[비즈한국] Mặt Trời là một ngôi sao vô cùng kỳ lạ. Điều kỳ lạ nhất nằm ở chỗ nó là một 'kẻ cô độc' không hề có bạn đồng hành. Một nửa số ngôi sao trong vũ trụ đều có cặp đôi, và hầu hết chúng hình thành nên các cụm sao lớn nhỏ với ít nhất hàng nghìn, hàng vạn ngôi sao khác. Nhưng Mặt Trời thì không. Nó đang tỏa sáng cô độc một mình trong phạm vi 4 năm ánh sáng mà không có lấy một ngôi sao nào xung quanh.
Chắc chắn Mặt Trời cũng đã được sinh ra theo cách giống như các ngôi sao khác. Nó hẳn được tạo ra từ hiện trường nơi các đám mây phân tử khổng lồ co rút và vô số ngôi sao được sinh ra cùng lúc. Mặt Trời cũng từng có những người bạn đồng hương cùng sinh ra. Tuy nhiên, vì một lý do nào đó, Mặt Trời đã phải rời xa quê hương để bắt đầu cuộc sống đơn độc kéo dài.
Liệu chúng ta có thể tìm lại quê hương đã mất của Mặt Trời? Những ngôi sao bạn đồng hương cùng sinh ra và lớn lên ở cùng nơi với Mặt Trời hiện đang phân tán nơi đâu và có cuộc sống thế nào? Đáng kinh ngạc là gần đây, một buổi họp lớp của Mặt Trời sau 5 tỷ năm đã được thực hiện! Mặt Trời đang che giấu những bí mật về sự ra đời đầy bất ngờ.
Để tìm lại những người bạn đã mất của Mặt Trời, dữ liệu từ kính viễn vọng không gian Gaia, công cụ đã lập nên bản đồ sao rộng lớn và chính xác nhất trong Dải Ngân hà cho đến gần đây, đã được sử dụng. Trong suốt hơn 11 năm qua, dữ liệu đã vẽ bản đồ của gần 2 tỷ ngôi sao. Trong số vô vàn ngôi sao đó, chúng tôi đã áp dụng những tiêu chuẩn cực kỳ khắt khe để tìm kiếm những người bạn đồng hương của Mặt Trời.
Các ngôi sao được chọn phải có nhiệt độ bề mặt tương đồng trong phạm vi 200 độ, đồng thời phải khớp hoàn hảo về trọng lực bề mặt và hàm lượng kim loại. Đặc biệt, khi xem xét độ tuổi và nguồn gốc của một ngôi sao, hàm lượng kim loại là yếu tố vô cùng quan trọng. Bởi lẽ, khi vũ trụ già đi, các siêu tân tinh nổ tung nhiều hơn, khiến vũ trụ dần bị "ô nhiễm" bởi các nguyên tố nặng. Vì vậy, lượng nguyên tố nặng trong ngôi sao là chỉ dấu quan trọng để phân biệt thời điểm ra đời của nó.
Với những điều kiện khắt khe như vậy, chúng tôi đã lọc ra được 6.594 ngôi sao sinh đôi của Mặt Trời. Tất cả đều là những ngôi sao gần, nằm trong phạm vi 1.000 năm ánh sáng, không quá xa so với Mặt Trời. Các nghiên cứu trước đây chỉ tìm được tối đa vài chục ngôi sao sinh đôi, nhưng nhờ dữ liệu quan sát khổng lồ của Gaia, hơn 6.000 ngôi sao anh em của Mặt Trời đã được tìm thấy.
Thực tế, sự tiến hóa của sao khá phức tạp. Không phải cứ cùng nhiệt độ là độ sáng sẽ giống nhau. Điều đó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khối lượng và hàm lượng kim loại của ngôi sao. Vì vậy, để ước tính chính xác độ tuổi, cần so sánh với mô hình tiến hóa sao áp dụng nhiều biến số cùng lúc. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng phân tích mô hình tiến hóa sao có tên là Parsec (PAdova TRieste Stellar Evolution Code). Nhờ đó, tuổi của hơn 6.000 ngôi sao đã được đo đạc từng cái một. Có thể nói, chúng tôi đã cấp cho mỗi ngôi sao một "giấy khai sinh". Trong số những ngôi sao nghi vấn là sinh đôi của Mặt Trời, có những ngôi sao trẻ chỉ dưới 1 tỷ năm, nhưng cũng có những ngôi sao rất già hơn 6 tỷ năm.
Tuy nhiên, khi so sánh tuổi của 6.000 ngôi sao sinh đôi này cùng lúc, một kết quả đáng ngạc nhiên đã xuất hiện. Đó là số lượng ngôi sao tập trung đặc biệt ở hai độ tuổi. Một là đỉnh nhọn xuất hiện ở khoảng 2 tỷ năm trước. Hai là một khối phồng rộng trải dài từ khoảng 4 tỷ đến 6 tỷ năm trước.
Đỉnh nhọn ở độ tuổi 2 tỷ năm liên quan đến một sự kiện mạnh mẽ xảy ra cách đây tương đối gần, tức là khoảng 2 tỷ năm trước. Xung quanh Dải Ngân hà của chúng ta có các thiên hà nhỏ như thiên hà lùn Nhân Mã đang lượn lờ. Đặc biệt, từ 1 tỷ đến 2,5 tỷ năm trước, sự kiện thiên hà lùn này bị trọng lực của Dải Ngân hà thu hút và tràn vào ồ ạt, cung cấp một lượng lớn vật chất khí cùng một lúc. Va chạm với thiên hà lùn đã làm rung chuyển trường trọng lực xung quanh, khiến các đám mây khí bị nén lại thành sao nhiều hơn. Một "thời kỳ bùng nổ trẻ em" phiên bản thiên hà đã diễn ra, nơi sự ra đời của các ngôi sao trong Dải Ngân hà tăng vọt trong chốc lát. Đỉnh nhọn tại độ tuổi 2 tỷ năm chính là minh chứng cho các ngôi sao thuộc thời kỳ bùng nổ này.
Tuy nhiên, điều chúng ta cần chú ý ở đây là khối phồng thoải và rộng thứ hai, phân bổ ở độ tuổi từ khoảng 4 tỷ đến 6 tỷ năm. Điều này khớp chính xác với độ tuổi của Mặt Trời. Tuổi chính xác của Mặt Trời hiện được ước tính khoảng 4,6 tỷ năm. Nói cách khác, phần lớn các ngôi sao trong khối phồng này được sinh ra cùng thời điểm chính xác với Mặt Trời, và là những ngôi sao sinh đôi thực sự của Mặt Trời khi có tất cả các đặc điểm từ nhiệt độ bề mặt, hàm lượng kim loại đến trọng lực bề mặt hoàn toàn trùng khớp. Hơn nữa, những ngôi sao này không chỉ tụ tập ở khu vực gần Mặt Trời, mà còn phân tán khắp nơi trong phạm vi 1.000 năm ánh sáng. Điều này có nghĩa là tại thời điểm Mặt Trời ra đời, vô số ngôi sao đã được sinh ra cùng lúc trong môi trường hóa học tương tự như Mặt Trời.
Nhưng vị trí hiện tại của Mặt Trời lại gây khó hiểu hơn. Mặt Trời thực tế đang sống ở một nơi hoàn toàn không phù hợp. Hàm lượng kim loại thay đổi tùy theo khoảng cách từ trung tâm thiên hà. Ở phía trong đĩa Ngân hà gần trung tâm, từ lâu đã xảy ra vô số sự kiện sinh và diệt của các ngôi sao cũng như các vụ nổ siêu tân tinh, nhờ đó mà dồi dào các nguyên tố nặng như sắt, magie và silic do nhiều thế hệ sao để lại. Vì vậy, khu vực bên trong thiên hà thường có hàm lượng kim loại cao. Ngược lại, càng đi ra phía ngoài thiên hà, tỷ lệ các nguyên tố nặng này càng giảm đáng kể.
Mặt Trời của chúng ta có hàm lượng kim loại khá cao. Thế nhưng hiện tại, nó đang sống ở một vùng ngoại ô cách xa trung tâm thiên hà, cách đó khoảng 26.000 năm ánh sáng. Mâu thuẫn này gợi ý rằng Mặt Trời được sinh ra gần trung tâm Dải Ngân hà, nhưng vì một lý do nào đó đã rời xa quê hương để đến vùng ngoại ô xa xôi. Nếu áp dụng hàm lượng kim loại và độ tuổi của Mặt Trời để suy đoán vị trí quê hương thực sự, Mặt Trời lẽ ra phải được sinh ra ở khu vực trung tâm cách trung tâm Dải Ngân hà ít nhất trong vòng 15.000 năm ánh sáng. Vậy có nghĩa là trong 4,6 tỷ năm qua, Mặt Trời đã rời bỏ quê hương và di chuyển tới 10.000 năm ánh sáng đến vị trí hiện tại. Đây không phải là mức độ mở rộng quỹ đạo nhẹ, mà là mức độ "di cư" từ thủ đô của thiên hà đến tận vùng ngoại ô xa xôi.
Hiện tượng quỹ đạo của các ngôi sao thay đổi đáng kể và di chuyển vào trong hoặc ra ngoài trung tâm thiên hà được gọi là Di cư hướng tâm (Radial migration). Đúng như tên gọi, nó có nghĩa là di cư vào trong hoặc ra ngoài dọc theo hướng bán kính. Có hai cách chính để các ngôi sao di cư. Trường hợp sao đi theo quỹ đạo elip ban đầu của nó và tự nhiên ra vào trung tâm thiên hà được gọi là Blurring (làm mờ). Ngược lại, có một cách mà động lượng góc của chính ngôi sao đang quay bị thay đổi, dẫn đến bán kính trung bình của quỹ đạo bị thay đổi. Điều này được gọi là Churning (khuấy động). Nếu Mặt Trời từng sống ở trung tâm thiên hà và đến vị trí hiện tại, thì đó hẳn là Churning, nơi mà kích thước trung bình của quỹ đạo đã bị lệch hẳn ra ngoài, chứ không chỉ đơn thuần là quỹ đạo bị méo và lướt qua vị trí hiện tại.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi không chỉ phân tích Mặt Trời mà còn phân tích đặc điểm quỹ đạo của toàn bộ các ngôi sao sinh đôi mới được phát hiện. Chúng tôi đã phân tích kích thước quỹ đạo, mức độ méo thành hình elip và độ lệch theo chiều thẳng đứng so với mặt phẳng đĩa Ngân hà dựa trên độ tuổi của các ngôi sao. Thú vị là hầu hết các ngôi sao sinh đôi của Mặt Trời đều đang thực hiện cuộc đại di cư theo kiểu Churning. Mặt Trời từng sống cùng các ngôi sao sinh đôi ở quê hương gần trung tâm Dải Ngân hà từ rất lâu, nhưng vào một khoảnh khắc nào đó, tất cả đã cùng nhau di cư lớn ra vùng ngoại ô thiên hà.
Kịch bản này có một trở ngại lớn nhất. Đó là cấu trúc thanh chắn (bar structure) khổng lồ sừng sững ở trung tâm Dải Ngân hà. Cấu trúc thanh này tự nó gây ra trọng lực mạnh lên các ngôi sao và khí tạo nên đĩa thiên hà. Đặc biệt, khi tốc độ quay của toàn bộ cấu trúc thanh (tốc độ mẫu) và tốc độ quay của các ngôi sao xung quanh khớp hoàn hảo với nhau, một loại cộng hưởng sẽ xảy ra. Khi đó, các ngôi sao bên ngoài khu vực đó sẽ không thể tự do ra vào được nữa. Nếu một ngôi sao đang cố gắng di chuyển từ trung tâm thiên hà ra vùng ngoại ô mà bị kẹt tại đoạn bán kính cộng hưởng, nó sẽ bị giữ lại ở đó và duy trì một quỹ đạo ổn định.
Nhìn vào quy mô cấu trúc thanh của Dải Ngân hà, rào cản cộng hưởng được hình thành ở khoảng cách xấp xỉ 20.000 năm ánh sáng từ tâm thiên hà. Vậy thì kịch bản đại di cư của Mặt Trời và các ngôi sao sinh đôi sẽ thực sự đụng phải một bức tường lớn. Nếu Mặt Trời thực sự được sinh ra gần trung tâm thiên hà bên trong rào cản rồi vượt ra ngoài vùng ngoại ô phía sau rào cản, thì phải giải thích được làm thế nào nó có thể xuyên thủng rào cản để đến được nơi xa xôi này. Chỉ có một cách để giải quyết mâu thuẫn này: đó là cấu trúc thanh khổng lồ như vậy đã không tồn tại vào thời điểm Mặt Trời thực hiện cuộc đại di cư.
Đáng kinh ngạc là thời điểm hình thành cấu trúc thanh được ước tính chính xác từ 4 đến 7 tỷ năm trước. Điều này cũng trùng khớp với thời điểm mà Mặt Trời và các ngôi sao sinh đôi được cho là đã cùng thực hiện cuộc đại di cư. Chính vào thời điểm này, một cấu trúc thanh khổng lồ và rõ rệt đã bắt đầu phát triển trong Dải Ngân hà, làm xáo trộn quỹ đạo của các ngôi sao ở đĩa trong và đẩy chúng ra ngoài. Kết quả là, Mặt Trời và các ngôi sao sinh đôi đã đồng loạt thực hiện cuộc đại di cư một cách hiệu quả.
Giờ đây, câu chuyện này kết nối với vấn đề sự sống trên Trái Đất. Có lẽ cuộc đại di cư của Mặt Trời chính là một trong những cơ hội quan trọng nhất cho phép sự sống nảy mầm trên Trái Đất. Nếu Mặt Trời cứ mãi lưu lại gần trung tâm thiên hà như trước đây, khả năng cao là sự sống trên Trái Đất đã phải đối mặt với môi trường khắc nghiệt hơn rất nhiều. Ở phía trong thiên hà, các ngôi sao tụ tập dày đặc hơn. Các vụ nổ siêu tân tinh cũng xảy ra thường xuyên hơn. Tia cực tím mạnh, tia X, tia gamma và các hạt tia vũ trụ có thể làm hỏng bầu khí quyển của hành tinh hoặc cản trở sự tiến hóa ổn định của các sinh vật. Tất nhiên, không phải lúc nào lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm thiên hà là Sagittarius A* cũng hoạt động mạnh mẽ, nhưng trung tâm thiên hà có khả năng cao hơn là tiếp xúc với môi trường năng lượng cao khắc nghiệt trong dài hạn.
Thế nhưng, việc Mặt Trời rời quá xa ra ngoài rìa thiên hà cũng chẳng phải là điều tốt lành gì. Vùng ngoại ô quá xa của thiên hà có hàm lượng kim loại tương đối thấp. Trong thiên văn học, kim loại ở đây không chỉ có nghĩa là sắt. Nó chỉ tất cả các nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Cần phải có các nguyên tố như carbon, oxy, silic, magie, sắt thì các hành tinh đá mới hình thành, đại dương mới xuất hiện, và hóa học của vỏ Trái Đất, bầu khí quyển và sự sống mới khả thi. Nếu đi quá xa ra ngoài thiên hà, các vật liệu nguyên tố nặng này có thể bị thiếu hụt. Cuối cùng, nơi tốt cho sự sống là nơi không quá gần trung tâm thiên hà, cũng không quá xa phía bên ngoài.
Góc nhìn này được gọi là phiên bản thiên hà của Vùng Goldilocks, tức là Vùng ở được trong thiên hà. Giống như phạm vi thích hợp nơi nước lỏng có thể tồn tại xung quanh một hành tinh được gọi là vùng ở được xung quanh sao, ý tưởng cho rằng ngay cả trong thiên hà cũng có một phạm vi hình bánh donut nơi khả năng các ngôi sao và hành tinh phù hợp cho sự sống cao hơn. Khái niệm này xem xét cùng lúc các yếu tố như hàm lượng kim loại, tần suất siêu tân tinh, tỷ lệ hình thành sao và thời gian tiến hóa đầy đủ. Trong các nghiên cứu cổ điển, vùng ở được của Dải Ngân hà đã được đề xuất là khu vực hình vòng quanh phạm vi 7~9kpc từ tâm thiên hà. Tất nhiên, ranh giới này không phải là đường tuyệt đối. Các nghiên cứu sau đó cũng chỉ trích rằng khả năng ở được của toàn bộ thiên hà nên được nhìn nhận một cách linh hoạt hơn. Dù vậy, trực giác cơ bản rằng "quá sâu bên trong thì nguy hiểm, quá xa bên ngoài thì thiếu nguyên liệu" vẫn đầy sức thuyết phục.
Trái Đất nằm ngay trong vùng Goldilocks thiên hà. Và lý do Trái Đất đạt được những điều kiện tối ưu có lẽ là vì Mặt Trời đã rời xa quê hương từ sớm. Vì Mặt Trời được sinh ra ở đĩa trong, nó có thể nhận được vật liệu chứa đầy đủ các nguyên tố nặng. Nhờ đó, Trái Đất – một hành tinh đá – mới được hình thành. Tuy nhiên, Mặt Trời không ở lại mãi môi trường bên trong nguy hiểm đó. Nó đã di chuyển ra phía ngoài vào thời kỳ biến động liên quan đến sự hình thành thanh chắn thiên hà, và cuối cùng đã đạt đến vị trí tương đối yên tĩnh trong đĩa Ngân hà như hiện nay. Tại đây, Trái Đất đã có được hàng tỷ năm thời gian. Đại dương vẫn duy trì ổn định, bầu khí quyển không bị tước bỏ hoàn toàn, và sự sống có thể vượt qua nhiều cuộc khủng hoảng để tiến hóa thành những dạng phức tạp.
Nhìn từ góc độ này, bối cảnh cho sự tồn tại của chúng ta không chỉ là Trái Đất. Không chỉ là Mặt Trời. Sự tiến hóa cấu trúc của toàn bộ Dải Ngân hà chính là bối cảnh cho sự sống trên Trái Đất. Cấu trúc thanh ở trung tâm Dải Ngân hà, thứ dường như chẳng liên quan gì đến sự ra đời của sự sống, lại có thể là cơ hội quan trọng nhất đã mang lại sự sống cho Trái Đất ở quy mô thiên hà. Cấu trúc thanh đã làm rung chuyển quỹ đạo của các ngôi sao, có thể đã thúc đẩy sự hình thành sao của đĩa trong, và có thể đã đẩy Mặt Trời cùng các ngôi sao sinh đôi ra phía ngoài. Kết quả là Mặt Trời đã đi theo một lộ trình tinh tế: ra đời ở nơi dồi dào nguyên liệu và sống lâu dài ở nơi có mức độ rủi ro tương đối thấp. Nếu chúng ta muốn tìm kiếm dấu vết của sự sống ngoài hành tinh ngay cả ở các thiên hà bên ngoài cách xa hàng chục triệu, hàng trăm triệu năm ánh sáng, có lẽ trước hết phải chú ý đến các thiên hà xoắn ốc có chứa cấu trúc thanh rõ rệt.
Điều này cũng mang lại trí tưởng tượng mới cho việc tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh. Cho đến nay, khi tìm kiếm sự sống, chúng ta chủ yếu tìm các hành tinh xung quanh ngôi sao, đặc biệt là các hành tinh có thể tồn tại nước ở dạng lỏng. Nhưng nhìn rộng hơn, môi trường thiên hà nơi hành tinh đó thuộc về cũng có thể rất quan trọng. Nếu chúng ta muốn tìm kiếm dấu vết của sự sống ngay cả ở các thiên hà xa xôi bên ngoài Dải Ngân hà, có lẽ chúng ta nên chú ý đến những thiên hà có cấu trúc thanh rõ rệt ở trung tâm. Tất nhiên, không thể nói rằng chỉ vì là thiên hà thanh chắn thì chắc chắn có sự sống tồn tại. Nhưng nếu cấu trúc thanh thúc đẩy sự di chuyển hướng tâm của các ngôi sao và có thể di chuyển các ngôi sao ra đời từ đĩa trong giàu kim loại đến các vùng ngoại ô ổn định hơn, thì thanh chắn rõ rệt có thể là một thiết bị thiên hà làm tăng khả năng xuất hiện các hành tinh có lợi cho sự sống.
Người ta thường nói rằng để nuôi dạy một đứa trẻ cần có sự nỗ lực của cả ngôi làng. Có lẽ để sự sống nảy mầm trên một hành tinh, không chỉ cần sự can thiệp của ngôi sao bên cạnh hay vệ tinh, mà còn cần sự giúp đỡ của nỗ lực và sự tình cờ của vô số ngôi sao trong quy mô toàn bộ Dải Ngân hà.
Tham khảo
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2026/03/aa58914-26/aa58914-26.html
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem 'Galaxy Express 999', anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là Giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do của Đại học Sejong, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Mỗi ngày một mảnh vũ trụ', 'Các nhà khoa học của vũ trụ đầy sao', 'Không thể đi tới nhưng có thể biết', 'Những câu hỏi kỳ lạ hiện ra khi nhìn vũ trụ', và dịch các cuốn sách như 'Hướng dẫn cho người quá giang du hành vũ trụ thực sự', 'Tại sao tôi lại lỡ tay giết Sao Diêm Vương', 'Quantum Life', 'Cosmigraphic'.