[비즈한국] Nếu phải chọn ra hai khoảnh khắc đặc biệt nhất trong cuộc đời một con người, thì bất kể ai nói gì, đó cũng chính là ngày chào đời và ngày lìa xa cõi đời. Trong vòng đời của một ngôi sao cũng vậy. Các ngôi sao cũng sinh ra và mất đi như chúng ta. James Webb, Hubble và tất cả các kính thiên văn vũ trụ đều hướng ống kính vào những hiện trường nơi các ngôi sao chào đời và lụi tàn rực rỡ. Những nơi diễn ra sự sống và cái chết của các vì sao chắc chắn là một trong những khung cảnh đẹp nhất của vũ trụ mà chúng ta có thể quan sát được qua kính thiên văn.
Kính thiên văn vũ trụ Hubble, được đưa vào quỹ đạo lần đầu tiên vào năm 1990, nay đã bước sang tuổi 34. Nếu là con người, đây cũng không còn là độ tuổi quá trẻ. Nhờ quan sát vũ trụ trong suốt khoảng thời gian dài gần một phần ba thế kỷ, kính thiên văn Hubble giờ đây còn cho chúng ta thấy cả quá trình biến đổi của vũ trụ. Nếu ghép nối những hình ảnh quan sát cùng một ngôi sao trong nhiều năm, chúng ta có thể xác nhận được những thay đổi về hình dạng hoặc vị trí, tựa như đang xem một tệp ảnh động (GIF).
Tất nhiên, cuộc đời của các vì sao diễn ra chậm chạp hơn nhiều so với con người. Tuổi thọ của một ngôi sao kéo dài từ hàng chục triệu đến hàng tỷ năm. Vì vậy, rất khó để thấy được những thay đổi đáng kể chỉ trong khoảng thời gian ngắn ngủi vỏn vẹn 30 năm. Tuy nhiên, khoảnh khắc sinh và tử là thời điểm cực đoan nhất trong cuộc đời một ngôi sao. Ngay cả những ngôi sao vốn sống rất chậm rãi và điềm tĩnh cũng sẽ bộc lộ những diện mạo dữ dội và bạo liệt nhất. Các vì sao thay đổi đủ nhanh để ngay cả kính thiên văn Hubble cũng có thể phát hiện được những biến động đáng kể. Gần đây, vẻ đẹp đó đã được Hubble ghi lại và công bố.
Cách chúng ta 1.000 năm ánh sáng về phía chòm sao Bảo Bình có một ngôi sao tên là ‘R Aquarii’. Bằng cách thu thập dữ liệu quan sát từ kính thiên văn vũ trụ Hubble trong khoảng 9 năm, từ năm 2014 đến 2023, các nhà khoa học đã xác nhận sự tồn tại của luồng phản lực năng lượng đang bị thổi bay theo mọi hướng từ ngôi sao này. Đây là một hệ sao đôi, bao gồm một sao lùn trắng đã kết thúc quá trình tiến hóa và một ngôi sao khổng lồ đỏ đang trong giai đoạn tiến hóa mạnh mẽ. Đặc biệt, đây là một hệ sao đôi cộng sinh (symbiotic binary), nơi ngôi sao nặng hơn tiến lại quá gần giới hạn Roche của sao lùn trắng, khiến khối lượng của nó nhanh chóng bị hút về phía sao lùn trắng.
Khi một lượng lớn vật chất từ sao khổng lồ đỏ bị hút về phía sao lùn trắng, ngôi sao lùn trắng vốn đã trở nên bất ổn sẽ hình thành các luồng phản lực năng lượng dài về cả hai phía. Tinh vân vốn bao quanh ngôi sao bị luồng phản lực mạnh mẽ thổi bay, tạo nên những tinh vân và mảnh vụn có hình thù độc đáo xung quanh. Hai ngôi sao trong hệ sao đôi này xoay quanh nhau với chu kỳ khoảng 44 năm. Mỗi khi chúng xoay đến gần nhau trên quỹ đạo, luồng phản lực lại mạnh lên và ngôi sao lại sáng hơn, hiện tượng này cứ lặp đi lặp lại. Nhìn vào những bức ảnh được Hubble chụp liên tục trong 9 năm, có thể thấy rõ hình ảnh vật chất đang lan tỏa ra mọi hướng và độ sáng thay đổi biến động ngay tại trung tâm tinh vân, tựa như đang xem một đoạn video trực tiếp.
Đôi khi, vật chất bị phun trào dữ dội khiến ngôi sao trông như đang phát nổ, tạo thành hiện tượng tân tinh. Tuy nhiên, thực tế chưa từng có ghi chép chính thức nào về một vụ nổ tân tinh tại vị trí của R Aquarii. Mặc dù các nhà thiên văn học Nhật Bản vào khoảng năm 930 đã để lại ghi chép về một vật thể nghi là tân tinh tại vị trí này, nhưng điều đó vẫn chưa chắc chắn. Nếu truy ngược lại dòng chảy thông qua các luồng phản lực của ngôi sao mà kính thiên văn Hubble vừa quan sát được, rất có thể đã có một vụ nổ mạnh mẽ xảy ra cách đây khoảng 1.100 năm. Sao khổng lồ đỏ ở trung tâm có thể đã sáng lên tới 750 lần trong vòng 1 năm, với mức độ đó, người thời bấy giờ hoàn toàn có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Và có khả năng ngôi sao này đã được ghi chép lại trong thời gian dài khi độ sáng của nó từ từ giảm dần trong vài tháng sau đó.
Không chỉ hệ sao đôi đang dao động, vụ nổ siêu tân tinh – nơi một ngôi sao đơn lẻ phát nổ và biến mất – là một hiện tượng mạnh mẽ hơn nữa mà chúng ta không thể bỏ lỡ. Chúng ta có thể thấy ánh sáng của nó ngay cả từ khoảng cách rất xa. Từ lâu, lịch sử nhân loại đã lưu lại những ghi chép về các vụ nổ siêu tân tinh thỉnh thoảng được chứng kiến. Vào năm 1181, các nhà thiên văn học Trung Quốc đã phát hiện một ngôi sao mờ nhạt đột ngột xuất hiện gần hướng chòm sao Cassiopeia ngày nay. Đó là một hiện tượng được gọi là 'khách tinh' (guest star), xuất hiện bất ngờ như một vị khách lạ mà trước đó không hề tồn tại.
Bước sang thế kỷ 21, các nhà thiên văn học đã lên đường tìm kiếm dấu vết mà vụ nổ siêu tân tinh trong ghi chép cổ của Trung Quốc để lại. Nếu có một vụ nổ siêu tân tinh xảy ra cách đây khoảng 850 năm, thì tàn dư của nó phải còn sót lại ở đâu đó. Các nhà thiên văn học đã tiến hành một dự án khoa học công dân, nhờ sự giúp đỡ của người dân để tìm kiếm dữ liệu từ kính thiên văn vũ trụ hồng ngoại WISE (hiện đã nghỉ hưu). Nhà thiên văn học nghiệp dư Dana Patchick, người tham gia dự án, đã phát hiện ra các mảnh vụn khí mới gần chòm sao Cassiopeia. Thiên thể này được đặt tên là Pa 30, theo tên của thiên thể thứ 30 mà ông phát hiện, và được cho là tàn dư từ vụ nổ siêu tân tinh ghi lại trong lịch sử năm 1181.
Khi Pa 30 mới được phát hiện, các nhà thiên văn học nghĩ rằng đó chỉ là một tinh vân hành tinh do một ngôi sao tương đối nhẹ để lại sau khi chết. Tuy nhiên, hình dáng của nó lại quá độc đáo. Nó trông giống như những xúc tu dài vươn thẳng từ trong ra ngoài theo mọi hướng. Hơn nữa, ở trung tâm lại tồn tại một sao lùn trắng cực kỳ nóng. Nhiệt độ bề mặt của sao lùn trắng này lên tới gần 200.000 độ C. So với bề mặt Mặt Trời chỉ khoảng 5.000 đến 6.000 độ C, nó nóng hơn gấp gần 40 lần. Đây là mức nhiệt độ cao nhất trong số các ngôi sao từng được phát hiện. Sự giãn nở của vật chất lan tỏa ra bên ngoài ngôi sao trung tâm với tốc độ cực nhanh lên tới 16.000 km/s đã được quan sát thấy. Điều này cho thấy đây là tàn dư siêu tân tinh đang lan rộng do một vụ nổ mạnh mẽ.
Tuy nhiên, nếu đây thực sự là hiện trường một vụ nổ siêu tân tinh, thì một câu hỏi quan trọng được đặt ra: Làm thế nào mà sao lùn trắng trung tâm không bị phá hủy mà vẫn sống sót nguyên vẹn sau vụ nổ?
Các nhà thiên văn học cho rằng đây là loại siêu tân tinh hiếm gặp được gọi là siêu tân tinh loại Iax. Người ta cho rằng thay vì một ngôi sao nặng tự sụp đổ và phát nổ, thì hiện tượng này xảy ra khi hai sao lùn trắng va chạm vào nhau. Vụ nổ này để lại một sao lùn trắng siêu khổng lồ ở trung tâm, giúp ngôi sao không bị phá hủy hoàn toàn mà vẫn còn tồn tại một phần dù đã phát nổ. Vì lý do đó, nó còn được gọi là 'ngôi sao thây ma' vì là ngôi sao không chịu chết. Ngôi sao thây ma này rất bất ổn. Nó có thể đang phun ra những luồng gió sao mạnh mẽ theo mọi hướng. Các nhà thiên văn học dự đoán rằng ngôi sao này có khả năng sẽ trải qua một vụ nổ siêu tân tinh nữa vào một lúc nào đó.
Trong Pa 30, người ta cũng phát hiện thấy thành phần Niken. Sự hiện diện của Niken có thể giải thích tại sao ngôi sao trung tâm lại duy trì nhiệt độ cao kinh ngạc như vậy. Các đồng vị phóng xạ bất ổn của Niken có thể tạo ra nhiệt lượng khổng lồ khi chúng phân rã. Tuy nhiên, có một vấn đề quan trọng là chu kỳ bán rã để các đồng vị của Niken phân rã phóng xạ chỉ vỏn vẹn khoảng 6 ngày. Do đó, trong trường hợp thông thường, các đồng vị Niken sẽ không thể tồn tại lâu và biến mất ngay lập tức. Thế nhưng, nếu đó là một sao lùn trắng đã sụp đổ nơi duy trì áp suất cực cao, các đồng vị Niken có thể tiếp tục được duy trì. Đó là vì Niken bị phân rã có thể liên tục bắt lấy các electron khác và tiếp tục quá trình phân rã kéo dài qua nhiều thế kỷ.
Gần đây, các nhà thiên văn học đã quan sát kỹ lưỡng hơn tàn dư siêu tân tinh Pa 30 thông qua việc quan sát bằng Thiết bị hình ảnh Vũ trụ (KCWI) trên kính thiên văn Keck ở Hawaii. Thú vị thay, các cấu trúc xúc tu này dường như không hề giảm tốc độ mà vẫn đang lan rộng với tốc độ cao kể từ khi chúng văng ra mọi hướng lúc ban đầu. Vật chất đang lan tỏa tựa như những tên lửa đạn đạo được bắn ra tứ phía. Điều đó có nghĩa là đây là dấu vết còn sót lại khi các vật chất rất lớn và nặng trực tiếp phóng ra từ tâm điểm từ lâu.
Đoạn video này là mô hình 3D của tàn dư siêu tân tinh Pa 30 được tái dựng dựa trên kết quả quan sát gần đây. Đặc biệt, các nhà thiên văn học đã phân tích mỗi xúc tu đang lan rộng ra hướng nào và nhanh bao nhiêu dựa trên dữ liệu quang phổ thu được trong vùng hồng ngoại. Thông qua đó, họ đã xác định được những xúc tu đang tiến về phía Trái Đất và những xúc tu đang rời xa, rồi hiện thực hóa chúng thành mô hình 3D lập thể. Ở chính giữa hàng loạt xúc tu dài vươn ra mọi hướng là khối sao lùn trắng nóng bỏng vẫn còn sống sót. Vật chất của các xúc tu lan tỏa ra tứ phía đã bay thẳng theo từng hướng kể từ khoảng 800 năm trước. Kết quả truy ngược tốc độ và hướng lan tỏa của các xúc tu cho thấy thời điểm vật chất lan tỏa ra mọi hướng hội tụ lại tại trung tâm là khoảng năm 1151 ± 75. Điều này có nghĩa là vụ nổ siêu tân tinh thực sự đã xảy ra vào khoảng năm 1151. Kết quả này rất khớp với thời điểm được ghi lại trong các tài liệu Trung Quốc.
Lần quan sát bổ sung này cũng cho thấy một sự thật thú vị khác. Trước hết, ở chính giữa tàn dư siêu tân tinh có một khoảng trống, nơi có tương đối ít vật chất. Những vật chất đang lan tỏa tạo thành hình xúc tu không bắt đầu lan ra từ chính tâm điểm của tàn dư siêu tân tinh ngay từ đầu. Chúng bắt đầu lan ra từ một điểm hơi lệch tâm. Nói một cách chính xác, chúng không lan ra từ vị trí của sao lùn trắng gốc ngày xưa. Người ta cho rằng sau khi vụ nổ siêu tân tinh tại trung tâm xảy ra, một cấu trúc vỏ bao quanh khu vực đó đã giãn nở và tạo ra sự phát xạ đạn đạo cực kỳ mạnh mẽ theo mọi hướng.
Mặt khác, người ta cũng phát hiện ra sự khác biệt lớn giữa tốc độ đạn đạo của vật chất tạo hình xúc tu và tốc độ của chính những mảnh vụn khí đang lan tỏa ra tứ phía. Trong khi vật chất khí phát ra từ sao lùn trắng trung tâm lan rộng với tốc độ rất nhanh, gần 16.000 km/s, thì tốc độ của các vật thể tạo nên những xúc tu dài lại chỉ dừng ở mức 600~1000 km/s, tức chưa bằng 1/10. Có thể coi đây là do các vật thể bị phát xạ đạn đạo có khối lượng nặng hơn nhiều so với vật chất khí thông thường. Tuy nhiên, rất khó để biết chính xác 'đạn đại bác' này là gì.
Thú vị hơn nữa, nếu nhìn vào phân bổ tốc độ thu thập được để vẽ bản đồ 3D lần này, có thể thấy phân bổ tốc độ của sự phát xạ đạn đạo không đối xứng hoàn hảo. Tốc độ của các xúc tu lan ra mọi hướng có sự chênh lệch lên tới 40% tùy theo hướng. Có vẻ như đã xảy ra một vụ nổ khá bất đối xứng, trong đó vật chất được phát xạ nhanh hơn theo những hướng cụ thể.
Thật kinh ngạc khi nhìn bầu trời đêm tại chính nơi mà nhân loại cổ đại đã chứng kiến và ghi chép lại một cách đầy thú vị bằng những chiếc kính thiên văn sắc nét ngày nay, chúng ta có thể thấy được những mảnh vụn và dấu vết còn sót lại sau một vụ nổ từ rất lâu. Đối với nhân loại, đó là sự kiện diễn ra cách đây nhiều thế hệ với khoảng cách thời gian rất dài, nhưng nhìn dưới góc độ thiên văn học, chúng ta đang quan sát cùng một hiện tượng trong suốt một ngàn năm. Vụ nổ đã xảy ra từ rất lâu và tàn dư của nó vẫn đang lan tỏa vào không gian vũ trụ. Chúng ta đang được kết nối với tổ tiên từ 1.000 năm trước thông qua vụ nổ của một ngôi sao. Cùng một ngôi sao phát nổ tại cùng một vị trí vẫn đang tiếp tục mang đến sự kinh ngạc cho nhân loại đang sinh sống trên Trái Đất suốt hơn ngàn năm qua.
Đặc biệt, sự sống và cái chết của các vì sao là khoảnh khắc năng động nhất trong vũ trụ. Không giống như các hiện tượng khác thường diễn ra trên quy mô hàng chục triệu, hàng trăm triệu năm, sự sống và cái chết của các vì sao diễn ra trên quy mô hàng chục, hàng trăm năm, tương đối gần gũi với con người. Vì thế, chỉ cần nhân loại kiên nhẫn một chút, chúng ta hoàn toàn có thể quan sát được diện mạo của vũ trụ đang biến đổi theo thời gian thực.
Tham khảo
https://www.keckobservatory.org/dandelion-supernova/
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad713b
https://esahubble.org/videos/v-r-aquarii_1/
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem ‘Galaxy Express 999’, anh đã nuôi ước mơ được lan tỏa vẻ đẹp của vũ trụ đến với mọi người. Hiện anh đang nghiên cứu về sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học gần thuộc Đại học Yonsei. Anh cũng tham gia vào nhiều hoạt động truyền thông khoa học khác nhau như diễn thuyết và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như ‘Đài thiên văn hẹn hò’, ‘Nghĩ về vũ trụ cả ngày’, ‘Ngôi sao, khoa học của ánh sáng’.