Vụ nổ siêu sao mới kỳ lạ thách thức hiểu biết của chúng ta về những ngôi sao chết

Sự xuất hiện của một vụ nổ siêu sao mới kéo dài nhiều năm đang thách thức hiểu biết của chúng ta về nguyên lý hình thành sao và cách thức chúng chết đi. Hiện tại, các nhà khoa học đang làm việc để hiểu được hiện tượng kì lạ này.

Những ngôi sao lớn hơn 8 lần khối lượng Mặt Trời sẽ kết thúc vòng đời của mình bằng một vụ nổ siêu sao mới. Đây là một trong những vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ. Độ sáng của một vụ nổ sao có thể so sánh được với độ sáng của cả một thiên hà. Những vụ nổ siêu sao mới do những ngôi sao nặng tạo ra thường có độ sáng tăng nhanh chóng đạt tới độ sáng đỉnh rồi dần dần mờ dần trong khoảng 100 ngày khi sóng xung kích mất dần năng lượng.

Tuy nhiên, ngược lại với lý thuyết đó, siêu sao mới iPTF14hls lại hành xử rất lạ, nó mờ đi rồi lại bùng sáng theo một chu kì hơn hai năm, theo phát biểu của đài thiên văn Las Cumbres, Goleta, California, nơi đã theo dõi hiện tượng này. Chi tiết của khám phá này được đăng trên tạp chí Nature.

Hình vẽ minh hoạ một ngôi sao nặng kết thúc cuộc đời của nó bằng một vụ nổ siêu sao mới.

Một phát hiện tình cờ

Vụ nổ siêu sao mới iPTF14hls không được chú ý lắm khi nó được phát hiện bởi kính thiên văn ở San Diago vào ngày 22/09/2014. Quang phổ cho thấy nó là một vụ nổ siêu sao mới loại II-P, loại phổ biến nhất mà các nhà thiên văn học thường thấy. Người đứng đầu dự án, Iair Arcavi, một nhà thiên văn học của đại học California, Santa Barbara, đã chia sẻ như vậy với Space.com. Và siêu sao mới có vẻ như đã mờ dần như lý thuyết dự đoán.

Đài thiên văn đang trong giai đoạn giữa của 7,5 năm hợp tác quan sát, nên Arcavi đã chuyển sang các thiên thể quan trọng hơn. Nhưng vào tháng 2 năm 2015, Zheng Chuen Wong, một sinh viên làm việc cho Arcavi trong mùa đông năm đó, nhận thấy rằng thiên thể này đã trở nên sáng hơn trong vòng 5 tháng qua.

"Wong cho tôi xem số liệu, và hỏi rằng liệu như thế này có bình thường không?" Và tôi trả lời rằng: "Hoàn toàn không. Nó rất lạ. Vụ nổ sao siêu mới không diễn ra như vậy", Arcavi nói.

Lúc đầu, Arcavi nghĩ rằng đây là một ngôi sao trong thiên hà chúng ta, trông có vẻ sáng vì nó gần hơn, ông nói. Rất nhiều ngôi sao thuộc loại sao biến quang. Nhưng quang phổ ánh sáng lại cho thấy rằng thiên thể này phải ở một thiên hà nhỏ hình dạng bất quy tắc cách chúng ta 500 triệu năm ánh sáng.

Thiên thể này còn trở nên kì lạ hơn nữa. Sau 100 ngày, nó trông như chỉ mới 30 ngày tuổi. Hai năm sau đó, quang phổ của nó vẫn nhìn như mới chỉ bùng nổ được hơn 60 ngày. Hiện tại, siêu sao mới này vừa ló ra khỏi phía sau Mặt Trời và Arcavi nói rằng độ sáng của nó vẫn gần bằng trước đó 3 năm. Nhưng với độ sáng bằng khoảng 1% của độ sáng đỉnh, thiên thể trông có vẻ như bắt đầu mờ dần đi.

"Hiện tại, chưa có một lý thuyết hay mô hình nào mô tả được hiện tượng mà chúng ta đang quan sát được", Arcavi nói. Siêu sao mới này có thể mờ dần đi, nhưng nó cũng có thể sáng dần lên hoặc bất ngờ vụt tắt.

Một điều mà Arcavi chưa chắc chắn đó là siêu sao mới này có vẻ như cùng vị trí vào năm 1954. Có nghĩa là Arcavi đang quan sát được hiện tượng từ 60 năm trước. Chỉ có xác suất 1% đến 5% cho thấy hai hiện tượng này là khác nhau, nhưng vậy thì càng lạ hơn, bởi vì các nhà khoa học chưa từng quan sát được hai siêu sao mới cùng vị trí trong khoảng cách vài thập kỉ thời gian. "Chúng ta đang trong quá trình tìm ra được một mô hình mới", ông nói.

Vụ nổ siêu sao mới iPTF14hls và biểu đồ vụ nổ siêu sao mới điển hình với độ sáng và vòng đời. Việc độ sáng thay đổi như thế này đã đặt ra thách thức lớn cho các nhà thiên văn học.

Cận kề một khám phá

"Tôi không dám chắc và tôi không biết ai dám chắc về điều này, chuyện quái gì đang xảy ra vậy?", Nhà thiên văn học Stanford Woosley, ở đại học California, Santa Cruz, nói với Space.com. "Và nó đã xảy ra, do đó chúng ta cần phải có lời giải thích thỏa đáng."

Woosley không tham gia nghiên cứu này, nhưng ông là một trong những nhà vật lý lý thuyết đang tìm hiểu về sự kiện này. Theo Woosley, có hai giả thuyết có khả năng giải thích được hiện tượng này.

Thứ nhất là phương trình E=mc2. Với phương trình này, Einstein đã cho thấy mối liên hệ giữa vật chất và năng lượng, và chúng có thể chuyển đổi lẫn nhau. Ngôi sao phát sáng bằng cách chuyển vật chất thành năng lượng, tổng hợp các nguyên tố nặng trong nhân bằng phản ứng nhiệt hạch của hidro và helium và tạo ra năng lượng. Khi một ngôi sao lớn hơn 80 lần Mặt Trời, nhiệt độ sẽ vượt ngưỡng 1 tỉ độ C, lúc đó vật chất và năng lượng là tương đương. Trong lòng các ngôi sao sẽ tạo ra electron và phản hạt của nó positron. Năng lượng mất đi làm cho ngôi sao co lại.

Nhưng như thế, nhiệt độ trong lòng ngôi sao lại tăng lên. Ở 3 tỉ độ C, phản ứng nhiệt hạch sử dụng nhiên liệu là nguyên tử oxy xảy ra và tạo ra áp suất đẩy vật chất bắn ra ngoài, sau đó chu trình lại bắt đầu lại từ đầu. Chu trình này cứ thế diễn ra cho tới khi ngôi sao đạt được khối lượng bền, theo Woosley. Khi lớp bên trong bị bắn ra ngoài, nó va chạm với lớp bên ngoài nó và giải phóng năng lượng dưới dạng sóng điện từ.

Ngôi sao sẽ tiếp tục phản ứng nhiệt hạch với nhiên liệu oxy và tạo thành những nguyên tố nặng hơn, cho đến sắt. Ở điểm này, phản ứng nhiệt hạch không đủ năng lượng để cân bằng với lực hấp dẫn và ngôi sao sẽ suy sụp. Những ngôi sao tạo ra vụ nổ siêu sao mới như iPTF14hls sẽ suy sụp tạo thành một lỗ đen và không bao giờ bùng nổ nữa, Woosley nói.

Hình ảnh này mô tả quá trình va chạm giữa hai lớp vật chất bị phán tán ra ngoài sau các vụ nổ siêu sao mới dạng PPI (pulsation pair-instability - tạm dịch sao biến quang do quá trình tạo và hủy cặp electron - positron).

Hiện tượng này, vụ nổ siêu sao mới dạng PPI (pulsation pair-instability), có thể là lý do để iPTF14hls' giữ được độ sáng của mình và còn biến đổi độ sáng nữa. Để xảy ra hiện tượng này, ngôi sao phải có khối lượng lớn hơn 105 lần khối lượng Mặt Trời, giáo sư Woosley nói.

Tuy nhiên, mô hình PPI không thể giải thích được nguồn năng lượng khổng lồ iPTF14hls đã phát ra. Vụ bùng phát đầu tiên vào năm 2014 đã giải phóng nguồn năng lượng lớn hơn so với tất cả vụ bùng phát được mô hình hóa, Arcavi nói.

Thêm nữa, hiện tượng này chưa được xác nhận bằng thực tế quan sát. "Ngôi sao có khối lượng khoảng 80 đến 140 lần khối lượng Mặt Trời, để tạo ra hiện tượng như vậy, phải tồn tại, rồi chúng sẽ tiến hóa dần và chết đi, nhưng cho tới giờ chưa ai quan sát được nó".

Một cơn bão từ trường?

Một giả thiết khác đặc ra là một ngôi sao khối lượng khoảng 20 đến 30 lần khối lượng Mặt Trời, sau khi suy sụp bằng vụ nổ siêu sao mới, phần lõi sẽ tạo thành một sao neutron, xoay rất nhanh gọi là sao từ (magnetar).

Một sao neutron sẽ có khối lượng khoảng 1,5 lần khối lượng Mặt Trời nhưng đường kính ngôi sao chỉ bằng cỡ thành phố New York. Một ngôi sao neutron quay khoảng 1000 lần mỗi giây sẽ có năng lượng lớn hơn một siêu sao mới, theo Woosely. "Nó cũng sẽ tạo ra từ trường mạnh gấp 100 tỉ lần đến 1 ngàn tỉ lần từ trường Trái Đất. Khi ngôi sao quay như vậy trong nhiều tháng, từ trường của nó có thể chuyển hóa động năng quay thành năng lượng của vụ nổ sao và phát sáng", Woosley giải thích.

Phác họa một sao từ trong cụm sao Westerlund 1. Những cung tròn sáng chạy dọc theo đường cảm ứng từ.

Nó tương tự như một ngọn hải đăng nằm ở trung tâm của vụ nổ sao.

Nhưng sao từ cũng không giải thích hoàn hảo hiện tượng này. Nó gặp khó khăn trong việc giải thích độ sáng đỉnh và đáy của iPTF14hls và do đó nguyên lý của hiện tượng này vẫn là điều bí ẩn, Woosley nói.

Khi iPTF14hls' bức xạ phần lớn năng lượng, Arcavi hi vọng sẽ quan sát sâu hơn cấu trúc của thiên thể. Nếu nó là một sao từ thì ông hi vọng sẽ thấy được tia X, phần bị che khuất bởi vụ nổ sao, dần dần hiện ra. "Có thể lý thuyết hợp nhất giữa sao biến quang hủy cặp và sao từ sẽ giúp chúng ta lý giải được hiện tượng này", Arcavi nói.

Quan sát kết hợp với lý thuyết

Sự tồn tại của iPTF14hls' đã cho các nhà khoa học biết thêm nhiều thứ. Cách chúng ta 500 triệu năm ánh sáng, siêu sao mới vẫn được coi là gần với Trái Đất, và vũ trụ thời kì đó cũng rất giống với bây giờ - về thành phần và phân bố, theo Arcavi. Nếu hiện tượng này là một vụ nổ siêu sao mới dạng PPI (pulsation pair-instability) thì nó sẽ cho ta thấy được rằng những ngôi sao có khối lượng lớn hơn 100 lần khối lượng Mặt Trời - có lẽ rất nhiều trong buổi ban đầu của vũ trụ - vẫn đang được hình thành hiện nay.

Hiện tượng này còn cho thấy nó có nhiều hidro hơn nhà khoa học vẫn nghĩ. Vụ nổ năm 1954 đáng lẽ ra phải phóng xuất gần như tất cả hidro trong ngôi sao, Arcavi nói. Các nhà vật lý thiên văn cần phải xem lại mô hình vụ nổ siêu sao mới để có thể hiểu được hiện tượng này xảy ra thế nào, ông nói.

Khám phá này cũng sẽ giúp ích cho nghiên cứu thiên hà. "Năng lượng hấp dẫn đang giữ cấu trúc thiên hà có độ lớn cùng cấp với độ sáng khi năng lượng được giải phóng trong vụ nổ siêu sao mới, do đó, chỉ cần vài vụ nổ thế này xuất hiện trong thiên hà là có thể phá vỡ cấu trúc của thiên hà".

Arcavi và cộng sự của ông lên kế hoạch tiếp tục quan sát iPTF14hls một hai năm nữa. Một số đài thiên văn khác cũng sẽ hợp tác quan sát. Các đồng nghiệp ở đài thiên văn Nordic Optical Telescope, đảo Canary, sẽ tiếp tục quan sát thiên thể này khi nó quá mờ không thể quan sát được bởi các kính thiên văn hiện tại của Arcavi. Tàu vũ trụ Swift của NASA cũng sẽ tìm kiếm phát xạ tia X, trong khi kính thiên văn vũ trụ Hubble sẽ chụp ảnh khu vực này bắt đầu tháng 12 này và còn nhiều đài quan sát khác nữa, Arcavi nói.

Hiện tại, hiện tượng này vẫn là một bí ẩn.

"Đây chỉ là một mảnh ghép của bầu trời, và đó là lý do chúng ta sống và lý do để chúng ta yêu bầu trời", Woosley nói.

Theo Vật Lý Thiên Văn