thuha19051234
Pearl
Siêu tân tinh được ví như một trong những "màn bắn pháo hoa" ngoạn mục nhất trong vũ trụ. Khi một ngôi sao đủ lớn phát ra "tiếng thở hổn hển cuối cùng" của nó trong một vụ nổ khổng lồ đánh dấu sự hủy diệt của chính nó, và trở thành điểm sáng nhất trong toàn bộ thiên hà trong vòng chưa đầy một giây, sau đó duy trì trạng thái như vậy trong vài tuần sau đó trước khi biến mất thành một tinh vân ngoạn mục trải rộng tới hàng trăm năm ánh sáng.
Tuy nhiên, điều gì đã tạo ra sự kết thúc khốc liệt như vậy đối với cuộc đời của một ngôi sao và một siêu tân tinh có phải là số phận của mọi ngôi sao? Và liệu một siêu tân tinh có thể tạo ra một lỗ đen trong vũ trụ? Còn mặt trời của chúng ta thì sao, có phải nó cũng được định sẵn số phận cho một cuộc “tan biến” ngoạn mục sau vài tỷ năm nữa? Hãy cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.
Những ngôi sao này nằm dưới tầng của dãy chính, chẳng hạn như sao lùn đỏ, nó có thể đốt cháy đều đặn nguồn nhiên liệu hydro giới hạn một cách thận trọng trong hàng nghìn tỷ năm trong khi những ngôi sao lớn hơn như Mặt trời của chúng ta tự cháy sau vài tỷ năm hoặc ít hơn. Chính ở giai đoạn cuối của vòng đời của một ngôi sao trong dãy chính mà một siêu tân tinh có thể trở thành hiện thực. Mặc dù không phải mọi ngôi sao trong dãy chính đều sẽ chuyển sang giai đoạn siêu tân tinh, nhưng những ngôi sao đó trước tiên sẽ trải qua giai đoạn "khổng lồ" sau khi chúng cạn kiệt nguồn dự trữ hydro và thay vào đó bắt đầu hợp nhất heli và các nguyên tố nặng hơn như oxy, silicon và carbon chứ không phải hydro. Sự hợp nhất có giới hạn của các nguyên tố nặng hơn này cũng diễn ra ở các ngôi sao trẻ, nhưng không tính đến các phản ứng tổng hợp chính của chúng.
Những phản ứng hạt nhân này sẽ duy trì sự tồn tại của một ngôi sao trong vài tỷ năm nữa sau khi nó chuyển sang giai đoạn khổng lồ của nó. Những cuối cùng, quá tình nhiệt hạch diễn ra đến thời điểm nó bắt đầu hợp nhất các nguyên tố nhỏ hơn thành sắt hoặc thậm chí là các nguyên tố nặng hơn như vàng. Một khi bắt đầu hợp nhất các nguyên tử thành sắt, quá trình này thực sự "ngốn" rất nhiều năng lượng thay vì tạo ra nó. Vì vậy khi một ngôi sao bắt đầu phát triển một lõi sắt nặng, những công đoạn cuối cùng của nó sẽ có tốc độ ngày càng nhanh khi phản ứng tổng hợp kim loại nặng hút bất cứ năng lượng nào đang được tạo ra ở nơi khác.
Tàn dư siêu tân tinh SNR 0509-67.5, nằm cách xa chúng ta 170.000 năm ánh sáng
Điều này sẽ trở thành một vấn đề lớn đối với ngôi sao vì nó không giống như sự mất đi khối lượng nào trong hàng tỷ năm trước đó. Các lớp khí và plasma nặng bên ngoài của nó, trước đây được giữ ở trên cao bởi năng lượng tạo ra từ các phản ứng nhiệt hạch bên dưới, đột ngột vượt qua một điểm tới hạn và khối lượng của chúng quá lớn để ngôi sao có thể tự giữ được mình. Các lớp khí này nhanh chóng bị kéo xuống và tiến về phía lõi của ngôi sao, khởi động quá trình siêu tân tinh.
Tiếp theo là siêu tân tinh loại 1, loại này ít được biết đến hơn và nó còn được chi nhỏ thành các loại 1a, 1b, 1c. Các nhà thiên văn học khá thoải mái khi nói đến cơ chế của siêu tân tinh loại 1a, được cho là xảy ra trong hệ sao đôi với ít nhất một sao lùn trắng, chúng ta sẽ lấy nó để đại diện cho các siêu tân tinh loại 1.
Khi một sao lùn trắng cùng quay quanh một ngôi sao đồng hành của nó, nó sẽ hút đều vật chất ra khỏi nó vào một đĩa bồi tụ xung quanh chính nó. Có một giới hạn trên của khối lượng, được gọi là giới hạn Chandrasekhar, theo đó sao lùn trắng có thể tích tụ vật chất mà không mất đi sự ổn định (sao lùn trắng bằng khoảng 1,44 lần khối lượng Mặt trời). Đối với trường hợp của siêu tân tinh loại 1a, một ngôi sao lùn trắng tích tụ vật chất từ người bạn đồng hành của nó đẩy nó vượt qua giới hạn khối lượng này và nó không còn có thể hỗ trợ khối lượng của chính nó nữa.
Khác với tân tinh - trong đó sao lùn trắng tích tụ một lượng vật chất khiêm tốn hơn dưới giới hạn này và tạo ra một vụ nổ năng lượng tương đối nhẹ từ khối lượng bổ sung nhưng về mặt khác vẫn nguyên vẹn - thì trong siêu tân tinh loại 1a, sao lùn trắng mất ổn định theo kiểu nổ và tự phá hủy trong quá trình này.
Còn siêu tân tinh loại 1b và 1c khá giống với siêu tân tinh loại 2 ở chỗ chúng cùng có một chức năng sụp đổ lõi sau khi các ngôi sao cạn kiệt nhiên liệu để duy trì phản ứng nhiệt hạch trong lõi của chúng. Sự khác biệt thực sự duy nhất trong trường hợp này là về mặt học thuật. Các siêu tân tinh loại 1b và 1c xảy ra trong sự kiện sụp đổ lõi của một ngôi sao, làm bong ra lớp hydro ngoài cùng của chúng, và một phần đáng kể của lớp heli bên dưới.
Sao Eta Carinae, ngôi sao lớn nhất trong hệ sao đôi cách chúng ta 7.500 năm ánh sáng đang sắp biến thành siêu tân tinh
Khối lượng của một ngôi sao đóng vai trò lớn quyết định việc nó sẽ đi đến siêu tân tinh vào cuối vòng đời của nó. Nhìn chúng, các ngôi sao nặng hơn khoảng 8 lần khối lượng Mặt Trời là ứng cử viên cho các siêu tân tinh, mặc dù ngay cả với khối lượng khổng lồ này, tùy theo hoàn cảnh cụ thể mà nó có thể làm rung chuyển mọi thứ theo cách này hay cách khác.
Chẳng hạn vào năm 2008, một ngôi sao có khối lượng bằng 25 lần Mặt Trời đã cạn kiệt nhiên liệu và lẽ ra phải tiến đến sự kiện siêu tân tinh cuối cùng của nó, nhưng thay vào đó, nó đã bay khỏi "sân khấu" thiên hà và các hoạt động của nó không thể ghi lại được, theo dự đoán của các nhà thiên văn thì có thể nó đã sụp đổ trực tiếp vào một lỗ đen.
Những mô phỏng trên máy tính trước đây cũng đã cho các nhà nghiên cứu thấy rằng những ngôi sao mà họ cho là phải nổ tung thì lại không xảy ra, và vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng tại sao một số ngôi sao có khối lượng bằng 8 đến 30 lần Mặt Trời thì lại phát nổ trong siêu tân tinh và những ngôi sao khác dường như lại tan thành mây khói.
Một cuộc điều tra sâu hơn chỉ ra rằng phạm vi từ 8 đến 17 lần khối lượng Mặt trời là có nhiều khả năng sụp đổ thành một siêu tân tinh, còn các ngôi sao gấp 17 đến 30 lần khối lượng Mặt trời thường đi theo con đường cuối đời ít hào nhoáng hơn. Nhưng thực tế có vẻ phức tạp hơn nhiều.
Hố đen siêu lớn ở trung tâm của thiên hà M87, được chụp ảnh vào năm 2019
Các ngôi sao có khối lượng từ 30 đến 100 lần khối lượng Mặt Trời đơn giản là quá lớn để có thể duy trì khối lượng của chính chúng trong sự kiện sụp đổ lõi và do đó sẽ tiếp tục sụp đổ vào phía trong theo mật độ vô hạn, tạo ra một điểm kỳ dị.
Bán kính Schwarzschild được sử dụng để xác định vị trí của chân trời sự kiện mới xung quanh điểm kỳ dị này, và một lỗ đen sau đó được tạo ra. Tuy nhiên, những gì xảy ra trong khoảng từ 17 đến 30 lần khối lượng Mặt Trời thì phức tạp hơn, và có rất nhiều cuộc tranh luận học thuật về cách các ngôi sao có kích thước này trở thành siêu tân tinh, hay một số ngôi sao khác lại không tạo ra siêu tân tinh. Có những bằng chứng chắc chắn rằng ít nhất một số ngôi sao trong phạm vi này sụp đổ trực tiếp thành các lỗ đen sao và bỏ qua hoàn toàn phần siêu tân tinh.
Hơn nữa một lỗ đen không nhất thiết phải được tạo ra ngay lập tức khi sao sụp đổ. Nhiều khi có thể có những vụ phun trào siêu tân tinh sẽ đẩy một khối lượng lớn vật chất sao ra ngoài không gian, tùy nhiên, nó không đủ lực để đẩy nó ra ngoài ảnh hưởng hấp dẫn của lõi sao còn lại (thường là sao neutron).
Điều gì thực sự đã xảy ra bên trong một ngôi sao chỉ trong 1 vài giây ngắn ngủi để một ngôi sao phát nổ trong một siêu tân tinh. Cơ học thực tế vẫn đang tranh luận, nhưng đối với trường hợp của siêu tân tinh loại 1, việc lõi thiếu nhiệt hạch sinh ra năng lượng có nghĩa là bản thân lõi không còn có thể tự giữ được nữa, ít hơn nhiều so với vật chất sao ở các lớp bên ngoài.
Một khi điều này xảy ra, lõi ngôi sao sẽ trải qua sự sụp đổ thậm chí còn nhanh hơn so với sự sụp đổ của các lớp bên ngoài. Nếu lỗi nhỏ hơn khoảng 3 lần so với khối lượng mặt trời, thì sự sụp đổ tạo ra áp suất lớn đến mức khiến vật liệu lõi lao vào bên trong sẽ vượt qua các lực lượng tử giữ các electron trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử và chỉ đơn giản là đập các electron vào proton, hợp nhất cả hai thành một neutron. Quá trình này xảy ra trong toàn bộ lõi của một ngôi sao cho đến khi tất cả những gì còn lại là một quả cầu neutron dày đặc được kết chặt với nhau, quả cầu này chỉ có chiều ngang khoảng 20 km với khối lượng tương đương với một số Mặt trời.
Tuy nhiên đến đây, siêu tân tinh cũng mới chỉ hoàn thành một nửa chặng đường. Vẫn còn những vật chất sao chạy về phía lõi với tốc độ hàng trăm km một giây. Những vật chất đang sợ này đều là tập hợp dày đặc các hạt, vì vậy phần lớn khối lượng của ngôi sao khổng lồ này sẽ dội lại một cách dữ dội mạnh mẽ như một quả bóng vợt bật ra khỏi bức tường bê tông.
Sự bật lại từ ngôi sao neutron bên trong chính là nguyên nhân tạo ra tiếng nổ khổng lồ của siêu tân tinh. Năng lượng được giải phóng trong quá trình này - có thể chỉ mất vài giây từ đầu đến cuối - lớn hơn tất cả năng lượng mà Mặt trời sẽ tạo ra trong khoảng thời gian 10 tỷ năm. Tuy nhiên, không phải tất cả vật chất bên ngoài của ngôi sao sẽ va vào lõi và bật ra khỏi nó. Rất nhiều trong số đó sẽ bỏ qua phần lõi và bật trở lại không gian bởi năng lượng hấp dẫn đáng kinh ngạc được tạo ra bởi sự sụp đổ của nó đối với lõi.
Giữa các hiệu ứng dội lại và sức bắn của vật chất ra ngoài, sẽ có một sóng xung kích cực lớn phun ra từ trung tâm của ngôi sao đã chết thổi bay các lớp bên ngoài vào không gian với tốc độ đáng kinh ngạc. Điều này kết hợp với việc giải phóng bức xạ từ vật liệu dội lại từ sao neutron, là vụ nổ siêu tân tinh loại thực tế mà chúng ta có thể được chứng kiến.
Neutrino là những hạt gần như không khối lượng, rất hiếm khi tương tác với vật chất thông thường, tuy nhiên, sự phá vỡ lõi của một ngôi sao đặc biệt đến mực neutrino có thể được tạo ra với số lượng lớn đến mức chúng thực sự có tác dụng duy trì sóng xung kích nổ đẩy các lớp bên ngoài của một ngôi sao đang sụp đổ vào không gian, tạo điều kiện cho tàn dư siêu tân tinh lan rộng thoát khỏi lực hấp dẫn của sao neutron.
Điều này mặc dù chưa được chứng minh theo cách thuyết phục nhất, nhưng các thành phần hóa học của một số tàn tích siêu tân tinh quan sát được sắp xếp rất gọn gàng với mô hình hướng neutrino. Các bong bóng cô đặc của titan và crom trong tàn tích siêu tân tinh giàu sắt sẽ được tạo ra bởi các túi lớn neutrino bị mắc kẹt tạo ra các chùm vật liệu entropy cao.
Các nhà nghiên cứu thiên văn cũng đã xác định chính xác các loại "bong bóng" titan và crom này trong một số tàn tích của siêu tân tinh, cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng neutrino đóng một số vai trò trong việc duy trì sóng xung kích cần thiết cho ít nhất một số vụ nổ siêu tân tinh loại 2.
Còn về các vụ nổ, quá trình này cũng khiến chính các lõi ngôi sao bị tổn thương. Áp suất được đặt lên ngôi sao neutron ở trung tâm của vụ nổ không được phân bố một cách nhất quán. Với những áp lực liên quan, sự mất cân bằng này có thể là rất lớn khiến cho một lõi neutron thực sự có thể bị bắn ra khỏi siêu tân tinh như thể một viên đạn được bắn ra từ một khẩu súng. Tốc độ của nó có thể đạt hàng triệu km một giờ, tốc độ này đủ nhanh bất chấp quỹ đạo của nó, có khả năng bắn lõi sao ra khỏi thiên hà.
Vẫn còn rất nhiều điều gây ngạc nhiên khi nói đến một vụ sụp đổ lõi trong một siêu tân tinh. Ghi lại hình ảnh một siêu tân tinh thực sự từ đầu đến cuối là một điều rất khó thực hiện và chỉ đến năm 2020, các nhà thiên văn học mới có thể theo dõi toàn bộ quá trình siêu tân tinh sụp đổ lõi diễn ra trong thời gian thực. Nó thậm chí còn kinh khủng hơn dự đoán từ các nhà nghiên cứu.
Raffaella Margutti , phó giáo sư thiên văn học tại Đại học UC Berkeley, tác giả chính của bài báo năm 2022 mô tả sự kiện này cho biết: “Nó giống như việc bạn đang xem một quả bom hẹn giờ tích tắc , nơi mà chúng ta thấy nó tạo ra một bức xạ sáng như vậy, sau đó sụp đổ và bốc cháy."
Siêu sao khổng lồ đỏ có cái chết dẫn đến siêu tân tinh SN 2020tlf có khối lượng bằng 10 lần khối lượng Mặt trời, đồng thời phun trào với khí thải sáng và những vụ nổ khí dữ dội dọc theo bề mặt của nó ngay trước khi nó sụp đổ. Những quan sát mới này làm sâu sắc thêm những bí ẩn về các loại thay đổi cấu trúc diễn ra bên dưới bề mặt của ngôi sao sắp chết.
Wynn Jacobson-Galán, Nghiên cứu sinh sau đại học của NSF tại UC Berkeley, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Tôi vui mừng nhất bởi tất cả những 'ẩn số' mới đã được mở ra bởi khám phá này. Việc phát hiện thêm các sự kiện như SN 2020tlf sẽ tác động đáng kể đến cách chúng ta xác định những giai đoạn cuối cùng của quá trình tiến hóa sao, hợp nhất các nhà quan sát và nhà lý thuyết trong nhiệm vụ giải mã bí ẩn về cách các ngôi sao lớn trải qua những giây phút cuối cùng của cuộc đời chúng.”
Còn về siêu tân tinh loại 1, các nhà thiên văn học vẫn chưa chắc chắn về những gì thực sự gây ra vụ nổ lớn trong các loại siêu tân tinh này. Tuy nhiên, người ta cũng nghi ngờ rằng khi sao lùn trắng vượt qua ngưỡng bằng 1,44 lần khối lượng mặt trời, phản ứng tổng hợp hạt nhân thực sự bốc cháy trở lại trong lõi và sao lùn trắng bắt đầu hợp nhất cacbon và oxy thành các nguyên tố nặng hơn.
Năng lượng được tạo ra bởi quá trình này có thể kích hoạt một phản ứng tổng hợp hạt nhân có hiệu quả biến toàn bộ khối lượng của sao lùn trắng thành một quả bom nhiệt hạch, sau đó sẽ tự nổ tung trong một siêu tân tinh. Tương tự, sự hợp nhất của hai sao lùn trắng có khối lượng tổng hợp vượt quá giới hạn 1,44 khối lượng mặt trời cũng có thể tạo ra một siêu tân tinh như vậy.
Mặt trời của chúng ta được dự định sẽ phình to thành một sao khổng lồ đỏ trong khoảng 4-5 tỷ năm tới trước khi lột bỏ các lớp bên ngoài của nó
Một số ai đó quan tâm đến vũ trụ và thiên văn có thể hy vọng nhìn thấy Mặt trời của chúng ta phát nổ tương tự vào cuối cuộc đời của nó. Nhưng không may, điều đó sẽ không xảy ra vì khối lượng của nó chưa đủ để tạo ra siêu tân tinh. Còn những ngôi sao thuộc dãy chính có khối lượng nhỏ dưới 8 lần khối lượng mặt trời cuối cùng sẽ phình to thành các sao khổng lồ đỏ. Khi những những "người khổng " này cạn kiệt nhiên liệu heli, chúng không phát nổ dữ dội mà thay vào đó, chúng lặng lẽ phóng lớp bên ngoài ra ngoài không gian và để lại phần lõi bên trong, có màu sáng và nhiệt độ cực cao, gọi là một ngôi sao lùn trắng.
Các lớp bên ngoài sau đó trải rộng thành cái mà chúng ta gọi là tinh vân hành tinh với sao lùn trắng ở trung tâm của nó. Chính quá trình này đã tạo ra một số tinh vân nổi tiếng nhất trong vũ trụ. Vậy số phận mặt trời sẽ như thế nào khi nó cạn kiệt nhiên liệu trong vài tỷ năm tới? Có thể nó không phải là một kết thúc bùng nổ, nhưng sẽ vẫn rất "ngoạn mục" theo cách riêng của nó.
Tàn dư siêu tân tinh tinh vân Veil
Những siêu tân tinh đều rất sáng và tràn đầy năng lượng cho nên chúng ta dễ dàng quan sát được nó, và thực tế chúng ta đã quan sát được rất nhiều siêu tân tinh trong quá khứ và các nhà thiên văn học qua nhiều thế kỷ còn lưu giữ những hồ sơ khá tốt về các quan sát của họ.
Một trong những ngôi sao nổi tiếng nhất là "Guest Star" được các nhà thiên văn Trung Quốc và Nhật Bản quan sát vào năm 1181 CN, nó sáng như sao Thổ và vẫn có thể nhìn thấy trên bầu trời đêm trong vài tháng trước khi biến mất dần. Trong số tất cả các siêu tân tinh được ghi lại trong 1.000 năm qua, chỉ có "Guest Star" Trung Quốc vẫn chưa được các nhà thiên văn xác định, một bí ẩn kéo dài khoảng 900 năm.
Chúng ta có thể xếp nó vào siêu tân tinh loại 1ax (loại phụ của 1a) liên quan đến Sao Parker, nhờ vào hồ sơ thiên văn chi tiết do các nhà thiên văn Trung Quốc lưu giữ. Bằng cách quan sát vị trí của "Guest Star" trên bầu trời đêm, các nhà thiên văn học đã có thể tìm đến tinh vân Pa30, tinh vân được cho là kết quả của một siêu tân tinh được tạo ra bởi sự hợp nhất của hai ngôi sao lùn trắng trong một hệ đôi.
Một siêu tân tinh rất quan trọng khác được biết đến là Tycho (được đặt theo tên nhà thiên văn học người Đan Mạch Tycho Brahe). Vào năm 1572, ông đã quan sát thấy sự xuất hiện của một vật thể mới sáng trong chòm sao Cassiopeia. Không giống như các vật thể khác như sao chổi có thể đột ngột xuất hiện trước khi biến mất vài tuần sau đó, Tycho đã có thể chứng minh rằng "ngôi sao mới" này cách mặt Mặt trăng rất xa như nhiều ngôi sao khác trên bầu trời đêm.
Điều này cho thấy rằng, thay vì một cấu trúc cố định tĩnh của các ngôi sao được Thiên Chúa đặt vào ban đầu, các ngôi sao thực sự có thể thay đổi. Điều này có thể khiến nhiều người theo chủ nghĩa truyền thống khó chịu, nhưng siêu tân tinh của Tycho là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của Cách mạng Khoa học sơ khai ở châu Âu.
Gần đây, một hiện tượng được gọi là "tiếng vọng ánh sáng " - nơi ánh sáng bật ra khỏi bụi và các vật chất không gian khác và bị phản xạ trở lại theo cách tương tự như sóng âm thanh dội ra từ các bức tường - đã được quan sát thấy trong tàn tích của siêu tân tinh Tycho. Các nhà nhà thiên văn học đã có thể xác định rằng ánh sáng phản xạ này thực sự là ánh sáng được tạo ra bởi chính siêu tân tinh mà Tycho đã quan sát được vào năm 1572.
Nhà thiên văn học Nicholas Suntzeff của Texas A&M cho biết "Tôi nghĩ thật tuyệt khi tôi có thể nhìn lên bầu trời và vẫn nhìn thấy ánh sáng giống như những gì Tycho đã làm, vào thời điểm phát hiện mang tính cách mạng thực sự của ông ấy. Aristotle từng tin rằng Trái đất là trung tâm của Vũ trụ, và vạn vật biến thiên nằm giữa Trái đất và Mặt trăng. Siêu tân tinh này đã chứng minh lý thuyết đó sai và nhanh chóng dẫn đến một tự do tư tưởng trong khoa học, vốn là trọng tâm của cách thức vận hành của khoa học ngày nay."
Theo một cách nào đó, một siêu ân tinh đã giúp khởi động cuộc Cách mạng Khoa học đầu tiên trong thời Trung cổ ở Châu Âu. Quá nhiều thứ chúng ta đã quan sát được ở trong vũ trụ bao la này, từ những tinh cầu khổng lồ giàu nguyên tố nặng đến cấu trúc vật chất của Dải Ngân hà. Và tất cả các nguyên tố nặng trong cơ thể chúng ta, như carbon, canxi và sắt, đều được rèn trong lò của một ngôi sao khổng lồ đỏ nào đó đã phát nổ ở đâu đó trong vũ trụ hàng tỷ năm trước. Toàn bộ hệ mặt trời của chúng ta có thể sẽ không tồn tại nếu không có sự thúc đẩy hữu ích từ một siêu tân tinh gần đó và bất kỳ nguyên tố nào lớn hơn helium đều có thể tự quay trở lại một siêu tân tinh vào một thời điểm nào đó.
Siêu tân tinh - thực sự là một sợi chỉ nối thời đại của vũ trụ với một thời đại tiếp theo, một quá trình quan trọng trong sự sống của vũ trụ vừa ngoạn mục vừa đáng kinh ngạc. Và con người sẽ không ngừng bị chúng mê hoặc.
Nguồn interestingengineering
Tuy nhiên, điều gì đã tạo ra sự kết thúc khốc liệt như vậy đối với cuộc đời của một ngôi sao và một siêu tân tinh có phải là số phận của mọi ngôi sao? Và liệu một siêu tân tinh có thể tạo ra một lỗ đen trong vũ trụ? Còn mặt trời của chúng ta thì sao, có phải nó cũng được định sẵn số phận cho một cuộc “tan biến” ngoạn mục sau vài tỷ năm nữa? Hãy cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.
Siêu tân tinh là gì?
Siêu tân tinh là một giai đoạn quan trọng trong quá trình "hấp hối" của một số ngôi sao. Nó vừa chỉ một vật thể, vừa là một quá trình. Có hai loại siêu tân tinh lớn, mỗi loại là sản phẩm của một quá trình và điều kiện khác nhau. Hãy nói về siêu tân tinh loại 2 trước. Đây là siêu tân tinh mà hầu hết chúng ta đều nghĩ đến. Một vụ nổ kinh điển của một ngôi sao "sắp chết" được gây sẽ bởi hiện tượng "sụp đổ lõi". Có một số giai đoạn mà hầu hết các ngôi sao đều phải đi qua trong suốt cuộc đời của chúng, và liên quan đến các siêu tân tinh. Chúng ta đang nói đến những ngôi sao trong dãy chính như Mặt trời mà chúng ta vẫn nhìn thấy.Những ngôi sao này nằm dưới tầng của dãy chính, chẳng hạn như sao lùn đỏ, nó có thể đốt cháy đều đặn nguồn nhiên liệu hydro giới hạn một cách thận trọng trong hàng nghìn tỷ năm trong khi những ngôi sao lớn hơn như Mặt trời của chúng ta tự cháy sau vài tỷ năm hoặc ít hơn. Chính ở giai đoạn cuối của vòng đời của một ngôi sao trong dãy chính mà một siêu tân tinh có thể trở thành hiện thực. Mặc dù không phải mọi ngôi sao trong dãy chính đều sẽ chuyển sang giai đoạn siêu tân tinh, nhưng những ngôi sao đó trước tiên sẽ trải qua giai đoạn "khổng lồ" sau khi chúng cạn kiệt nguồn dự trữ hydro và thay vào đó bắt đầu hợp nhất heli và các nguyên tố nặng hơn như oxy, silicon và carbon chứ không phải hydro. Sự hợp nhất có giới hạn của các nguyên tố nặng hơn này cũng diễn ra ở các ngôi sao trẻ, nhưng không tính đến các phản ứng tổng hợp chính của chúng.
Những phản ứng hạt nhân này sẽ duy trì sự tồn tại của một ngôi sao trong vài tỷ năm nữa sau khi nó chuyển sang giai đoạn khổng lồ của nó. Những cuối cùng, quá tình nhiệt hạch diễn ra đến thời điểm nó bắt đầu hợp nhất các nguyên tố nhỏ hơn thành sắt hoặc thậm chí là các nguyên tố nặng hơn như vàng. Một khi bắt đầu hợp nhất các nguyên tử thành sắt, quá trình này thực sự "ngốn" rất nhiều năng lượng thay vì tạo ra nó. Vì vậy khi một ngôi sao bắt đầu phát triển một lõi sắt nặng, những công đoạn cuối cùng của nó sẽ có tốc độ ngày càng nhanh khi phản ứng tổng hợp kim loại nặng hút bất cứ năng lượng nào đang được tạo ra ở nơi khác.
Điều này sẽ trở thành một vấn đề lớn đối với ngôi sao vì nó không giống như sự mất đi khối lượng nào trong hàng tỷ năm trước đó. Các lớp khí và plasma nặng bên ngoài của nó, trước đây được giữ ở trên cao bởi năng lượng tạo ra từ các phản ứng nhiệt hạch bên dưới, đột ngột vượt qua một điểm tới hạn và khối lượng của chúng quá lớn để ngôi sao có thể tự giữ được mình. Các lớp khí này nhanh chóng bị kéo xuống và tiến về phía lõi của ngôi sao, khởi động quá trình siêu tân tinh.
Tiếp theo là siêu tân tinh loại 1, loại này ít được biết đến hơn và nó còn được chi nhỏ thành các loại 1a, 1b, 1c. Các nhà thiên văn học khá thoải mái khi nói đến cơ chế của siêu tân tinh loại 1a, được cho là xảy ra trong hệ sao đôi với ít nhất một sao lùn trắng, chúng ta sẽ lấy nó để đại diện cho các siêu tân tinh loại 1.
Khi một sao lùn trắng cùng quay quanh một ngôi sao đồng hành của nó, nó sẽ hút đều vật chất ra khỏi nó vào một đĩa bồi tụ xung quanh chính nó. Có một giới hạn trên của khối lượng, được gọi là giới hạn Chandrasekhar, theo đó sao lùn trắng có thể tích tụ vật chất mà không mất đi sự ổn định (sao lùn trắng bằng khoảng 1,44 lần khối lượng Mặt trời). Đối với trường hợp của siêu tân tinh loại 1a, một ngôi sao lùn trắng tích tụ vật chất từ người bạn đồng hành của nó đẩy nó vượt qua giới hạn khối lượng này và nó không còn có thể hỗ trợ khối lượng của chính nó nữa.
Khác với tân tinh - trong đó sao lùn trắng tích tụ một lượng vật chất khiêm tốn hơn dưới giới hạn này và tạo ra một vụ nổ năng lượng tương đối nhẹ từ khối lượng bổ sung nhưng về mặt khác vẫn nguyên vẹn - thì trong siêu tân tinh loại 1a, sao lùn trắng mất ổn định theo kiểu nổ và tự phá hủy trong quá trình này.
Còn siêu tân tinh loại 1b và 1c khá giống với siêu tân tinh loại 2 ở chỗ chúng cùng có một chức năng sụp đổ lõi sau khi các ngôi sao cạn kiệt nhiên liệu để duy trì phản ứng nhiệt hạch trong lõi của chúng. Sự khác biệt thực sự duy nhất trong trường hợp này là về mặt học thuật. Các siêu tân tinh loại 1b và 1c xảy ra trong sự kiện sụp đổ lõi của một ngôi sao, làm bong ra lớp hydro ngoài cùng của chúng, và một phần đáng kể của lớp heli bên dưới.
Những ngôi sao nào từng trải qua giai đoạn siêu tân tinh?
Khối lượng của một ngôi sao đóng vai trò lớn quyết định việc nó sẽ đi đến siêu tân tinh vào cuối vòng đời của nó. Nhìn chúng, các ngôi sao nặng hơn khoảng 8 lần khối lượng Mặt Trời là ứng cử viên cho các siêu tân tinh, mặc dù ngay cả với khối lượng khổng lồ này, tùy theo hoàn cảnh cụ thể mà nó có thể làm rung chuyển mọi thứ theo cách này hay cách khác.
Chẳng hạn vào năm 2008, một ngôi sao có khối lượng bằng 25 lần Mặt Trời đã cạn kiệt nhiên liệu và lẽ ra phải tiến đến sự kiện siêu tân tinh cuối cùng của nó, nhưng thay vào đó, nó đã bay khỏi "sân khấu" thiên hà và các hoạt động của nó không thể ghi lại được, theo dự đoán của các nhà thiên văn thì có thể nó đã sụp đổ trực tiếp vào một lỗ đen.
Những mô phỏng trên máy tính trước đây cũng đã cho các nhà nghiên cứu thấy rằng những ngôi sao mà họ cho là phải nổ tung thì lại không xảy ra, và vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng tại sao một số ngôi sao có khối lượng bằng 8 đến 30 lần Mặt Trời thì lại phát nổ trong siêu tân tinh và những ngôi sao khác dường như lại tan thành mây khói.
Một cuộc điều tra sâu hơn chỉ ra rằng phạm vi từ 8 đến 17 lần khối lượng Mặt trời là có nhiều khả năng sụp đổ thành một siêu tân tinh, còn các ngôi sao gấp 17 đến 30 lần khối lượng Mặt trời thường đi theo con đường cuối đời ít hào nhoáng hơn. Nhưng thực tế có vẻ phức tạp hơn nhiều.
Liệu một siêu tân tinh có thể tạo ra một lỗ đen?
Các ngôi sao có khối lượng từ 30 đến 100 lần khối lượng Mặt Trời đơn giản là quá lớn để có thể duy trì khối lượng của chính chúng trong sự kiện sụp đổ lõi và do đó sẽ tiếp tục sụp đổ vào phía trong theo mật độ vô hạn, tạo ra một điểm kỳ dị.
Bán kính Schwarzschild được sử dụng để xác định vị trí của chân trời sự kiện mới xung quanh điểm kỳ dị này, và một lỗ đen sau đó được tạo ra. Tuy nhiên, những gì xảy ra trong khoảng từ 17 đến 30 lần khối lượng Mặt Trời thì phức tạp hơn, và có rất nhiều cuộc tranh luận học thuật về cách các ngôi sao có kích thước này trở thành siêu tân tinh, hay một số ngôi sao khác lại không tạo ra siêu tân tinh. Có những bằng chứng chắc chắn rằng ít nhất một số ngôi sao trong phạm vi này sụp đổ trực tiếp thành các lỗ đen sao và bỏ qua hoàn toàn phần siêu tân tinh.
Hơn nữa một lỗ đen không nhất thiết phải được tạo ra ngay lập tức khi sao sụp đổ. Nhiều khi có thể có những vụ phun trào siêu tân tinh sẽ đẩy một khối lượng lớn vật chất sao ra ngoài không gian, tùy nhiên, nó không đủ lực để đẩy nó ra ngoài ảnh hưởng hấp dẫn của lõi sao còn lại (thường là sao neutron).
Điều gì xảy ra trong một siêu tân tinh?
Điều gì thực sự đã xảy ra bên trong một ngôi sao chỉ trong 1 vài giây ngắn ngủi để một ngôi sao phát nổ trong một siêu tân tinh. Cơ học thực tế vẫn đang tranh luận, nhưng đối với trường hợp của siêu tân tinh loại 1, việc lõi thiếu nhiệt hạch sinh ra năng lượng có nghĩa là bản thân lõi không còn có thể tự giữ được nữa, ít hơn nhiều so với vật chất sao ở các lớp bên ngoài.
Một khi điều này xảy ra, lõi ngôi sao sẽ trải qua sự sụp đổ thậm chí còn nhanh hơn so với sự sụp đổ của các lớp bên ngoài. Nếu lỗi nhỏ hơn khoảng 3 lần so với khối lượng mặt trời, thì sự sụp đổ tạo ra áp suất lớn đến mức khiến vật liệu lõi lao vào bên trong sẽ vượt qua các lực lượng tử giữ các electron trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử và chỉ đơn giản là đập các electron vào proton, hợp nhất cả hai thành một neutron. Quá trình này xảy ra trong toàn bộ lõi của một ngôi sao cho đến khi tất cả những gì còn lại là một quả cầu neutron dày đặc được kết chặt với nhau, quả cầu này chỉ có chiều ngang khoảng 20 km với khối lượng tương đương với một số Mặt trời.
Tuy nhiên đến đây, siêu tân tinh cũng mới chỉ hoàn thành một nửa chặng đường. Vẫn còn những vật chất sao chạy về phía lõi với tốc độ hàng trăm km một giây. Những vật chất đang sợ này đều là tập hợp dày đặc các hạt, vì vậy phần lớn khối lượng của ngôi sao khổng lồ này sẽ dội lại một cách dữ dội mạnh mẽ như một quả bóng vợt bật ra khỏi bức tường bê tông.
Sự bật lại từ ngôi sao neutron bên trong chính là nguyên nhân tạo ra tiếng nổ khổng lồ của siêu tân tinh. Năng lượng được giải phóng trong quá trình này - có thể chỉ mất vài giây từ đầu đến cuối - lớn hơn tất cả năng lượng mà Mặt trời sẽ tạo ra trong khoảng thời gian 10 tỷ năm. Tuy nhiên, không phải tất cả vật chất bên ngoài của ngôi sao sẽ va vào lõi và bật ra khỏi nó. Rất nhiều trong số đó sẽ bỏ qua phần lõi và bật trở lại không gian bởi năng lượng hấp dẫn đáng kinh ngạc được tạo ra bởi sự sụp đổ của nó đối với lõi.
Giữa các hiệu ứng dội lại và sức bắn của vật chất ra ngoài, sẽ có một sóng xung kích cực lớn phun ra từ trung tâm của ngôi sao đã chết thổi bay các lớp bên ngoài vào không gian với tốc độ đáng kinh ngạc. Điều này kết hợp với việc giải phóng bức xạ từ vật liệu dội lại từ sao neutron, là vụ nổ siêu tân tinh loại thực tế mà chúng ta có thể được chứng kiến.
Khoa học hiện đại đã có thể tái tạo chi tiết những vụ nổ siêu tân tinh
Các mô hình máy tính hiện nay vẫn chưa có sự nhất quán trong việc tái tạo những vụ nổ kỳ lạ này. Một lý thuyết đang ngày càng được chấp nhận rộng rãi là mô hình điều khiển bằng neutrino cho một siêu tân tinh. Tất cả các ngôi sao đều tạo ra neutrino một cách tự nhiên, nhưng trong sự kiện lõi sụp đổ, bạo lực ở lõi tạo ra rất nhiều neutrino cùng một lúc và bắn chúng đi theo mọi hướng.Neutrino là những hạt gần như không khối lượng, rất hiếm khi tương tác với vật chất thông thường, tuy nhiên, sự phá vỡ lõi của một ngôi sao đặc biệt đến mực neutrino có thể được tạo ra với số lượng lớn đến mức chúng thực sự có tác dụng duy trì sóng xung kích nổ đẩy các lớp bên ngoài của một ngôi sao đang sụp đổ vào không gian, tạo điều kiện cho tàn dư siêu tân tinh lan rộng thoát khỏi lực hấp dẫn của sao neutron.
Điều này mặc dù chưa được chứng minh theo cách thuyết phục nhất, nhưng các thành phần hóa học của một số tàn tích siêu tân tinh quan sát được sắp xếp rất gọn gàng với mô hình hướng neutrino. Các bong bóng cô đặc của titan và crom trong tàn tích siêu tân tinh giàu sắt sẽ được tạo ra bởi các túi lớn neutrino bị mắc kẹt tạo ra các chùm vật liệu entropy cao.
Các nhà nghiên cứu thiên văn cũng đã xác định chính xác các loại "bong bóng" titan và crom này trong một số tàn tích của siêu tân tinh, cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng neutrino đóng một số vai trò trong việc duy trì sóng xung kích cần thiết cho ít nhất một số vụ nổ siêu tân tinh loại 2.
Còn về các vụ nổ, quá trình này cũng khiến chính các lõi ngôi sao bị tổn thương. Áp suất được đặt lên ngôi sao neutron ở trung tâm của vụ nổ không được phân bố một cách nhất quán. Với những áp lực liên quan, sự mất cân bằng này có thể là rất lớn khiến cho một lõi neutron thực sự có thể bị bắn ra khỏi siêu tân tinh như thể một viên đạn được bắn ra từ một khẩu súng. Tốc độ của nó có thể đạt hàng triệu km một giờ, tốc độ này đủ nhanh bất chấp quỹ đạo của nó, có khả năng bắn lõi sao ra khỏi thiên hà.
Vẫn còn rất nhiều điều gây ngạc nhiên khi nói đến một vụ sụp đổ lõi trong một siêu tân tinh. Ghi lại hình ảnh một siêu tân tinh thực sự từ đầu đến cuối là một điều rất khó thực hiện và chỉ đến năm 2020, các nhà thiên văn học mới có thể theo dõi toàn bộ quá trình siêu tân tinh sụp đổ lõi diễn ra trong thời gian thực. Nó thậm chí còn kinh khủng hơn dự đoán từ các nhà nghiên cứu.
Raffaella Margutti , phó giáo sư thiên văn học tại Đại học UC Berkeley, tác giả chính của bài báo năm 2022 mô tả sự kiện này cho biết: “Nó giống như việc bạn đang xem một quả bom hẹn giờ tích tắc , nơi mà chúng ta thấy nó tạo ra một bức xạ sáng như vậy, sau đó sụp đổ và bốc cháy."
Siêu sao khổng lồ đỏ có cái chết dẫn đến siêu tân tinh SN 2020tlf có khối lượng bằng 10 lần khối lượng Mặt trời, đồng thời phun trào với khí thải sáng và những vụ nổ khí dữ dội dọc theo bề mặt của nó ngay trước khi nó sụp đổ. Những quan sát mới này làm sâu sắc thêm những bí ẩn về các loại thay đổi cấu trúc diễn ra bên dưới bề mặt của ngôi sao sắp chết.
Wynn Jacobson-Galán, Nghiên cứu sinh sau đại học của NSF tại UC Berkeley, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Tôi vui mừng nhất bởi tất cả những 'ẩn số' mới đã được mở ra bởi khám phá này. Việc phát hiện thêm các sự kiện như SN 2020tlf sẽ tác động đáng kể đến cách chúng ta xác định những giai đoạn cuối cùng của quá trình tiến hóa sao, hợp nhất các nhà quan sát và nhà lý thuyết trong nhiệm vụ giải mã bí ẩn về cách các ngôi sao lớn trải qua những giây phút cuối cùng của cuộc đời chúng.”
Còn về siêu tân tinh loại 1, các nhà thiên văn học vẫn chưa chắc chắn về những gì thực sự gây ra vụ nổ lớn trong các loại siêu tân tinh này. Tuy nhiên, người ta cũng nghi ngờ rằng khi sao lùn trắng vượt qua ngưỡng bằng 1,44 lần khối lượng mặt trời, phản ứng tổng hợp hạt nhân thực sự bốc cháy trở lại trong lõi và sao lùn trắng bắt đầu hợp nhất cacbon và oxy thành các nguyên tố nặng hơn.
Năng lượng được tạo ra bởi quá trình này có thể kích hoạt một phản ứng tổng hợp hạt nhân có hiệu quả biến toàn bộ khối lượng của sao lùn trắng thành một quả bom nhiệt hạch, sau đó sẽ tự nổ tung trong một siêu tân tinh. Tương tự, sự hợp nhất của hai sao lùn trắng có khối lượng tổng hợp vượt quá giới hạn 1,44 khối lượng mặt trời cũng có thể tạo ra một siêu tân tinh như vậy.
Liệu Mặt trời của chúng ta sẽ trở thành siêu tân tinh khi nó chết đi?
Một số ai đó quan tâm đến vũ trụ và thiên văn có thể hy vọng nhìn thấy Mặt trời của chúng ta phát nổ tương tự vào cuối cuộc đời của nó. Nhưng không may, điều đó sẽ không xảy ra vì khối lượng của nó chưa đủ để tạo ra siêu tân tinh. Còn những ngôi sao thuộc dãy chính có khối lượng nhỏ dưới 8 lần khối lượng mặt trời cuối cùng sẽ phình to thành các sao khổng lồ đỏ. Khi những những "người khổng " này cạn kiệt nhiên liệu heli, chúng không phát nổ dữ dội mà thay vào đó, chúng lặng lẽ phóng lớp bên ngoài ra ngoài không gian và để lại phần lõi bên trong, có màu sáng và nhiệt độ cực cao, gọi là một ngôi sao lùn trắng.
Các lớp bên ngoài sau đó trải rộng thành cái mà chúng ta gọi là tinh vân hành tinh với sao lùn trắng ở trung tâm của nó. Chính quá trình này đã tạo ra một số tinh vân nổi tiếng nhất trong vũ trụ. Vậy số phận mặt trời sẽ như thế nào khi nó cạn kiệt nhiên liệu trong vài tỷ năm tới? Có thể nó không phải là một kết thúc bùng nổ, nhưng sẽ vẫn rất "ngoạn mục" theo cách riêng của nó.
Những siêu tân tinh nổi tiếng nhất trong lịch sử
Những siêu tân tinh đều rất sáng và tràn đầy năng lượng cho nên chúng ta dễ dàng quan sát được nó, và thực tế chúng ta đã quan sát được rất nhiều siêu tân tinh trong quá khứ và các nhà thiên văn học qua nhiều thế kỷ còn lưu giữ những hồ sơ khá tốt về các quan sát của họ.
Một trong những ngôi sao nổi tiếng nhất là "Guest Star" được các nhà thiên văn Trung Quốc và Nhật Bản quan sát vào năm 1181 CN, nó sáng như sao Thổ và vẫn có thể nhìn thấy trên bầu trời đêm trong vài tháng trước khi biến mất dần. Trong số tất cả các siêu tân tinh được ghi lại trong 1.000 năm qua, chỉ có "Guest Star" Trung Quốc vẫn chưa được các nhà thiên văn xác định, một bí ẩn kéo dài khoảng 900 năm.
Chúng ta có thể xếp nó vào siêu tân tinh loại 1ax (loại phụ của 1a) liên quan đến Sao Parker, nhờ vào hồ sơ thiên văn chi tiết do các nhà thiên văn Trung Quốc lưu giữ. Bằng cách quan sát vị trí của "Guest Star" trên bầu trời đêm, các nhà thiên văn học đã có thể tìm đến tinh vân Pa30, tinh vân được cho là kết quả của một siêu tân tinh được tạo ra bởi sự hợp nhất của hai ngôi sao lùn trắng trong một hệ đôi.
Một siêu tân tinh rất quan trọng khác được biết đến là Tycho (được đặt theo tên nhà thiên văn học người Đan Mạch Tycho Brahe). Vào năm 1572, ông đã quan sát thấy sự xuất hiện của một vật thể mới sáng trong chòm sao Cassiopeia. Không giống như các vật thể khác như sao chổi có thể đột ngột xuất hiện trước khi biến mất vài tuần sau đó, Tycho đã có thể chứng minh rằng "ngôi sao mới" này cách mặt Mặt trăng rất xa như nhiều ngôi sao khác trên bầu trời đêm.
Điều này cho thấy rằng, thay vì một cấu trúc cố định tĩnh của các ngôi sao được Thiên Chúa đặt vào ban đầu, các ngôi sao thực sự có thể thay đổi. Điều này có thể khiến nhiều người theo chủ nghĩa truyền thống khó chịu, nhưng siêu tân tinh của Tycho là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của Cách mạng Khoa học sơ khai ở châu Âu.
Gần đây, một hiện tượng được gọi là "tiếng vọng ánh sáng " - nơi ánh sáng bật ra khỏi bụi và các vật chất không gian khác và bị phản xạ trở lại theo cách tương tự như sóng âm thanh dội ra từ các bức tường - đã được quan sát thấy trong tàn tích của siêu tân tinh Tycho. Các nhà nhà thiên văn học đã có thể xác định rằng ánh sáng phản xạ này thực sự là ánh sáng được tạo ra bởi chính siêu tân tinh mà Tycho đã quan sát được vào năm 1572.
Nhà thiên văn học Nicholas Suntzeff của Texas A&M cho biết "Tôi nghĩ thật tuyệt khi tôi có thể nhìn lên bầu trời và vẫn nhìn thấy ánh sáng giống như những gì Tycho đã làm, vào thời điểm phát hiện mang tính cách mạng thực sự của ông ấy. Aristotle từng tin rằng Trái đất là trung tâm của Vũ trụ, và vạn vật biến thiên nằm giữa Trái đất và Mặt trăng. Siêu tân tinh này đã chứng minh lý thuyết đó sai và nhanh chóng dẫn đến một tự do tư tưởng trong khoa học, vốn là trọng tâm của cách thức vận hành của khoa học ngày nay."
Theo một cách nào đó, một siêu ân tinh đã giúp khởi động cuộc Cách mạng Khoa học đầu tiên trong thời Trung cổ ở Châu Âu. Quá nhiều thứ chúng ta đã quan sát được ở trong vũ trụ bao la này, từ những tinh cầu khổng lồ giàu nguyên tố nặng đến cấu trúc vật chất của Dải Ngân hà. Và tất cả các nguyên tố nặng trong cơ thể chúng ta, như carbon, canxi và sắt, đều được rèn trong lò của một ngôi sao khổng lồ đỏ nào đó đã phát nổ ở đâu đó trong vũ trụ hàng tỷ năm trước. Toàn bộ hệ mặt trời của chúng ta có thể sẽ không tồn tại nếu không có sự thúc đẩy hữu ích từ một siêu tân tinh gần đó và bất kỳ nguyên tố nào lớn hơn helium đều có thể tự quay trở lại một siêu tân tinh vào một thời điểm nào đó.
Siêu tân tinh - thực sự là một sợi chỉ nối thời đại của vũ trụ với một thời đại tiếp theo, một quá trình quan trọng trong sự sống của vũ trụ vừa ngoạn mục vừa đáng kinh ngạc. Và con người sẽ không ngừng bị chúng mê hoặc.
Nguồn interestingengineering
