Sử dụng Kính thiên văn Rất Lớn của ESO, các nhà thiên văn châu Âu lần đầu tiên đã chứng minh rằng một sao nam châm – một loại sao neutron bất thường – hình thành từ một ngôi sao có khối lượng ít nhất bằng 40 lần khối lượng Mặt trời. Kết quả trên mang lại những thách thức to lớn cho những lí thuyết hiện nay của sự tiến hóa sao, vì một ngôi sao có khối lượng như thế này được trông đợi trở thành một lỗ đen, chứ không phải một sao nam châm. Kết quả này làm phát sinh một câu hỏi cơ bản: một ngôi sao thật sự cần bao nhiêu khối lượng để trở thành một lỗ đen?
Ảnh minh họa thể hiện ngôi sao nam châm trong đám sao rất dày đặc và non trẻ Westerlund 1.
Để đi đến những kết luận của họ, các nhà thiên văn đã khảo sát chi tiết đám sao bất thường Westerlund 1, nằm cách xa chúng ta 16.000 năm ánh sáng theo hướng chòm sao phương nam Ara. Từ những nghiên cứu trước đây, các nhà thiên văn biết rằng Westerlund 1 là đám siêu sao gần nhất từng được biết đến, có chứa hàng trăm ngôi sao rất nặng, một số tỏa sáng gần như một triệu lần mặt trời và một số có đường kính bằng hai nghìn lần đường kính Mặt trời (lớn bằng quỹ đạo của Thổ tinh).
Đám sao mở Westerlund 1 được phát hiện ra vào năm 1961 ở Australia bởi nhà thiên văn người Thụy Điển Bengt Westerlund. Đám sao này nằm phía sau một đám mây khí và bụi khổng lồ nằm giữa các sao, chúng chặn mất đa phần ánh sáng nhìn thấy của nó. Hệ số lu mờ là hơn 100.000, và đây là nguyên do vì sao phải mất một thời gian khá lâu người ta mới vén màn bản chất đích thực của đám sao đặc biệt này.
Ảnh chụp đám sao trẻ Westerlund 1 với Máy ghi ảnh Trường Rộng trên kính thiên văn MPG/ESO 2,2 mét tại Đài thiên văn La Silla của ESO ở Chile.
Westerlund 1 là một phòng thí nghiệm thiên nhiên độc nhất vô nhị cho nghiên cứu nền vật lí sao cực độ, giúp các nhà thiên văn tìm hiểu cách thức đa số các ngôi sao nặng trong Dải Ngân hà của chúng ta sinh sôi và qua đời. Từ những quan sát của họ, các nhà thiên văn kết luận rằng đám sao cực độ này có khả năng nhất là không chứa ít hơn 100.000 lần khối lượng Mặt trời, và toàn bộ các ngôi sao của nó nằm bên trong một vùng bề ngang chưa tới 6 năm ánh sáng. Như vậy, Westerlund dường như là đám sao trẻ, đặc, nặng nhất từng được nhận ra cho đến nay trong Dải Ngân hà. Cho đến nay, tất cả các ngôi sao đã phân tích trong đám Westerlund 1 có khối lượng ít nhất bằng 30-40 lần khối lượng Mặt trời. Vì những ngôi sao đó có cuộc đời khá ngắn ngủi – nói theo ngôn ngữ thiên văn học – nên Westerlund 1 phải rất còn trẻ. Các nhà thiên văn xác định tuổi của nó đâu đó chừng 3,5 đến 5 triệu năm. Như vậy, Westerlund 1 rõ ràng là một đám sao “mới sinh” trong thiên hà của chúng ta.
“Nếu Mặt trời nằm tại trung tâm của đám sao nổi bật này, thì bầu trời đêm của chúng ta sẽ ngập tràn hàng trăm ngôi sao sáng như Mặt trăng rằm” – phát biểu của Ben Ritchie, tác giả đứng đầu nhóm nghiên cứu.
Westerlund 1 là một vườn sao ngoạn mục, với số lượng sao đông đúc và đa dạng. Các ngôi sao trong đám có chung một đặc điểm: chúng đều có cùng tuổi, ước tính chừng 3,5 đến 5 triệu năm, vì cụm sao được hình thành trong một sự kiện tạo sao duy nhất.
Sao nam châm là một loại sao neutron có từ trường mạnh đến mức khó tin – mạnh hơn từ trường của Trái đất một triệu tỉ lần, chúng hình thành khi những ngôi sao nhất định trải qua những vụ nổ sao siêu mới. Đám sao Westerlund 1 có chứa một trong vài ngôi sao nam châm mà người ta đã biết trong Dải Ngân hà. Nhờ sự có mặt của nó trong đám sao, các nhà thiên văn đã có thể suy luận ra rằng ngôi sao nam châm này phải hình thành từ một ngôi sao ít nhất là nặng bằng 40 lần Mặt trời.
Vì tất cả các ngôi sao trong đám Westerlund 1 đều có cùng tuổi, cho nên ngôi sao đã bùng nổ và để lại một tàn dư sao nam châm phải có cuộc đời ngắn hơn những ngôi sao sống sót trong đám. “Vì quãng đời của một ngôi sao liên hệ trực tiếp với khối lượng của nó – ngôi sao càng nặng thì cuộc đời của nó càng ngắn – nên nếu chúng ta có thể đo khối lượng của bất kì một ngôi sao sống sót nào, thì chúng ta biết chắc rằng ngôi sao đoản thọ trở thành sao nam châm phải có khối lượng nặng hơn nữa”, phát biểu của đồng tác giả Simon Clark. “Kết quả này có tầm quan trọng to lớn vì chưa có lí thuyết nào được chấp nhận cho sự hình thành những vật thể từ tính cực độ như vậy”.
Do đó, các nhà thiên văn nghiên cứu các ngôi sao thuộc về hệ đôi đang che khuất W13 trong đám Westerlund 1 sử dụng thực tế rằng, trong một hệ như vậy, các khối lượng có thể được xác định trực tiếp từ chuyển động của các ngôi sao.
Bằng cách so sánh với những ngôi sao này, họ nhận thấy ngôi sao đã trở thành sao nam châm phải có khối lượng ít nhất bằng 40 lần khối lượng của Mặt trời. Điều này chứng tỏ, lần đầu tiên, rằng các sao nam châm có thể phát triển từ những ngôi sao quá nặng mà chúng ta thường mong chúng phát triển thành các lỗ đen. Giả thuyết trước đây là các ngôi sao có khối lượng ban đầu bằng khoảng 10 đến 25 lần khối lượng mặt trời sẽ hình thành các sao neutron và những ngôi sao hơn 25 lần khối lượng mặt trời sẽ sinh ra các lỗ đen.
“Những ngôi sao này phải giải phóng hơn chín phần mười khối lượng của chúng trước khi bùng nổ dưới dạng một sao siêu mới, nếu không chúng sẽ sinh ra một lỗ đen”, theo lời đồng tác giả Ignacio Negueruela. “Sự mất khối lượng nhiều như vậy trước khi bùng nổ mang lại những thách thức to lớn cho các lí thuyết hiện nay của sự phát triển sao”.
“Vì thế, kết quả này làm phát sinh một câu hỏi gai góc là một ngôi sao phải có khối lượng bằng bao nhiêu để co lại thành một lỗ đen nếu các ngôi sao nặng hơn 40 lần Mặt trời của chúng ta không thể làm chủ nổi số phận này”, kết luận của đồng tác giả Norbert Langer.
Cơ chế hình thành mà các nhà thiên văn ưa chuộng là ngôi sao đã trở thành sao nam châm – ngôi sao tổ - đã ra đời với một ngôi sao đồng hành. Khi cả hai ngôi sao phát triển, chúng bắt đầu tương tác với nhau, với năng lượng chuyển hóa từ chuyển động quỹ đạo của chúng tiêu hao vào việc tống khứ những lượng lớn khối lượng ra khỏi ngôi sao tổ. Trong khi không có ngôi sao đồng hành nào như vậy có thể trông thấy hiện nay tại vị trí của sao nam châm, nhưng điều này có thể là do ngôi sao siêu mới tạo ra sao nam châm đã làm cho hệ sao đôi bị phá vỡ, tống khứ cả hai ngôi sao ra khỏi đám sao ở tốc độ cao.
“Nếu đúng là trường hợp này, thì nó cho thấy các hệ sao đôi có thể giữ một vai trò quan trọng trong sự phát triển sao bởi sự chuyển hóa khối lượng tổn thấy – ‘kế hoạch ăn kiêng’ vũ trụ tối hậu cho các ngôi sao nặng, cái giải phóng 95% khối lượng ban đầu của chúng”, Clark kết luận.
Nguồn: PhysOrg.com
