Khôi Nguyên
Writer
Nguồn gốc của các nguyên tố nặng như vàng, bạch kim hay uranium trong vũ trụ luôn là một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý thiên văn hiện đại. Chúng ta biết hydro và heli hình thành từ Vụ Nổ Lớn, các nguyên tố nhẹ hơn sắt được tạo ra trong lõi sao qua phản ứng nhiệt hạch. Nhưng làm thế nào vũ trụ tạo ra những nguyên tố nặng hơn sắt? Đó là "một câu đố lớn mà đến giờ vẫn chưa có lời giải cuối cùng," theo nhà nghiên cứu Anirudh Patel từ Đại học Columbia. Mới đây, một nghiên cứu phân tích lại dữ liệu cũ kỹ từ đầu những năm 2000 của NASA và ESA có thể đã hé lộ một phần câu trả lời quan trọng.
Bài toán khó của quá trình r (r-process)
Các nguyên tố nặng hơn sắt được cho là hình thành chủ yếu qua quá trình bắt neutron nhanh (rapid neutron capture process - r-process). Trong quá trình này, hạt nhân nguyên tử "nuốt" một lượng lớn neutron trong thời gian cực ngắn, sau đó trải qua phân rã beta để tạo thành các nguyên tố nặng và ổn định hơn. Vấn đề là quá trình này đòi hỏi những điều kiện vật lý cực kỳ khắc nghiệt – mật độ neutron cực cao và nhiệt độ cực lớn – mà các nhà khoa học vẫn chưa xác định chắc chắn chúng xảy ra ở đâu trong vũ trụ.
Các "ứng cử viên" sáng giá nhất bao gồm các vụ va chạm giữa hai sao neutron (đã được xác nhận là một nguồn tạo ra r-process sau sự kiện GW170817), các vụ nổ siêu tân tinh (supernova) đặc biệt, hoặc các dòng vật chất phụt ra từ đĩa bồi tụ quanh lỗ đen. Tuy nhiên, mỗi giả thuyết đều có điểm yếu, ví dụ như các vụ va chạm sao neutron được cho là xảy ra tương đối muộn và không đủ thường xuyên để giải thích sự tồn tại của vàng và các nguyên tố nặng khác trong những ngôi sao rất già, hình thành từ thời kỳ đầu của vũ trụ.
Manh mối từ vụ nổ sao từ năm 2004
Trong nỗ lực tìm kiếm lời giải, nhóm nghiên cứu mới đây đã quyết định "lật lại hồ sơ", tìm kiếm các tín hiệu đặc trưng của quá trình r-process trong kho dữ liệu lưu trữ của kính thiên văn tia gamma INTEGRAL (thuộc ESA, có sự tham gia của NASA) từ những năm đầu hoạt động. Bất ngờ thay, họ phát hiện một tín hiệu tia gamma yếu nhưng có ý nghĩa, phát ra từ một sự kiện bùng nổ dữ dội xảy ra vào tháng 12 năm 2004.
Sau khi đối chiếu tín hiệu này với các mô hình lý thuyết, nhóm nghiên cứu nhận thấy nó trùng khớp một cách đáng kinh ngạc với dự đoán về sự hình thành và phát tán các nguyên tố nặng trong một vụ nổ của sao từ (magnetar) – một dạng sao neutron cực hiếm với từ trường mạnh gấp hàng triệu lần Trái Đất.
Sao từ - "Lò luyện vàng" thứ hai?
Nếu kết quả này được xác nhận bởi các quan sát trong tương lai, nó có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Sao từ sẽ trở thành nguồn r-process thứ hai được xác nhận trong vũ trụ, bên cạnh các vụ va chạm sao neutron. Nhóm nghiên cứu ước tính các vụ nổ sao từ có thể đóng góp từ 1 đến 10% tổng lượng nguyên tố nặng trong toàn Dải Ngân Hà. Quan trọng hơn, các vụ nổ sao từ có thể xảy ra sớm hơn nhiều trong lịch sử vũ trụ so với các vụ va chạm sao neutron, giúp giải thích tại sao vàng và các nguyên tố nặng khác lại có mặt trong những ngôi sao cổ xưa nhất. "Nó có thể làm thay đổi cách chúng ta hiểu về quá trình tiến hóa hóa học của cả thiên hà," nhóm nghiên cứu viết trong bài báo công bố trên The Astrophysical Journal Letters.
Tuy nhiên, các nhà khoa học nhấn mạnh cần thêm nhiều bằng chứng quan sát trực tiếp hơn nữa để khẳng định vai trò của sao từ. Hy vọng được đặt vào sứ mệnh COSI (Compton Spectrometer and Imager) sắp tới của NASA, dự kiến phóng vào năm 2027. Với khả năng dò tìm tia gamma nhạy bén hơn, COSI có thể phát hiện thêm nhiều vụ nổ tương tự và kiểm chứng giả thuyết về sao từ là một "lò luyện vàng" quan trọng của vũ trụ. "Thật tuyệt khi nghĩ rằng một phần vàng trong điện thoại hay laptop của tôi có thể được hình thành từ một vụ nổ dữ dội của một ngôi sao cách đây hàng tỷ năm," Patel chia sẻ.
Bài toán khó của quá trình r (r-process)
Các nguyên tố nặng hơn sắt được cho là hình thành chủ yếu qua quá trình bắt neutron nhanh (rapid neutron capture process - r-process). Trong quá trình này, hạt nhân nguyên tử "nuốt" một lượng lớn neutron trong thời gian cực ngắn, sau đó trải qua phân rã beta để tạo thành các nguyên tố nặng và ổn định hơn. Vấn đề là quá trình này đòi hỏi những điều kiện vật lý cực kỳ khắc nghiệt – mật độ neutron cực cao và nhiệt độ cực lớn – mà các nhà khoa học vẫn chưa xác định chắc chắn chúng xảy ra ở đâu trong vũ trụ.
Các "ứng cử viên" sáng giá nhất bao gồm các vụ va chạm giữa hai sao neutron (đã được xác nhận là một nguồn tạo ra r-process sau sự kiện GW170817), các vụ nổ siêu tân tinh (supernova) đặc biệt, hoặc các dòng vật chất phụt ra từ đĩa bồi tụ quanh lỗ đen. Tuy nhiên, mỗi giả thuyết đều có điểm yếu, ví dụ như các vụ va chạm sao neutron được cho là xảy ra tương đối muộn và không đủ thường xuyên để giải thích sự tồn tại của vàng và các nguyên tố nặng khác trong những ngôi sao rất già, hình thành từ thời kỳ đầu của vũ trụ.
Manh mối từ vụ nổ sao từ năm 2004
Trong nỗ lực tìm kiếm lời giải, nhóm nghiên cứu mới đây đã quyết định "lật lại hồ sơ", tìm kiếm các tín hiệu đặc trưng của quá trình r-process trong kho dữ liệu lưu trữ của kính thiên văn tia gamma INTEGRAL (thuộc ESA, có sự tham gia của NASA) từ những năm đầu hoạt động. Bất ngờ thay, họ phát hiện một tín hiệu tia gamma yếu nhưng có ý nghĩa, phát ra từ một sự kiện bùng nổ dữ dội xảy ra vào tháng 12 năm 2004.
Sau khi đối chiếu tín hiệu này với các mô hình lý thuyết, nhóm nghiên cứu nhận thấy nó trùng khớp một cách đáng kinh ngạc với dự đoán về sự hình thành và phát tán các nguyên tố nặng trong một vụ nổ của sao từ (magnetar) – một dạng sao neutron cực hiếm với từ trường mạnh gấp hàng triệu lần Trái Đất.
Sao từ - "Lò luyện vàng" thứ hai?
Nếu kết quả này được xác nhận bởi các quan sát trong tương lai, nó có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Sao từ sẽ trở thành nguồn r-process thứ hai được xác nhận trong vũ trụ, bên cạnh các vụ va chạm sao neutron. Nhóm nghiên cứu ước tính các vụ nổ sao từ có thể đóng góp từ 1 đến 10% tổng lượng nguyên tố nặng trong toàn Dải Ngân Hà. Quan trọng hơn, các vụ nổ sao từ có thể xảy ra sớm hơn nhiều trong lịch sử vũ trụ so với các vụ va chạm sao neutron, giúp giải thích tại sao vàng và các nguyên tố nặng khác lại có mặt trong những ngôi sao cổ xưa nhất. "Nó có thể làm thay đổi cách chúng ta hiểu về quá trình tiến hóa hóa học của cả thiên hà," nhóm nghiên cứu viết trong bài báo công bố trên The Astrophysical Journal Letters.
Tuy nhiên, các nhà khoa học nhấn mạnh cần thêm nhiều bằng chứng quan sát trực tiếp hơn nữa để khẳng định vai trò của sao từ. Hy vọng được đặt vào sứ mệnh COSI (Compton Spectrometer and Imager) sắp tới của NASA, dự kiến phóng vào năm 2027. Với khả năng dò tìm tia gamma nhạy bén hơn, COSI có thể phát hiện thêm nhiều vụ nổ tương tự và kiểm chứng giả thuyết về sao từ là một "lò luyện vàng" quan trọng của vũ trụ. "Thật tuyệt khi nghĩ rằng một phần vàng trong điện thoại hay laptop của tôi có thể được hình thành từ một vụ nổ dữ dội của một ngôi sao cách đây hàng tỷ năm," Patel chia sẻ.
