Nhiều bí mật tiết lộ sau khi một ngôi sao bị 'lột trần'

Năm 2021, các nhà thiên văn học đã chứng kiến trong kinh ngạc khi một siêu tân tinh cách Trái Đất 2,2 tỉ năm ánh sáng, mang tên SN2021yfj bùng nổ. Điều kỳ lạ là nó tràn ngập silic, lưu huỳnh và argon - những nguyên tố chưa từng được phát hiện trong một ngôi sao đang phát nổ.

Kiểm nghiệm lý thuyết vỏ đồng tâm

Theo nhóm nghiên cứu do nhà vật lý thiên văn Steve Schulze (Đại học Northwestern, Mỹ) dẫn đầu, đây là bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho thấy sự tồn tại của các lớp vỏ đồng tâm gồm nhiều nguyên tố khác nhau bên trong các sao khổng lồ - một cấu trúc vốn chỉ tồn tại trong lý thuyết. Phát hiện này vừa xác nhận vòng đời của sao, vừa mở rộng hiểu biết của chúng ta về cách các sao khổng lồ đi đến cái kết của mình.

Nhà vật lý thiên văn Adam Miller (cũng thuộc Northwestern) cho biết: “Hiện tượng này thực sự chưa từng có trong tiền lệ. Thậm chí nó kỳ lạ đến mức chúng tôi từng nghĩ rằng có thể mình đã quan sát nhầm đối tượng.

Ngôi sao này cho thấy những lý thuyết và quan niệm hiện nay về sự tiến hóa của sao là quá hạn hẹp. Không phải sách giáo khoa sai, nhưng rõ ràng chúng chưa nắm bắt được trọn vẹn mọi điều mà tự nhiên tạo ra. Hẳn phải còn những con đường đặc biệt khác để một sao khổng lồ đi đến cái chết, ngoài những gì chúng ta từng nghĩ tới”.

Cấu trúc một ngôi sao với nhiều lớp vỏ

Vòng đời của các ngôi sao được duy trì bởi phản ứng nhiệt hạch trong lõi – nơi áp suất và nhiệt độ cực lớn ép các nguyên tử lại với nhau, hợp nhất thành những nguyên tố nặng hơn. Ở các sao khổng lồ, hydro hợp nhất thành heli, rồi đến carbon, và tiếp tục như thế cho đến khi lưu huỳnh và silic hợp nhất thành sắt.

Nhưng sắt chính là điểm kết thúc: phản ứng nhiệt hạch tạo ra sắt cần nhiều năng lượng hơn lượng năng lượng nó tạo ra - đó là hồi chuông báo tử của ngôi sao. Trong suốt vòng đời, người ta cho rằng các nguyên tố hình thành từng lớp như củ hành: lớp lõi nặng nhất nằm ở trong cùng, còn hydro và heli nhẹ hơn nằm ngoài cùng.

Khi các sao nổ tung, các nhà thiên văn chủ yếu phát hiện dấu vết của những nguyên tố nhẹ trong vật chất văng ra, nhiều nhất chỉ đến carbon và oxy, chứ hiếm khi thấy những nguyên tố nặng hơn. Thế nhưng sự áp đảo của silic, lưu huỳnh và argon trong SN2021yfj lại gợi ý rằng trước khi phát nổ, ngôi sao đã trải qua một giai đoạn cực kỳ hỗn loạn và dữ dội.

Lần đầu thấy một ngôi sao bị "lột trần"

Schulze nói: “Đây là lần đầu tiên chúng ta thấy một ngôi sao gần như bị "lột trần". Điều này hé lộ cho chúng ta thấy cấu trúc của một ngôi sao, đồng thời chứng minh rằng một ngôi sao có thể mất đi một lượng vật chất khổng lồ trước khi nổ tung. Không chỉ mất lớp vỏ ngoài, mà thậm chí bị lột sạch xuống tận bên trong, nhưng vẫn tạo ra một vụ nổ rực rỡ mà chúng ta có thể quan sát từ cách xa hàng tỷ năm ánh sáng”.

Giai đoạn trước khi một sao khổng lồ chết thường đầy bất ổn. Nó sẽ mất đi nhiều lớp vật chất ngoài qua hàng loạt vụ phun trào trước khi siêu tân tinh diễn ra. Việc phát hiện silic, lưu huỳnh và argon - vốn chỉ hiện diện gần lõi sao vào cuối vòng đời - cho thấy ngôi sao SN2021yfj đã mất đi khối lượng nhiều hơn rất nhiều so với các sao nổ bình thường.

Chính xác điều gì đã xảy ra vẫn chưa rõ. Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng những cơn hấp hối kéo dài đã từ từ phá hủy ngôi sao. Khi nhiên liệu trong lõi cạn kiệt, trọng lực khiến lõi liên tục co lại, trong khi áp lực từ phản ứng nhiệt hạch dần suy yếu.

Áp suất và nhiệt độ tăng cao rồi bất ngờ kích hoạt một phản ứng nhiệt hạch bùng nổ, thổi tung một phần vật chất bên ngoài. Quá trình này lặp đi lặp lại, khiến phần lớn khối lượng của ngôi sao bị “cởi bỏ” như chiếc áo khoác cũ, để lại một lớp vỏ vật chất trôi dạt ra ngoài.

Trong vụ nổ cuối cùng, luồng vật chất siêu tân tinh nhanh hơn đã đuổi kịp và va chạm với lớp vỏ ấy, tạo nên quầng sáng chói lọi mà chúng ta có thể nhìn thấy từ tận bên kia vũ trụ, theo các nhà nghiên cứu. Tuy nhiên, cần thêm dữ liệu để khẳng định giả thuyết này.

Miller cho biết: “Dù chúng ta đã có một giả thuyết về cách tự nhiên tạo ra vụ nổ kỳ lạ này, tôi sẽ không dám chắc nó đúng, bởi hiện giờ chúng ta mới chỉ có duy nhất một trường hợp được ghi nhận. Phát hiện này thực sự cho thấy sự cần thiết phải tìm thêm nhiều siêu tân tinh hiếm như vậy, để hiểu rõ hơn bản chất của chúng và cơ chế hình thành”.

Bùi Tú