Khi một ngôi sao chết đi, nó có thể phát nổ trong một vụ nổ siêu tân tinh (supernova) khổng lồ, một trong những sự kiện bột phát và dữ dội nhất vũ trụ. Những sự kiện này sẽ giúp chúng ta hiểu thêm điều gì về vũ trụ?
VỤ NỔ SIÊU TÂN TINH DIỄN RA NHƯ THẾ NÀO?
Những ngôi sao lớn có vòng đời ngắn và tàn lụi rất sớm. Giống như mọi ngôi sao khác, chúng tạo ra ánh sáng bằng phản ứng nhiệt hạch, biến hiđrô thành hêli. Nhưng ở hầu hết những ngôi sao có khối lượng lớn, quá trình này xảy ra nhanh chóng, có nghĩa là chúng có thể đốt hết nguồn khí hiđrô dự trữ chỉ trong vài triệu năm. So sánh với Mặt Trời, quá trình này kéo dài đến 10 tỉ năm.
Một ngôi sao tồn tại dựa trên sự cân bằng mong manh giữa hai loại lực đối kháng nhau: lực hấp dẫn có xu hướng khiến nó sụp đổ vào bên trong và áp lực của phản ứng nhiệt hạch giữ cho ngôi sao không co vào tâm. Khi hiđrô trong lõi ngôi sao cạn kiệt, ngôi sao sẽ tiếp tục biến hêli thành những nguyên tố nặng hơn, ban đầu là liti, đến oxy, rồi lần lượt các nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn cho đến khi tạo ra sắt. Việc sinh ra những nguyên tố nặng không chỉ làm tăng mật độ của sao, dẫn đến tăng trọng lực, mà phản ứng nhiệt hạch lúc này sinh ra ít năng lượng để giúp ngôi sao cân bằng hơn. Cuối cùng ngôi sao phải chống lại trọng lực của chính nó bằng áp suất thoái hóa của điện tử – sự kháng cự để có nhiều hơn một electron ở cùng một vị trí tại cùng thời điểm.
Khi mà lõi ngôi sao đạt đến mật độ tới hạn bằng 1,4 lần khối lượng Mặt Trời, hay còn gọi là giới hạn Chandrasekhar, thì ngay cả các electron cũng không thể cứu vãn tình thế. Ở thời điểm này, lõi ngôi sao sẽ sụp đổ trong một vài giây, nhanh chóng kéo lớp vỏ khí bên ngoài vào với vận tốc đạt tới một phần tư tốc độ ánh sáng.
Lõi tiếp tục sụp đổ vào trong cho tới khi các nguyên tử tại đó chống lại sự co thêm của lõi. Lúc này, toàn bộ hạt nhân các nguyên tử trở thành một khối liên kết chặt chẽ, tạo ra một bề mặt rắn đặc. Thông thường, khối các hạt nhân bị nén chặt này sẽ tồn tại như một sao nơtron, nhưng nếu lõi ngôi sao đủ nặng, nó sẽ tiếp tục suy sụp và tạo ra một lỗ đen.
Trong khi đó, lớp vỏ khí rơi vào tâm với một tốc độ không tưởng, va chạm mạnh vào bề mặt rắn đặc của lõi, rồi bật trở lại trong đợt sóng xung kích khủng khiếp, và cuối cùng kết thúc bằng vụ nổ siêu tân tinh khổng lồ. (Xem hình minh họa phía dưới)
TÌM KIẾM ÁNH SÁNG
Những vụ nổ sao tạo ra lượng ánh sáng cực lớn trong một khoảng thời gian rất ngắn. Ở Trái Đất, các nhà nghiên cứu hi vọng bắt được những sự kiện ngắn ngủi nhưng dữ dội ấy bằng cách tìm kiếm các điểm sáng xuất hiện bất thường trên bầu trời đêm. Ban đầu, việc này được thực hiện bằng mắt thường, và một số nhà thiên văn nghiệp dư tới nay vẫn tìm kiếm các vụ nổ siêu tân tinh bằng việc quan sát qua kính thiên văn, nhưng những cuộc khảo sát chuyên nghiệp hiện nay sử dụng các hệ thống tự động để chụp ảnh bầu trời, tìm ra những “ngôi sao” không hề xuất hiện tại vị trí đó trong đêm hôm trước.
Tuy nhiên, không phải mọi thứ họ tìm ra đều là các vụ nổ sao. Một số chỉ là tân tinh (nova) mờ, do tương tác giữa trong một cặp sao đôi khiến cho một trong hai ngôi sao bùng sáng nhất thời. Tháng 8 năm 2017, các nhà nghiên cứu lần đầu tiên quan sát được một vụ nổ kilonova, một vụ nổ sáng hơn rất nhiều gây ra bởi sự va chạm của hai sao nơtron. Các vụ nổ sao như thế được cho là nguồn gốc của tất cả các nguyên tố tự nhiên nặng hơn sắt.
Để tìm hiểu xem vụ nổ bắt nguồn từ loại tân tinh nào, các nhà nghiên cứu phải xem xét ánh sáng từ vật thể sáng mới xuất hiện thay đổi như thế nào. Nhưng họ phải tiến hành thật nhanh. Sau vụ nổ, ánh sáng nhanh chóng mờ đi. Vì vậy, ngay khi tìm ra một vụ nổ siêu tân tinh, các nhà thiên văn học sẽ thông báo tới mọi kính viễn vọng trên thế giới để quan sát ngôi sao đó. Họ phối hợp cùng nhau để đo độ sáng trên mọi bước sóng khả dĩ và sử dụng quang phổ học để tìm ra nguyên tố nào hiện diện trên ngôi sao khi nó phát nổ.
Mô phỏng vụ nổ siêu tân tinh dẫn đến sự hình thành của tàn dư siêu tân tinh Messier 1 (Tinh vân Con cua) nổi tiếng trong chòm sao Taurus (Kim Ngưu). Nguồn: ESA/Hubble
Những nguyên tố đó không chỉ phân tán vào Vũ trụ, mà còn hình thành nên một loại tinh vân với tên gọi: tàn dư của vụ nổ siêu tân tinh (supernova remnant). Những tinh vân này rất giàu khí hiđrô, đó sẽ lại là vườn ươm của thế hệ sao tiếp theo. Trong khi đó, các nguyên tố nặng tập hợp lại, cuối cùng hình thành nên hệ các hành tinh, quay quanh các ngôi sao mới ra đời bên trong tinh vân. Bằng việc nghiên cứu các vụ nổ siêu tân tinh, người ta không chỉ có được hiểu biết về vòng đời các ngôi sao nặng, mà còn cả về nguồn gốc các hành tinh nữa.
CÁC LOẠI SIÊU TÂN TINH
Trạng thái của ngôi sao trước khi nó sụp đổ sẽ quyết định loại siêu tân tinh nó tạo ra. Có hai loại chính, tùy theo lượng hiđrô tìm thấy sau vụ nổ: Siêu tân tinh loại I chỉ chứa một lượng nhỏ hiđrô và Siêu tân tinh loại II chứa nhiều hiđrô hơn.
Siêu tân tinh loại II có nguồn gốc từ những sao lớn nhất, có vòng đời rất ngắn, vì vậy lớp vỏ khí hiđrô bọc bên ngoài hầu như còn nguyên vẹn khi ngôi sao phát nổ.
Tuy nhiên những ngôi sao nhỏ hơn một chút có thể mất đi lớp vỏ này theo thời gian, do gió sao của chính nó, hoặc do bị ngôi sao láng giềng tước đi. Ở siêu tân tinh loại Ib, lớp vỏ khí hiđrô đã mất hết, còn ở siêu tân tinh loại Ic, thậm chí lớp hêli cũng bị mất đi như thế.
Trong khi đó, loại siêu tân tinh Ia được tạo ra từ các ngôi sao nhỏ hơn nhưng lại bị “khóa chặt” trong hệ sao đôi với một sao lùn trắng. Qua thời gian, ngôi sao lùn trắng dần lấy đi vật chất của người hàng xóm , cho tới khi nó đạt tới khối lượng tới hạn để gây ra vụ nổ. Vì độ sáng của vụ nổ sao sẽ thể hiện khối lượng của ngôi sao đó, nên những siêu tân tinh loại Ia luôn có cùng độ sáng. Điều này đồng nghĩa việc các nhà thiên văn học có thể tính ra được vụ nổ ở cách chúng ta bao xa, và sử dụng dữ liệu này để đo đạc các khoảng cách trong vũ trụ.
Mai Nhung – Hội Thiên văn Nghiệp dư Hà Nội (HAS)
Dịch từ: Sky at Night
 khổng lồ, một trong những sự kiện bột phát và dữ dội nhất vũ trụ. Những sự kiện này sẽ giúp chúng ta hiểu thêm điều gì về vũ trụ?){kind=link}