Những ngôi sao không tỏa sáng mãi mãi, chúng ra đời và khuất đi như thế nào?

Khoảng 13,7 tỷ năm về trước, sự sáng tạo của vũ trụ bắt đầu với vụ nổ Big Bang. Tuy nhiên, sau một tỷ năm, vụ nổ này chỉ tạo ra bốn nguyên tố đầu tiên: Hydro, Heli, Liti và Berili.

Vậy nguồn gốc của hơn chín mươi nguyên tố còn lại là từ đâu?

Trong hàng tỷ năm tiếp theo, mức nhiệt độ quyết định của vũ trụ xuất phát từ sự tái sinh của các ngôi sao lớn. Cuộc sống mà chúng ta biết đã được hình thành trong thế giới đầy mâu thuẫn của những ngôi sao.

KHỞI ĐẦU CỦA CÁC VÌ SAO

Hãy tưởng tượng vũ trụ ban đầu như một lớp màn sương mỏng của các nguyên tử hydro và heli trôi nổi trong một bể nước ấm của vật chất tối, xen kẽ vào đó là các photon ánh sáng, tất cả ở nhiệt độ tương tự nhau. Sau đó, lực hấp dẫn bắt đầu tạo ra những vật liệu từng được coi là không đáng kể này thành một thứ thú vị hơn. Trong khi vụ nổ lớn đang đẩy không gian và vật chất ra xa nhau, lực hấp dẫn lại đang cố gắng kéo năng lượng và vật chất xung quanh lại với nhau.

Khi lực hấp dẫn hút các nguyên tử lại với nhau, chúng va chạm thường xuyên hơn và di chuyển mãnh liệt hơn. Do đó, trong khi hầu hết vũ trụ đã nguội dần thì các mảnh vật chất nhỏ bắt đầu nóng lên một lần nữa. Khi lực hấp dẫn tạo ra thêm áp suất, các vùng vật chất đậm đặc trở nên càng đậm đặc hơn. Lõi của chúng nóng hơn và lực hấp dẫn bắt đầu tái tạo trạng thái năng lượng cao như thời kỳ sơ khai của vũ trụ. Các proton hợp nhất, một phần của khối lượng của chúng đã chuyển hóa thành năng lượng thuần túy. Năng lượng lớn được giải phóng bởi phản ứng hợp tổng sẽ làm nóng lên lõi của đám vật chất, khiến cho lõi giãn ra và cân bằng được ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Lúc đó, toàn bộ cấu trúc này có thể ổn định trong hàng triệu hoặc hàng tỉ năm. Như vậy, một ngôi sao đã được hình thành.

CÁC NGÔI SAO CŨNG CÓ TUỔI GIÀ

Một ngôi sao có thể tồn tại hàng triệu hoặc hàng tỷ năm, vì vậy chúng ta không thể quan sát quá trình già đi của chúng. Câu chuyện về cuộc đời và sự kết thúc của chúng dựa trên nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới. Nhờ đó, các nhà thiên văn học hiện đại có thể chia sẻ thông tin về hàng triệu ngôi sao ở các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của chúng. Như Arthur Eddington đã nói, Thiên văn học như đang đi qua rừng với những cây non, cây trưởng thành và cây cổ thụ đã gần chết. Bằng cách nghiên cứu các cây ở những điểm khác nhau trong vòng đời của chúng, cuối cùng bạn có thể tìm ra cách chúng lớn lên, trưởng thành và chết đi. Nếu xét theo vòng đời của các ngôi sao cùng loại thì Mặt Trời đang ở tuổi trung niên. Các ngôi sao khổng lồ đỏ như Betelgeuse, ngôi sao nằm ở một góc của chòm sao Orion [chòm Lạp Hộ] là những ngôi sao già đã sử dụng gần hết các proton trong lõi của chúng. 

Mỗi ngôi sao đều có một lõi nóng. Bên trong các lõi đó, các proton kết hợp với nhau tạo ra năng lượng để chống lại sự nén gây ra bởi lực hấp dẫn. Các lớp phía ngoài của ngôi sao có xu hướng bị nén gần lõi, cung cấp nhiên liệu proton cho lõi và làm cho ngôi sao hoạt động lâu dài. Vòng đời của một ngôi sao phụ thuộc vào khối lượng ban đầu của nó – lượng vật chất mà nó có khi mới hình thành. Những ngôi sao khổng lồ sinh ra áp lực hấp dẫn lớn hơn, vì vậy chúng nóng hơn nhiều so với những ngôi sao có khối lượng nhỏ. Điều này giải thích tại sao các ngôi sao lớn đốt cháy nhiên liệu nhanh hơn và tắt đi chỉ trong vòng vài triệu năm. Những ngôi sao có khối lượng nhỏ đốt cháy nhiên liệu chậm hơn, và do đó chúng sẽ tồn tại lâu hơn nhiều so với tuổi hiện tại của vũ trụ.

CÁC GIAI ĐOẠN CỦA SAO KHỔNG LỒ ĐỎ

Khi các ngôi sao trở nên già nua và đã đốt hết các proton tự do, lõi của chúng chỉ còn các hạt nhân heli và các lò phản ứng ở lõi ngừng hoạt động. Khi điều đó xảy ra, lực hấp dẫn thắng thế, buộc ngôi sao co lại dưới tác dụng của trọng lực. Nhưng đó chưa phải là kết thúc của câu chuyện. Sau khi một ngôi sao co lại, lõi của nó được nén mạnh hơn và bị nung nóng trở lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Trong khi đó, các lớp vỏ ngoài của ngôi sao mở rộng ra và nguội đi để tạo ra sự cân bằng. Do đó, chúng ta quan sát thấy các lớp ngoài lạnh hơn này có màu đỏ, đó là lý do tại sao chúng ta gọi những ngôi sao ở giai đoạn này là sao khổng lồ đỏ. Khi Mặt Trời tiến đến giai đoạn này, nó sẽ có kích thước lớn gấp khoảng hai trăm lần kích thước hiện tại của nó. Mặt Trời sẽ bao phủ các hành tinh trong hệ Mặt Trời – bao gồm Trái Đất – và làm tất cả biến mất.

SAO LÙN TRẮNG - NHỮNG XÁC KHỔNG LỒ

Nếu các sao lùn trắng có khối lượng đủ lớn, trọng lực của chúng sẽ nén chặt đến mức lõi nóng hơn bao giờ hết, có nhiệt độ đủ cao để phản ứng tổng hợp các hạt nhân heli thành các hạt nhân nặng hơn – như cacbon hoặc oxy. Khi đó, ngôi sao đã hồi sinh, nhưng việc đốt cháy hạt nhân heli là một quá trình phức tạp hơn so với việc đốt cháy các proton đồng thời tạo ra ít năng lượng hơn, vì vậy các ngôi sao ở giai đoạn này có tuổi thọ ngắn hơn nhiều. Những ngôi sao rất lớn sẽ trải qua nhiều giai đoạn giãn nở và co lại ngày càng điên cuồng. Cacbon và oxy sẽ hợp nhất để tạo thành các nguyên tố từ magie đến silic và cuối cùng là sắt. Khi các ngôi sao nóng lên, một cơ chế khác khởi động, biến một số neutron thành proton để tạo ra các loại hạt nhân mới. Lõi của ngôi sao sẽ dần dần trở thành một quả bóng sắt khổng lồ được bao quanh bởi các lớp nguyên tố khác.

Lúc này, sự biến đổi của ngôi sao đã đi đến điểm cuối vì chúng không thể tạo ra năng lượng bằng cách đốt cháy các hạt nhân sắt. Cuối cùng, hầu hết các ngôi sao sẽ nổ tung, làm bắn các lớp bên ngoài của chúng vào không gian, chỉ còn lại lõi bên trong để tạo thành các sao lùn trắng. Sao lùn trắng là xác nguội, nhiệt độ ở lõi của chúng không đủ cao. Các sao lùn trắng cực kỳ đặc, có mật độ khối rất lớn. Kích thước của chúng chỉ xấp xỉ Trái Đất nhưng khối lượng xấp xỉ với Mặt Trời. Nếu bạn muốn nhấc một thìa cà phê vật chất của sao lùn trắng, bạn sẽ thất bại, vì nó nặng ít nhất một tấn. 

TUYẾT TAN HỌA - CÁCH KẾT THÚC ĐẲNG CẤP CỦA NHỮNG VÌ SAO LỚN

Mặc dù vẫn còn nóng bỏng, những vì sao lùn trắng sẽ dần nguội sau hàng tỷ năm. Tuy nhiên, chúng đã hoàn thành sứ mệnh của mình bằng cách tạo ra các nguyên tố mới trong không gian xung quanh. Một số vì sao lùn trắng kết thúc một cách đáng chú ý hơn thông qua các vụ nổ tạo ra các siêu tân tinh khi chúng bị hút vào các vì sao khác ở gần đó. Những vụ nổ này nóng đến mức có thể tạo ra nhiều nguyên tố mới hơn trong bảng tuần hoàn. Những vụ nổ đặc biệt mà các vì sao lùn trắng tạo ra được gọi là siêu tân tinh loại 1a. Tất cả các vì sao lùn trắng đều nổ tung ở cùng nhiệt độ, vì vậy nếu bạn có thể quan sát một vụ nổ như vậy, bạn sẽ biết nó sáng đến mức nào và điều đó có nghĩa là bạn có thể ước tính được khoảng cách thực tế từ nó đến Trái Đất.

Các vì sao có khối lượng lớn hơn khoảng bảy lần khối lượng của Mặt Trời cũng sẽ kết thúc cuộc sống của chúng một cách ngoạn mục thông qua một vụ nổ hoành tráng được gọi là siêu tân tinh sụp đổ lõi. Đó là khi một vì sao nổ tung bên trong một siêu tân tinh, nó có thể phát ra một lượng năng lượng tương đương với toàn bộ phần còn lại của thiên hà. Chỉ trong vài phút, nó tạo ra các nguyên tố còn lại trong bảng tuần hoàn và thổi chúng vào không gian.

VÌ SAO NEUTRON

Phần lớn các vì sao siêu khổng lồ đã thổi bay các lớp bên ngoài của chúng trong các vụ nổ siêu tân tinh, sẽ co lại mạnh mẽ đến nỗi các proton và electron bị nghiền nát với nhau để tạo thành các neutron. Đây là một dạng vật chất rất đặc biệt và cực kỳ đậm đặc. Một vì sao neutron chỉ có đường kính hai mươi kilomet sẽ nặng gấp đôi Mặt Trời và do đó một thìa cà phê vật chất của vì sao neutron sẽ nặng hàng tỉ tấn. Một số bằng chứng cho thấy nhiều nguyên tố nặng hơn trong bảng tuần hoàn có thể đã được hình thành ngay trong quá trình sáp nhập mạnh mẽ của các vì sao neutron chứ không phải trong các vụ nổ siêu tân tinh.

ÂM HỐ - SỰ KẾT THÚC BÍ ẨN NHẤT

Sự kết thúc của những vì sao lớn nhất trong vũ trụ lại hoàn toàn khác biệt, thậm chí còn vô cùng kỳ lạ. Lõi của các vì sao này nổ tung mạnh mẽ đến nỗi không gì có thể chống lại sự sụp đổ của nó, kết quả là chúng biến thành những âm hố – những thiên thể đặc biệt nhất mà chúng ta từng biết.

Những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ có thể đã vô cùng to lớn, khiến cho nhiều trong số chúng trở thành các lỗ đen khổng lồ. Những lỗ đen này có thể đã phát tán các hạt giống thu hút, khởi đầu cho quá trình hình thành các thiên hà xung quanh chúng, giống như những viên ngọc xinh đẹp bao quanh một hạt cát. Ngày nay, các nhà thiên văn học đã khám phá ra sự hiện diện của các lỗ đen lớn tại trung tâm của hầu hết các thiên hà, kể cả thiên hà của chúng ta.

Các ngôi sao sắp chết đã đóng góp vào sự phong phú và sự hình thành của vũ trụ trẻ thông qua những phương tiện đa dạng. Trong những ngôi sao đang tiến gần tới tận cùng của cuộc đời và những ngôi sao siêu tân tinh, các nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn đã tập hợp lại, tạo thành các đám mây bụi khổng lồ giữa các vì sao. Các nguyên tử liên kết với nhau để tạo ra các phân tử đơn giản, và, thông qua một loạt các phản ứng xúc tác, chúng tạo ra các dạng vật chất mới. Những dạng vật chất mới này sau này lại trở thành thành phần của thế giới xung quanh chúng ta.

Tài liệu tham khảo: Nguyên thủy và Hiện đại: Hành trình vĩ đại của vũ trụ, David Christian