[BizHanKook] Trên bầu trời có những ngôi sao muôn màu muôn vẻ. Ánh sáng mang những bước sóng và màu sắc khác nhau từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm đến tím tùy thuộc vào nhiệt độ. Vì mỗi ngôi sao có nhiệt độ khác nhau nên chúng tỏa sáng bằng những màu sắc đa dạng như vậy. Tuy nhiên, nếu quan sát kỹ, bạn sẽ cảm thấy có điều gì đó không ổn. Có một màu chắc chắn tồn tại trong quang phổ cầu vồng nhưng lại không thể tìm thấy trên bầu trời đêm. Đó là màu xanh lá cây. Trên bầu trời có đầy đủ các ngôi sao màu đỏ, vàng, xanh dương, nhưng tuyệt nhiên không có ngôi sao màu xanh lá cây. Màu xanh lá cây được cho là màu không thể tồn tại trong thế giới của các vì sao.
Thế nhưng, gần đây, một lập luận thú vị đã phá vỡ quan niệm thông thường đó. Họ cho rằng có những ngôi sao mà khi nhìn bằng mắt người, chúng trông hoàn toàn có màu xanh lá cây. Thậm chí, những ngôi sao màu hồng hay màu tím cũng có thể tồn tại. Tại sao các nhà thiên văn học lại từng nói rằng sao màu xanh lá không tồn tại? Và tại sao đột nhiên những ngôi sao màu xanh lá cây lại xuất hiện?
Trước hết, hãy cùng xem xét tại sao người ta lại nói không có sao màu xanh lá cây. Màu sắc của một ngôi sao giống như Mặt Trời thường được quyết định bởi nhiệt độ bề mặt. Những ngôi sao ấm áp có màu đỏ hoặc cam, khi nóng hơn chúng chuyển sang màu trắng và cuối cùng là màu xanh dương. Lý do là vì các ngôi sao phát ra ánh sáng gần như một vật đen lý tưởng, mặc dù không hoàn hảo.
Quang phổ ánh sáng do vật đen phát ra phân bố liên tục trên phạm vi bước sóng rộng. Tùy theo nhiệt độ mà bước sóng phát ra năng lượng cao nhất sẽ thay đổi, nhưng không phải chỉ có ánh sáng tại đỉnh đó mới được phát ra. Những ánh sáng có bước sóng ngắn hơn và dài hơn ở hai bên đỉnh đó cũng được phát ra đồng thời.
Trên thực tế, nếu vẽ biểu đồ cường độ ánh sáng của Mặt Trời theo bước sóng, đỉnh cao nhất nằm ở gần vùng bước sóng màu xanh lá cây. Tuy nhiên, Mặt Trời lại không trông giống màu xanh lá cây. Đó là vì ánh sáng màu xanh dương và màu đỏ, vốn có bước sóng ngắn hơn và dài hơn màu xanh lá một chút, cũng được phát ra với cường độ tương đương. Mắt chúng ta tiếp nhận tất cả ánh sáng này và cảm nhận kết quả hỗn hợp dưới dạng màu sắc. Khi màu xanh lá, đỏ và xanh dương trộn lẫn với nhau, kết quả không phải là màu xanh lá mà là màu trắng. Ba loại tế bào nón trong mắt nhận diện ba màu cơ bản này, và não bộ tổng hợp chúng để tạo ra màu sắc tổng thể.
Vì vậy, nếu thay đổi nhiệt độ của ngôi sao để so sánh màu sắc, nó sẽ chuyển từ màu đỏ qua màu trắng (chứ không phải màu xanh lá cây) rồi đến màu xanh dương. Để một ngôi sao trông có màu xanh lá cây, nó không được phát ra bất kỳ ánh sáng nào ở bước sóng đỏ và xanh dương hai bên, mà phải tỏa sáng rực rỡ chỉ ở bước sóng màu xanh lá cây. Điều này có thể xảy ra nếu nó ở dạng vạch phát xạ, giống như cách các nguyên tử giải phóng ánh sáng. Các phân tử oxy là ví dụ điển hình, chúng chỉ chọn phát ra ánh sáng bước sóng màu xanh lá, đó là lý do tại sao chúng ta có thể thấy cực quang màu xanh lá ở các vùng cực. Tuy nhiên, với bức xạ vật đen như các ngôi sao, vốn phát ra ánh sáng đều đặn và nhẹ nhàng trên dải bước sóng rộng, điều đó là bất khả thi. Đó là những gì chúng ta đã từng tin tưởng.
Mọi chuyện có thể thay đổi nếu bầu khí quyển của ngôi sao hấp thụ mạnh chỉ một bước sóng ánh sáng nhất định. Đáng lẽ ánh sáng đỏ, xanh dương và xanh lá trộn lẫn tạo thành màu trắng, nhưng vì ánh sáng đỏ và xanh dương bị hấp thụ lại, nên chỉ có ánh sáng xanh lá còn sót lại. Đặc biệt, trong tình trạng của các sao lùn trắng, tàn dư sau khi các ngôi sao như Mặt Trời kết thúc quá trình tiến hóa, một sự kết hợp đặc biệt như vậy hoàn toàn có thể xảy ra.
Dưới tác động của trọng lực mạnh, bầu khí quyển của sao lùn trắng trở nên rất đậm đặc. Đặc biệt trong bầu khí quyển heli đã đủ nguội, các hạt xếp chồng lên nhau và tương tác mạnh với các nguyên tố khác lẫn vào bên trong. Tất nhiên, ở các ngôi sao thông thường, các nguyên tố trong khí quyển cũng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng nhất định, để lại những vạch tối trong quang phổ. Nhưng nếu các vạch hấp thụ này tương đối hẹp, chúng không ảnh hưởng lớn đến màu sắc tổng thể của ngôi sao nhìn bằng mắt thường.
Tuy nhiên, ở một số sao lùn trắng, các vạch hấp thụ này lan rộng trên một bước sóng rộng. Khi đó, sự kết hợp màu sắc tổng thể của ánh sáng sao sẽ thay đổi, tạo ra những sắc thái độc đáo mà không thể dự đoán chỉ bằng nhiệt độ.
Nghiên cứu lần này đã phân tích ánh sáng thoát ra và ánh sáng bị hấp thụ của sao lùn trắng rồi kết nối trực tiếp với cảm giác màu sắc của con người. Các nhà khoa học đã tính toán chính xác bước sóng ánh sáng nào sẽ thoát ra và phân tích xem ánh sáng đó trông như thế nào khi nhìn bằng mắt người. Do đó, nói một cách nghiêm túc, đây không phải là chụp ảnh một ngôi sao thực sự phát ra ánh sáng màu xanh lá. Đây chỉ là một nghiên cứu tái hiện lại xem ngôi sao đó sẽ trông như thế nào nếu chúng ta quan sát ở cự ly gần.
Nhân vật chính ở đây là WD J1330+6435. Nhiệt độ hiệu dụng bề mặt là khoảng 4240K (Kelvin). Đây là một sao lùn trắng hơi ấm hơn Mặt Trời một chút. Trong bầu khí quyển heli của ngôi sao này có chứa các nguyên tố natri và kali. Những nguyên tố nặng được tìm thấy trong khí quyển sao lùn trắng này thường được cho là dấu vết còn sót lại sau khi các vật chất đá từ những hành tinh xung quanh bị ngôi sao nuốt chửng.
Thông thường, do trọng lực mạnh, những nguyên tố nặng này sẽ chìm xuống dưới bầu khí quyển. Thế nhưng, nếu ngôi sao vẫn đang tiếp tục "dọn sạch" những tàn dư tiểu hành tinh còn sót lại xung quanh, vật chất mới liên tục được đưa vào, khiến cho bề mặt ngôi sao vẫn còn chứa nhiều nguyên tố nặng này. Thông thường, natri hấp thụ ánh sáng vàng ở bước sóng khoảng 589nm. Trong bầu khí quyển đậm đặc, do tương tác với các hạt xung quanh, vạch hấp thụ mở rộng hơn và có thể hấp thụ mạnh cả vùng ánh sáng cam. Đây được gọi là hiện tượng tăng độ rộng vạch quang phổ do áp suất (pressure broadening). Canxi lại "gặm nhấm" ánh sáng vùng màu tím. Kết quả là tỷ lệ màu sắc trong quang phổ của ngôi sao này thay đổi, nhìn tổng thể nó có màu xanh lục nhạt giống như quả bóng tennis. Không phải là 100% chỉ phát ra ánh sáng xanh lá cây. Khi màu cam và tím gần như biến mất, ánh sáng còn lại hòa trộn với nhau tạo thành một màu ánh sáng gần giống màu xanh lục nhạt thoang thoảng sắc xanh lá cây.
Với cách tương tự, các ngôi sao màu hồng cũng có thể tồn tại. Một sao lùn trắng khác là WD J0902+2010 có carbon đóng vai trò quan trọng. Khi đối lưu phát triển sâu trong lớp heli của sao lùn trắng lạnh, carbon từng chìm vào bên trong có thể được trộn lẫn và đẩy lên bề mặt khí quyển. Một phần carbon đó, trong mật độ cao, trở thành C₂ (hai nguyên tử kết hợp), phân tử này tạo ra các vạch hấp thụ trải rộng trên bước sóng gọi là "Swan bands". Đây cũng là đặc điểm nổi bật trong quang phổ của các sao chổi chứa nhiều carbon. Đặc biệt, mật độ cao của khí quyển sao lùn trắng làm thay đổi vị trí và hình dạng của các dải hấp thụ này. Kết quả là tỷ lệ hỗn hợp ánh sáng sao thay đổi, khiến nó có thể trông giống màu tím nhạt hoặc màu hồng.
Thậm chí, một sao lùn trắng khác là WD J1011+2845 có khả năng trông giống màu hồng cá hồi đậm do các vạch hấp thụ mạnh của phân tử carbon làm giảm đáng kể ánh sáng ở vùng bước sóng ngắn của quang phổ khả kiến.
Như vậy, màu sắc của ánh sáng sao không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt mà còn khác biệt đáng kể tùy vào thành phần tạo nên khí quyển bề mặt. Bầu khí quyển của các ngôi sao bình thường không đủ đậm đặc nên dù có vạch hấp thụ cũng không gây ảnh hưởng lớn, nhưng ở các ngôi sao có mật độ cực cao như sao lùn trắng, ảnh hưởng này trở nên rõ rệt. Vì thế, không chỉ ánh sáng thoát ra mà cả ánh sáng bị hấp thụ cũng ảnh hưởng lớn đến sự phối màu tổng thể. Tùy thuộc vào không chỉ màu ánh sáng thoát ra mà còn là ánh sáng nào đã biến mất, "ly cocktail" màu sắc được tạo thành sẽ hoàn toàn khác biệt.
Sao lùn trắng thực ra không chỉ đơn thuần là những ngôi sao màu trắng. Thậm chí, một ngôi sao có thể có hai khuôn mặt. Trường hợp cực đoan nhất là ngôi sao được gọi là Janus, được biết đến vào năm 2023. Ngôi sao này tỏa sáng với nhiệt độ 35.000K, nằm cách xa 1300 năm ánh sáng, được đặt tên theo vị thần có hai khuôn mặt.
Độ sáng của ngôi sao này thay đổi rất nhanh và các dạng quang phổ cũng khác nhau theo thời gian. Đôi khi người ta thấy vạch hấp thụ hydro rõ nét, nhưng đôi khi lại xuất hiện vạch hấp thụ heli. Sự thay đổi này lặp đi lặp lại nhanh chóng chỉ với chu kỳ 15 phút. Điều này là do bầu khí quyển bề mặt sao lùn trắng xoay nhanh, khiến nó luân phiên cho thấy những khuôn mặt với tính chất khác nhau.
Thông qua nghiên cứu bổ sung, các nhà thiên văn học suy đoán rằng một mặt của bề mặt ngôi sao được bao phủ bởi lớp hydro dày đến mức che khuất lớp heli bên dưới, nhưng mặt kia không có lớp hydro nên lớp heli bên dưới đã lộ ra. Vậy tại sao lớp hydro lại dày lên ở một bên? Người ta cho rằng đó là do từ trường bất đối xứng. Từ trường ảnh hưởng đến sự đối lưu và chuyển động của vật chất, có thể đã tạo ra vẻ ngoài giống như Janus với hai khuôn mặt khác nhau ở hai nửa ngôi sao.
Như vậy, màu sắc của ánh sáng sao rất phức tạp và đa dạng. Chúng ta thường nghĩ màu sắc ánh sáng sao chỉ được quyết định bởi nhiệt độ, nhưng các đặc điểm chi tiết hơn như thành phần khí quyển, mật độ và từ trường cũng ảnh hưởng đến màu sắc tổng thể. Màu sắc của ánh sáng sao cho phép chúng ta nhìn sâu hơn vào những câu chuyện tỉ mỉ của các vì sao. Vũ trụ trở nên đẹp đẽ có lẽ vì các ngôi sao không chỉ tỏa sáng bằng một màu duy nhất mà bằng nhiều màu sắc khác nhau cùng một lúc. Mặc dù nhìn tổng thể vũ trụ chỉ là một màu đen vô tận, nhưng bên trong đó, các ngôi sao đang nỗ lực để không quên đi sự sặc sỡ của chính mình. Ngay cả trong quá trình phản ứng nhiệt hạch kết thúc và chúng đang tiến dần đến cái chết.
Tham khảo
https://academic.oup.com/rasti/article/doi/10.1093/rasti/rzag069/8914458?login=true
Tác giả Ji Ung-bae là ai? Là người yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem ‘Galaxy Express 999’, anh đã nuôi ước mơ thông báo cho thế giới biết về vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang là trợ lý giáo sư tại Khoa Chương trình Tự do của Đại học Sejong, tham gia vào các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như thuyết giảng và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như ‘Về sự vô ích của nhà thiên văn học’, ‘Chúng ta đều sinh ra là những nhà thiên văn học’, ‘Những câu hỏi kỳ lạ hiện ra khi nhìn vào vũ trụ’, và dịch các tác phẩm như ‘Tại sao tôi lại giết sao Diêm Vương’, ‘Cuộc đời lượng tử’, ‘UFO’.