Vào ngày 22 tháng 2 năm 1971, một tên lửa phóng từ Đảo Wallops, Virginia với các cảm biến chuyên dụng đã đưa chúng ta đến gần với Tinh vân Con cua, một vật thể vũ trụ nằm cách chúng ta 6.500 năm ánh sáng. Trước khi các nhà khoa học khôi phục được các băng vật lý từ thí nghiệm, họ đã thu thập dữ liệu khoa học đầu tiên trên máy ghi biểu đồ dải, một thiết bị in tín hiệu trên giấy.
Sau đó, nhà thiên văn học Martin Weisskopf và các đồng nghiệp của ông đã bắt đầu phân tích dữ liệu thu thập được vào ngày phóng. Họ đã sử dụng thước kẻ và bút chì để đo khoảng cách giữa các tín hiệu và tìm hiểu thông tin về Tinh vân Con cua.
Theo Weisskopf, hiện là nhà thiên văn học danh dự tại Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Marshall của NASA ở Huntsville, Alabama: “Khoa học làm cho chúng ta bị cuốn hút bởi sự đẹp đẽ và thú vị của những phát hiện mới. Trong những khoảnh khắc ngắn ngủi đó, chúng ta đang nhìn thấy những thứ mà chưa ai từng thấy trước đây.”
Sau nhiều thập kỷ, Weisskopf đã đề xuất xây dựng một vệ tinh quay quanh Trái đất trang bị các thiết bị thu thập dữ liệu về Tinh vân Con cua và những vật thể vũ trụ khác với độ phân giải cao hơn nhiều. Và cuối cùng, vệ tinh đó đã được phát triển thành Nhà thám hiểm phân cực tia X hình ảnh (IXPE) của NASA, được phóng lên vào ngày 9 tháng 12 năm 2021.
Hiện nay, sau hơn 50 năm kể từ thí nghiệm tên lửa âm thanh, nhờ vào IXPE, các nhà khoa học đã tạo ra một bản đồ chi tiết và phức tạp về từ trường của Tinh vân Con cua, tiết lộ nhiều hoạt động bên trong của nó hơn bao giờ hết. Các kết quả mới được công bố trên tạp chí Nature Astronomy (có sẵn bản in sẵn), giúp giải đáp những bí ẩn lâu đời về Tinh vân Con cua và đưa ra những câu hỏi mới cho các nghiên cứu trong tương lai.
Dữ liệu của IXPE cho thấy rằng từ trường của Tinh vân Con cua tương tự với từ trường của Tinh vân Gió Vela Pulsar, cả hai đều có hình dạng hình bánh rán. Tuy nhiên, ở Con cua, các nhà khoa học đã ngạc nhiên khi thấy rằng các khu vực nhiễu loạn từ trường có sự lan truyền rộng hơn và không đối xứng như dự đoán.
Niccolò Bucciantini, một nhà thiên văn học tại INAF và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Điều này rõ ràng cho thấy rằng ngay cả những mô hình phức tạp hơn đã được phát triển trong quá khứ bằng việc sử dụng các kỹ thuật số tiên tiến cũng không thể nắm bắt được đầy đủ độ phức tạp của vật thể này”. Ông đã phát biểu tại Đài quan sát Arcetri ở Florence, Ý.
Tinh vân Con cua là một đối tượng nghiên cứu đặc biệt yêu thích của các nhà thiên văn học, nó là kết quả của một vụ nổ siêu tân tinh được ghi nhận vào năm 1054. Vụ nổ này đã tạo ra một vật thể dày đặc có tên là Sao xung Con cua, có đường kính khoảng bằng Huntsville, Alabama hoặc chiều dài của Manhattan, nhưng với khối lượng lớn hơn hai lần so với Mặt trời. Tinh vân Con cua là một hỗn hợp hỗn loạn của khí, sóng xung kích, từ trường, ánh sáng năng lượng cao và các hạt đến từ sao xung đang quay được gọi chung là “tinh vân gió sao xung”. Tuy nhiên, điều kiện khắc nghiệt trong Tinh vân Con cua vẫn chưa được hiểu rõ.
Weisskopf và các đồng nghiệp đã hy vọng hiểu rõ hơn về môi trường khắc nghiệt này bằng cách đo sự phân cực của tia X từ Tinh vân Con cua, thứ tỏa sáng rực rỡ trong tia X. Sự phân cực của tia X cung cấp cho các nhà khoa học những manh mối về hướng mà từ trường chỉ vào các phần khác nhau của vật thể vũ trụ, cũng như mức độ trật tự của từ trường. Hình học và sự nhiễu loạn của từ trường sẽ giúp xác định cách các hạt được phóng tới tốc độ ánh sáng.
Trong vòng năm phút của thí nghiệm tên lửa âm thanh năm 1971 trên bầu khí quyển Trái đất, phép đo phân cực tia X đầu tiên trên thế giới đã được tạo ra. Sau đó, vào năm 1975, các nhà khoa học đã tiếp tục theo dõi sự phân cực tia X của Tinh vân Con cua bằng vệ tinh OSO-8, kết quả cho thấy độ phân cực trung bình của Tinh vân Con cua là khoảng 20%.
Với tư cách là nhà khoa học dự án của Đài thiên văn Chandra X-Ray của NASA, Weisskopf tiếp tục khám phá Tinh vân Con cua bằng những phương pháp mới. Anh ta cho biết, với Chandra, họ đã chụp được những hình ảnh đẹp về tinh vân và sao xung, đồng thời có thể nhìn thấy các tia và cấu trúc khác nhau. Hình ảnh tia X của Chandra đã giúp các nhà khoa học hiểu thêm về mối quan hệ giữa năng lượng của ẩn tinh và sự phát xạ tia X, bằng cách cho thấy các cấu trúc giống như sợi tơ di chuyển trong tinh vân.
Hiện nay, hầu hết các kính viễn vọng lớn đều tập trung vào việc nghiên cứu Tinh vân Con cua để hiểu rõ hơn về tàn dư siêu tân tinh bí ẩn này. Tuy nhiên, chỉ có IXPE mới có thể nghiên cứu tia X từ Cua về mặt phân cực, thước đo tổ chức của trường điện từ.
“Con Cua là một trong những vật thể thiên văn năng lượng cao được nghiên cứu nhiều nhất trên bầu trời. Vì vậy, việc tìm hiểu điều gì đó mới về hệ thống này bằng cách sử dụng ‘thấu kính phân cực’ của IXPE là vô cùng thú vị,” Michela Negro, một nhà khoa học nghiên cứu tại Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA liên kết với Đại học Maryland, Baltimore và đồng nghiệp của ông cho biết trong bài báo nghiên cứu của họ.
Trên khắp không gian tinh vân, nghiên cứu IXPE đã tìm thấy sự phân cực trung bình giống như nghiên cứu của Weisskopf và các nhà khoa học trong những năm 1970. Tuy nhiên, sử dụng các công cụ tinh vi hơn, IXPE đã có thể điều chỉnh góc phân cực và xác định sự khác biệt về độ phân cực trên toàn bộ vật thể. Các nhà khoa học đã phát hiện ra khu vực phân cực nhiều hơn ở các vùng bên ngoài của tinh vân, cách xa pulsar nhiều năm ánh sáng, trong khi phân cực tại đó lại thấp hơn.
Kết quả này cho phép các nhà khoa học điều tra không chỉ các tia X từ Tinh vân Con cua mà còn cả những tia phát ra từ pulsar hoặc từ khối cầu từ trường xung quanh nó. Phát hiện của họ cho thấy rằng những tia X này có nguồn gốc từ vùng từ trường bên ngoài, được gọi là “vùng gió”, tuy nhiên, vẫn chưa rõ ràng về địa điểm và cách thức tạo ra chúng. Trong từ trường, các cú sốc tạo ra bởi “gió” của pulsar đang đẩy các hạt với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.