốc xuyên tâm khác để giải thích cho diện hai thành phần phổ vận tốc Doppler Không giống vậy, giả sử gió có dạng lưỡng cực tương tự thấy RS Cnc cực nằm trục gần với đường ngắm, để có dạng gió cầu chiếu bầu trời Cấu hình đặc biệt cho phép ta tính mật độ nhiệt độ không gian, kết hợp với giả thuyết hợp lý chủ quan gió dừng trạng thái cân nhiệt Đây tập thú vị thành công việc tạo kết khớp với số liệu đo đạc, nhiên không nên coi mô hình mà nên hiểu có nhiều cách khác để lý giải cho kết quan sát Sự diện phân bố không đồng nhất, rõ ràng cao so với trường hợp RS Cnc, cho thấy cần thiết phải có quan sát với độ phân giải không gian cao để rút kết luận đáng tin cậy Các quan sát ALMA với độ phân giải không gian cao trường nhìn rộng vô cần thiết trường hợp Hình 2: EP Aqr: Phân bố mật độ hiệu dụng với nhân với r2 mặt phẳng kính tuyến Đơn vị màu Jy beam −1 km s−1 arcsec Hình chữ nhật khu vực không đồng Phân bố mật độ hiệu dụng mặt phẳng kinh tuyến hình Mật độ hiệu dung định nghĩa cho tích phân dọc theo đường ngắm tích phân mật độ thông lượng dải toàn vận tốc Doppler Đây khái niệm sử dụng nhiều luận án tỏ vô hữu ích Chương nghiên cứu già so với hai trước, Red Rectangle Đây hậu AGB tiếng nghiên cứu nhiều hình mẫu tiền tinh vân hành tinh Tuy vậy, gió thổi chậm cách đáng kinh ngạc có hai thành phần phổ vận tốc giống RS Cnc EP Aqr Lời giải thích chấp nhận nhiều Red Rectangle có nhiều lần xuất siêu gió liên tiếp để hình thành lớp vật chất bao quanh dạng hoàn toàn cầu mà đối xứng trục Một điều đặc biệt Red Rectangle trục gần vuông góc với đường ngắm Mặc dù điều ngăn cản kiểm tra tính đắn giả thuyết bất biến quay quanh trục với giả thuyết ta tính toán mật độ hiệu dụng không gian Ngôi quan sát hai vạch phát xạ CO(3-2) CO(6-5) nên cho phép ta có thông tin phân bố nhiệt độ lớp vỏ khí Một đặc điểm bật chứng rõ ràng, mà không cần đến mô hình nào, cho việc quay quanh trục vùng xích đạo (hình 3) Khu vực có ranh giới rõ ràng với phần lại dạng lưỡng cực thấy RS Cnc EP Aqr Chú ý tồn thành phần quay đươc đưa bị phủ nhận trường hợp RS Cnc, trường hợp EP Aqr, ta biết cấu hình đặc biệt Dấu hiệu dãn nở Red Rectangle vùng xích đạo làm cho khí bị thổi theo hình xoắn ốc hình Hình cho thấy phân bố nhiệt độ cao khu vực giáp ranh vùng vật chất quay gần xích đạo vùng nón nơi vật chất dãn nở Nhiệt độ vùng gần xích đạo nhỏ nhiệt độ vùng khu vưc hình nón Hình 3: Red Rectangle Bên trên: Bản đồ thể bất đối xứng đông tây vận tốc Doppler cho CO(3-2) (bên trái) CO(6-5) (bên phải) Bên dưới: Vận tốc khí vùng cực (trên mặt phẳng kinh tuyến sao, bên trái) vùng xích đạo (trên mặt phẳng xích đạo sao, bên phải) Chương mở rộng phân tích trước cho hai AGB khác, X Her RX Boo, quan sát kính thiên văn IRAM thông qua vạch phát xạ CO Phân tích đưa chứng cho cấu trúc lưỡng cực gió sao, nguyên nhân hình thành cấu trúc hai thành phần phổ vận tốc Doppler Cuối chương phần điểm lại nghiên cứu từ chương trước Đặc biệt, lưu ý số liệu thường có độ phân giải tần số đủ tốt, nhu cầu độ phân giải không gian độ nhạy cao vô cần thiết Dưới góc nhìn này, hệ giao thoa ALMA mở kỷ nguyên độ tin cậy độ xác Nghiên cứu đánh dấu chuyển đổi từ phân tích dựa việc kiểm tra mắt thường ảnh khoảng vận tốc, phổ tướng ứng với vị trí bầu trời đồ vị trí-vận tốc sang việc phân tích cách định lượng Nguồn gốc gió dạng lưỡng cực chưa rõ ràng việc tìm chất vật lý hướng nghiên cứu tương lai gần Hình 4: Red Rectangle Bên trái: Phân bố nhiệt độ nửa mặt phẳng kinh tuyến Giữa: phân bố theo khoảng cách r nhiệt độ khí trung bình ba khu vực: điểm màu đỏ khu vực xích đạo, màu đen vùng bicone màu xanh vùng cực Độ lớn sai số thể phân tán bin khoảng cách Bên phải: mật độ CO (số phân tử cm3) nhân với r2 (arcsec2) Chương nghiên cứu phát xạ HI từ khu vực tương tác gió ISM Ở khoảng cách xa, phân tử bị phân ly trường phát xạ đến từ môi trường Do đó, để quan sát khu vực xa tâm sao, đặc biệt khu vực xảy tương tác gió ISM, cần phát xạ khác, từ phân tử, bụi nguyên tử Bụi phát xạ vùng hồng ngoại nhiệt độ thấp thật chất thị tuyệt vời, nhiên lại có phân bố liên tục theo tần số nên không cung cấp thông tin động học Để có thông tin cần phép đo vận tốc mà vạch phát xạ HI cung cấp Tuy nhiên, thực tế đo phát xạ HI từ già khó tín hiệu HI thường yếu thường trùng vị trí tần số với phát xạ đến từ tâm thiên hà từ khu vực nguồn người quan sát Thực tế, nỗ lực ban đầu nhằm đo phát xạ HI từ già không đem lại kết Chỉ đến khoảng mười năm trước việc đo phát xạ HI sử dụng kính thiên văn vô tuyến Nançay thực thành công, sau khảo sát diện rộng thực hiên với AGB tinh vân hành tinh Kết đo đạc phần lớn lượng khí môi trường bao quanh tồn dạng nguyên tử Hình dạng phổ vạch đo quan sát khu vực có khoảng cách cỡ pc tính từ tâm hẹp quan sát khu vực gần tâm Đây kết việc chuyển động chậm dần gió tương tác với ISM Điều nhờ vào thay đổi vận tốc rõ rệt quan sát VLA Phát xạ HI từ xem xét để khẳng định đắn tranh chung Tuy nhiên, phát xạ HI từ hậu AGB AGB có tốc độ khối lượng cao chưa đo Điều thật ngạc nhiên phân tử hydrogen phải bị phân ly khoảng cách lớn tạo lượng lớn nguyên tử hydrogen Một lý đưa ảnh hưởng trình truyền xạ có lẽ làm giảm cường độ phát xạ HI Để hiểu thêm vấn đề này, mô hình đơn giản xây dựng nhằm hiểu rõ tác động việc hấp thụ xạ độ dày quang học Nó xem xét ba trường hợp khác nhau, phù hợp với gợi ý tác giả báo công bố, chẳng hạn diện lớp vỏ tách biệt (detached-shell) Các gió dãn nở tự phát thông qua phát xạ HI từ hai khổng lồ đỏ, Y CVn Betelgeuse Do mô hình phù hợp để mô tả nguồn thời kì đầu trình khối lượng Ở trường hợp Y CVn, diện "detached-shell" quanh khu vực gió dãn nở tự do, tạo giảm tốc bất ngờ vị trí sốc, mô tả tốt phổ vạch hình Tuy nhiên, vài nguồn có tốc độ khối lượng cao WX Psc, NML Tau IZ Peg chưa đo Chúng nằm vĩ độ cao thiên hà, nơi phát xạ HI cho yếu Những mô luận án chưa thể giải thích trường hợp vậy, phải nguồn phân tử hydrogen chiếm phần lớn vỏ sao, chí khu vực xa tâm Figure 5: Phổ vận tốc Y CVn từ số liệu đo đạc (đen) từ mô hình với tốc độ khối lượng 1.3×10−7 khối lượng mặt trời năm bao quanh khu vực gió dãn nở tự "detached-shell" nằm bán kính 2.8” 4.0” (đỏ) Cuối cùng, chương đưa số kết luận bình luận triển vọng tương lai Sau điểm lại giới hạn mô hình thảo luận luận án, bình luận thêm tương đồng vận tốc gió quan sát giai đoạn tiến hóa khác nhau, trường hợp Red Rectangle, tương đồng ngẫu nhiên Sự tồn gió cực chuyển động chậm khoảng thời gian dài giai đoạn AGB diện quan trọng bất đồng thời kì đầu giai đoạn AGB tính chất quan trọng mà chưa có lời giải thích thỏa đáng Tầm quan trọng việc quan sát hai vạch phát xạ phân tử nhấn mạnh cung cấp nguồn thông tin đáng kể phân bố nhiệt độ lớp vỏ khí Các hệ giao thoa nay, bao gồm hệ giao thoa dùng luận án PdBI VLA, tạo bước tiến ngoạn mục hiểu biết già, độ tin cậy độ xác kết luận rút bị giới hạn độ nhạy độ phân giải Trong tương lai gần, quan sát thông qua phát xạ phân tử NOEMA ALMA phát xạ hydrogen JVLA FAST cho phép có thêm bước tiến lớn Các công trình công bố Hoai D.T, Mathews L., Winters J.M., et al., 2014, “The multi-scale environment of RS Cancri from CO and HI observations”, A&A, 565, A54 Hoai D.T, Nhung P.T., Gérard E., et al., 2015, “Modelling the HI 21-cm line profile from circumstellar shells around red giants”, MNRAS, 449, 2386 Nhung P.T., Hoai D.T., Winters J.M., et al., 2015, “On the Central Symmetry of the Circumstellar Envelope of RS Cnc”, RAA, 15, 713 Tuan-Anh P., Diep P.N., et al., 2015, “12CO emission from the Red Rectangle”, RAA, 15, 2213 Nhung P.T., Hoai D.T, et al., 2015, “12CO emission from EP Aquarii: Another example of an axi-symmetric AGB wind?”, A&A, 583, A64 ... vào môi trường (ISM) Sự chuyển đổi này, với việc xem khổng lồ đỏ tiệm cận khổng lồ đỏ (AGB) trạng thái trung gian quan trọng, đề tài nghiên cứu khó Dạng chuyển đổi thường quan sát gió lưỡng cực... hạn diện lớp vỏ tách biệt (detached-shell) Các gió dãn nở tự phát thông qua phát xạ HI từ hai khổng lồ đỏ, Y CVn Betelgeuse Do mô hình phù hợp để mô tả nguồn thời kì đầu trình khối lượng Ở trường... kính thiên văn vô tuyến Nançay Nó nhắc lại kiến thức vật lý lượng tử nguyên tử phân tử bao gồm phát xạ hấp thụ photon, mật độ trạng thái lượng tử việc truyền sóng vô tuyến qua lớp vật chất bao