10 sự thật về sao siêu mới

Ở đâu đó trong vũ trụ, một ngôi sao đang tiến về đoạn cuối cuộc đời của nó.

Có thể nó là một sao khối lượng lớn, co sụp dưới lực hấp dẫn riêng của nó. Hoặc có thể nó là tàn dư đậm đặc của một ngôi sao, hau háu lấy trộm vật chất từ một ngôi sao đồng hành cho đến khi nó không còn làm chủ được khối lượng của riêng nó.

Dẫu vì nguyên do gì, ngôi sao này không lụi tàn một cách lặng lẽ vào cấu trúc tối tăm của không gian và thời gian. Nó lồng lên, nổ văng vật chất vào vũ trụ, để lại cho chúng ta một vết sáng rực rỡ và một đợt sóng thần gồm các hạt và các nguyên tố. Nó trở thành một sao siêu mới. Sau đây là 10 sự thật về sao siêu mới sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về nó.

1. Sao siêu mới được ghi chép xưa nhất cách nay gần 2000 năm

Vào năm 185, các nhà thiên văn Trung Hoa để ý một vệt sáng trên bầu trời. Ghi chép các quan sát của họ trong Hậu Hán Thư, các nhà thiên văn ngày xưa này lưu ý rằng nó nhấp nháy giống như một ngôi sao, hiện ra bằng nửa cái chiếu tre và không di chuyển trên bầu trời giống như sao chổi. Trong tám tháng sau đó, vị khách trên trời này từ từ biến mất khỏi tầm nhìn. Họ gọi nó “ngôi sao khách”.

Hai thiên niên kỉ sau, vào thập niên 1960, các nhà khoa học tìm thấy các dấu hiệu của vị khách bí ẩn này trong tàn dư của một sao siêu mới ở xa chừng 8000 năm ánh sáng. Sao siêu mới đó được đặt tên SN 185 và là sao siêu mới cổ xưa nhất từng được loài người ghi chép.

2. Nhiều nguyên tố tạo nên chúng ta có xuất xứ từ sao siêu mới

Mọi thứ từ oxygen mà bạn đang hít thở đến calcium trong xương của bạn, từ sắt trong máu của bạn đến silicon trong máy tính của bạn, đều được tôi luyện trong lõi của một ngôi sao nào đó.

Khi một sao siêu mới phát nổ, nó giải phóng một trận bão phản ứng hạt nhân. Các phản ứng hạt nhân này tạo ra nhiều viên gạch cấu trúc của thế giới xung quanh chúng ta. Các nguyên tố từ oxygen đến sắt có gốc gác từ các sao siêu mới suy sụp nhân, các ngôi sao khối lượng lớn co sụp dưới lực hấp dẫn riêng của chúng. Chúng chia sẻ nhiệm vụ sản xuất sắt của vũ trụ với các sao siêu mới nhiệt hạch, các sao lùn trắng đánh cắp khối lượng từ ngôi sao đồng hành của chúng. Các nhà khoa học cũng tin rằng sao siêu mới là nơi chủ lực sản xuất đa số các nguyên tố nặng hơn sắt.

3. Sao siêu mới là các xưởng neutrino

Trong khoảng thời gian 10 giây, một sao siêu mới co nhân sẽ phóng thích một xung gồm hơn 10⁵⁸ neutrino, các hạt ma quỷ có thể truyền đi mà không bị ảnh hưởng bởi hầu như mọi thứ trong vũ trụ.

Bên ngoài nhân của một sao siêu mới, muốn làm dừng một neutrino bạn phải có một tấm chắn chì dày một năm ánh sáng. Nhưng khi một ngôi sao nổ, vùng lõi có thể trở nên đậm đặc đến mức thậm chí đến neutrino cũng nấn ná ít lâu rồi mới thoát ra. Khi chúng thật sự thoát ra, các neutrino mang đi 99% năng lượng của sao siêu mới.

Các nhà khoa học quan sát vụ nổ neutrino bằng một hệ thống cảnh báo sớm gọi là SNEWS. SNEWS là một mạng lưới detector neutrino trên khắp thế giới. Mỗi detector được lập trình để gửi đi một tín hiệu đến một máy tính trung tâm mỗi khi nó nhìn thấy một vụ nổ neutrino. Nếu có hơn hai thí nghiệm quan sát thấy một vụ nổ trong vòng 10 giây, thì máy tính đưa ra một cảnh báo tự động đến cộng đồng thiên văn học để tìm kiếm ngôi sao đang nổ.

Bạn không cần phải là chuyên gia mới được nhận cảnh báo. Mọi người đều có thể đăng kí để là người đầu tiên biết rằng nhân của một ngôi sao đã co sụp.

4. Sao siêu mới là các máy gia tốc hạt cực mạnh

Sao siêu mới là các phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đại; chúng có thể gia tốc các hạt lên ít nhất gấp 1000 lần năng lượng của các hạt trong Máy Va chạm Hadron Lớn, cỗ máy va chạm mạnh nhất trên Trái đất.

Tương tác giữa vụ nổ của một sao siêu mới và chất khí giữa các sao ở xung quanh tạo ra một vùng từ hóa, gọi là vùng xung kích. Khi các hạt chuyển động vào vùng xung kích, chúng bị từ trường làm chuyển động lòng vòng và thu gia tốc, giống hệt như một quả bóng rỗ bị đập càng lúc càng gần mặt đất. Khi chúng được giải phóng vào không gian, một số hạt năng lượng cao này, gọi là tia vũ trụ, cuối cùng lao vào bầu khí quyển của chúng ta, va chạm với các nguyên tử và tạo ra những cơn mưa hạt thứ cấp trút lên đầu chúng ta.

5. Sao siêu mới tạo ra chất phóng xạ

Ngoài việc tôi luyện các nguyên tố và neutrino, các phản ứng hạt nhân bên trong sao siêu mới còn đun nấu các đồng vị phóng xạ. Một số chất phóng xạ này phát ra tín hiệu ánh sáng, ví dụ tia gamma, mà chúng ta có thể nhìn thấy trong không gian.

Sự phóng xạ này là một phần nguyên do khiến sao siêu mới sáng như vậy. Nó còn cung cấp cho chúng ta một cách xác định có sao siêu mới bùng nổ ở gần Trái đất hay không. Nếu một sao siêu mới xảy ra ở đủ gần hành tinh của chúng ta, thì chúng ta sẽ phải hứng lấy một phần những hạt nhân không bền này. Vì thế khi các nhà khoa học phân tích các đồng vị phóng xạ qua các lớp trầm tích, họ biết cách xác định liệu cái họ tìm thấy có phải do một ngôi sao nổ mang đến hay không.

Năm 1998, các nhà vật lí đã phân tích lớp vỏ Trái đất lấy từ đáy đại dương và tìm thấy các lớp có nhiều ⁶⁰Fe, một đồng vị phóng xạ hiếm của sắt có thể được tạo ra với hàm lượng lớn bên trong sao siêu mới. Sử dụng tốc độ phân hủy của ⁶⁰Fe theo thời gian, họ đã có thể tính được nó đã tới Trái đất bao lâu rồi. Họ xác định được khả năng cao nhất là nó đã được thổi văng tới hành tinh của chúng ta bởi một sao siêu mới láng giềng cách nay chừng 2,8 triệu năm.

6. Một sao siêu mới ở gần có thể gây ra sự tuyệt chủng hàng loạt

Nếu một sao siêu mới xảy ra đủ gần, nó có thể là tin tức tồi tệ đối với hành tinh của chúng ta. Mặc dù chúng ta vẫn chưa chắc chắn việc ở giữa một ngôi sao đang nổ sẽ ảnh hưởng đến chúng ta ra sao, nhưng chúng ta thật sự biết rằng sao siêu mới phát ra vô số photon năng lượng cao như tia X và tia gamma. Bức xạ đến sẽ chọc thủng tầng ozone của khí quyển. Toàn bộ các mắc xích trong chuỗi thức ăn của chúng ta kể từ dưới lên sẽ bị rán chín trong bức xạ tử ngoại của mặt trời cho đến khi chẳng còn lại gì trên hành tinh của chúng ta ngoài bụi và xương.

Sao siêu mới xảy ra trong thiên hà của chúng ta ở tốc độ khoảng một hoặc hai vụ mỗi thế kỉ. Nhưng chúng ta chưa chứng kiến sao siêu mới trong Ngân hà trong khoảng 400 năm qua. Sao siêu mới ở gần mới đây nhất được quan sát vào năm 1987, và không thuộc về thiên hà của chúng ta. Nó thuộc về một thiên hà vệ tinh láng giềng gọi là Đám mây Magellan Lớn.

Nhưng cái chết mà sao siêu mới đem lại có lẽ chẳng phải là thứ mà bạn phải lo ngại trong cuộc đời mình, hay đời con đời cháu của bạn. IK Pegasi, ứng viên gần nhất mà chúng ta có cho một sao siêu mới, ở xa 150 năm ánh sáng – quá xa để gây bất kì thiệt hại thật sự nào cho Trái đất.

Dẫu rằng sao siêu mới 2,8 triệu năm tuổi đã từng bắn chất phóng xạ của nó vào trong các đại dương của chúng ta ở cách Trái đất ít nhất 100 năm ánh sáng, nó không đủ gần để gây ra sự tuyệt chủng hàng loạt. Các nhà vật lí gọi nó một cách bông đùa là “cái chết xí hụt”.

7. Ánh sáng sao siêu mới có thể vang vọng trong thời gian

Giống hệt như tiếng nói của bạn vang vọng khi sóng âm phản xạ khỏi một bề mặt và bật trở lại, một sao siêu mới vang vọng trong không gian khi sóng ánh sáng của nó phản xạ khỏi các đám mây bụi vũ trụ và rồi chuyển hướng truyền về phía Trái đất.

Vì ánh sáng vang vọng đi theo một lộ trình kịch nghệ đến hành tinh của chúng ta, nên hiện tượng này mở ra một cánh cổng dẫn đến quá khứ, cho phép các nhà khoa học nhìn vào và giải mã sao siêu mới đã xảy ra hàng trăm năm trước. Một ví dụ gần đây của trường hợp này là SN1572, một sao siêu mới xảy ra vào năm 1572. Sao siêu mới này tỏa sáng hơn Kim tinh, có thể nhìn thấy được vào ban ngày và sau hai tuần thì mới mờ khỏi bầu trời.

Năm 2008, các nhà thiên văn đã tìm thấy sóng ánh sáng phát ra từ vị trí hủy diệt vũ trụ của ngôi sao ban đầu. Họ xác định rằng họ đang nhìn thấy ánh sáng vang vọng từ sao siêu mới Tycho. Mặc dù ánh sáng ấy mờ hơn 20 tỉ lần so với cái mà nhà thiên văn học Tycho Brahe đã quan sát hồi năm 1572, nhưng các nhà khoa học đã có thể phân tích quang phổ của nó và phân loại sao siêu mới ấy là một sao siêu mới nhiệt hạch.

Hơn bốn thế kỉ sau vụ nổ của nó, ánh sáng từ sao siêu mới lịch sử này vẫn đang đi tới Trái đất.

8. Sao siêu mới được sử dụng dể khám phá năng lượng tối

Vì sao siêu mới nhiệt hạch quá sáng, và vì ánh sáng của chúng rực lên và mờ đi theo kiểu dự báo được, nên chúng có thể được dùng làm hải đăng trong vũ trụ học.

Năm 1998, các nhà khoa học nghĩ rằng sự dãn nở của vũ trụ, do vụ nổ lớn gây ra, có khả năng đang chậm dần theo thời gian. Nhưng các nghiên cứu sao siêu mới đề xuất rằng sự dãn nở của vũ trụ thật ra đang tăng tốc.

Các nhà khoa học có thể đo độ sáng thật sự của sao siêu mới bằng cách nhìn vào cỡ thời gian trên đó độ sáng của chúng rực lên và mờ đi. Bằng cách so sánh các sao siêu mới này sáng như thế nào so với độ sáng thật sự của chúng, các nhà khoa học có thể xác định chúng ở xa bao nhiêu.

Các nhà khoa học còn có thể đo độ tăng bước sóng của ánh sáng sao siêu mới khi nó di chuyển ngày càng xa chúng ta. Độ tăng bước sóng này được gọi là độ lệch đỏ.

So sánh độ lệch đỏ với bước sóng của các sao siêu mới cho phép các nhà khoa học suy ra tốc độ dãn nở của vũ trụ đã biến đổi như thế nào trong lịch sử của vũ trụ. Các nhà khoa học tin rằng thủ phạm gây ra sự gia tốc vũ trụ này là cái được gọi là năng lượng tối.

9. Sao siêu mới xảy ra ở tốc độ xấp xỉ 10 sao mỗi giây

Lúc bạn đọc xong câu này, có khả năng một ngôi sao sẽ phát nổ ở đâu đó trong vũ trụ.

Khi các nhà khoa học phát triển các kĩ thuật tốt hơn để thám hiểm vũ trụ, số lượng sao siêu mới mà họ khám phá tăng dần. Hiện nay, họ tìm thấy hơn một nghìn sao siêu mới mỗi năm.

Nhưng khi bạn nhìn sâu vào bầu trời đêm ở những ánh sáng rực rỡ tỏa ra từ hàng tỉ năm ánh sáng ngoài xa, là thật ra bạn đang nhìn về quá khứ. Các sao siêu mới mà các nhà khoa học đang phát hiện trải ngược đến những thời khắc rất sớm của vũ trụ. Bằng cách cộng gộp tất cả các sao siêu mới mà họ đã quan sát thấy, các nhà khoa học có thể tính được tốc độ sao siêu mới xảy ra trong toàn bộ vũ trụ.

Các nhà khoa học ước tính có khoảng 10 sao siêu mới xảy ra mỗi giây, phát nổ trong không gian giống như những hạt bắp nổ trong lò vi sóng.

10. Chúng ta đang tiến bộ rất nhiều ở việc phát hiện sao siêu mới ở xa

Mặc dù chúng ta đã nhận thức về những ngôi sao phát nổ này trong hàng thiên niên kỉ qua, nhưng vẫn còn nhiều thứ chúng ta không biết về chúng. Có hai loại sao siêu mới đã biết, nhưng có nhiều biến thể khác nhau mà các nhà khoa học vẫn chưa hiểu rõ.

Sao siêu mới có thể là do sự hợp nhất của hai sao lùn trắng. Một kịch bản khác, chuyển động quay của một ngôi sao có thể tạo ra một lỗ đen bồi tụ vật chất và phát ra một cái vòi xuyên qua ngôi sao. Hoặc tỉ trọng lõi của một ngôi sao có thể cao đến mức nó bắt đầu tạo ra các cặp electron-positron, gây ra một phản ứng hạt nhân dây chuyền trong ngôi sao.

Hiện nay, các nhà khoa học đang lập bản đồ bầu trời đêm với Khảo sát Năng lượng Tối, hay DES. Các nhà khoa học có thể phát hiện các vụ nổ sao siêu mới bằng cách tìm kiếm các biến thiên trong hình ảnh mà họ thu được theo thời gian.

Một khảo sát khác hiện đang tiến hành là Khảo sát Sao siêu mới Tự động Toàn bầu trời, hay ASAS-SN, chương trình mới đây đã quan sát được sao siêu mới sáng nhất mà người ta từng phát hiện.

Năm 2019, Kính thiên văn Khảo sát Toát yếu Lớn, hay LSST, sẽ cách mạng hóa nhận thức của chúng ta về sao siêu mới. LSST được thiết kế nhằm thu gom nhiều ánh sáng hơn và thâm nhập sâu hơn vào không gian so với trước nay. Nó sẽ di chuyển nhanh trên bầu trời và chụp nhiều hình ảnh hơn trong những vạt không gian rộng lớn hơn so với các khảo sát trước đây. Nó sẽ làm tăng số lượng sao siêu mới mà chúng ta thấy lên hàng trăm nghìn sao mỗi năm.

Việc nghiên cứu những quả bom vũ trụ này sẽ mở mang kiến thức của chúng ta về không gian và đưa chúng ta tiến gần hơn đến nhận thức không chỉ nguồn gốc của chúng ta, mà cả ranh giới của vũ trụ.

Nguồn: Symmetry Magazine

Bài trước | Bài kế tiếp