Tại sao một ngôi sao lại phát nổ?

Không có ánh sáng nào rực rỡ hơn ánh sáng phát ra từ một vụ nổ sao băng. Khi một ngôi sao chấm dứt cuộc đời theo một cách vô cùng ngoạn mục như vậy, cái chết của nó thải ra những khối lượng và năng lượng khổng lồ. Tuy nhiên, do đâu mà có sự chấm dứt hoành tráng như thế?  

Chỉ có một vài dạng sao có một kết cục đầy sáng chói và giới thiên văn học phân những vụ nổ này thành 2 nhóm chính: sao băng dạng Ia và sao băng dạng II. Trong khi tiến trình tự hủy diệt xảy ra tùy theo loại sao, tất cả những vụ nổ trên vũ trụ đều phụ thuộc hoàn toàn vào khối lượng khổng lồ của ngôi sao đó.  

Khi một ngôi sao sụp đổ

Sao băng dạng II thường được biết đến với các sao băng sụp đổ từ lõi của chúng. Những vụ nổ dạng này chỉ xuất hiện ở những ngôi sao có kích thước lớn ít nhất gấp 8 lần mặt trời của chúng ta.

Để hiểu chính xách chuyện gì đã xảy ra trong suốt quá trình tự hủy diệt này, chúng ta phải chứng kiến một ngôi sao trong thời huy hoàng nhất của nó, khi các lực nội tại và ngoại lai cân bằng với nhau.

Khối lượng riêng của ngôi sao tạo ra lực kéo của trọng lực, trong khi các phản ứng hạt nhân bên trong lõi đã đẩy một áp lực ra bên ngoài vỏ ngôi sao. Cụ thể, một lực cố gắng bành trướng ngôi sao, trong khi lực còn lại muốn nghiền nát nó.  

"Các ngôi sao dành cuộc đời mình để hợp nhất những nguyên tố khác nhau thông qua các phản ứng hạt nhân thành nguyên tố nặng hơn”, theo nhà vật lý học thiên thể Mario Livio của Viện Khoa học Thiên văn vũ trụ Mỹ. Livio ví dụ mặt trời của chúng ta trộn lẫn nguyên tố hydrogen vào nguyên tố helium, và đó chính là cội nguồn của năng lượng mặt trời.  

Tuy nhiên, một ngôi sao chỉ có thể duy trì sự cân bằng này trong một thời điểm nhất định. Dần dần, lõi ngôi sao biến thành sắt và không còn lực đẩy ra nữa, ngôi sao sẽ tự sụp đổ vào bên trong. Nhiệt độ ở lõi tăng vọt dưới áp suất khủng khiếp, bẻ gãy hạt nhân sắt và khiến lõi tự sụp đổ.  

Trong lúc quá trình này diễn ra, sẽ đến lúc xảy ra hiện tượng nảy lên, giống như một vật gì đâm phải bức tường gạch. Lõi ngôi sao sẽ sụp xuống đến mức nó trở nên cực kỳ cứng để có thể bị ép thêm được nữa. Cú nảy hay bật xảy đến dưới dạng sóng xung kích cực mạnh, làm nổ tung cả ngôi sao với tốc độ 16.093 km/giây. Lúc đó, những gì còn lại của lõi có thể hình thành một hố đen hoặc trở thành một vật thể có mật độ siêu đặc gọi là sao neutron. Trong khi các sao neutron có khối lượng tương đương với mặt trời, bán kính của nó chỉ vào khoảng 10 km.  

Khối lượng tới hạn

Đến lúc này, chắc hẳn các bạn bắt đầu tự hỏi thế nào là sao băng dạng Ia. Những vụ nổ dạng này thường chỉ xuất hiện ở sao lùn trắng.

"Đây là những ngôi sao có khối lượng đại khái giống như mặt trời chúng ta”, theo Livio.

Sao lùn trắng là thiên thể được tạo ra khi các ngôi sao có khối lượng nhỏ và trung bình tiêu thụ hết nhiên liệu phản ứng hạt nhân bên trong lõi, để lại đằng sau một lõi trơ chứa chủ yếu carbon và oxygen.

Không còn sự hỗ trợ của các phản ứng nhiệt hạch, lõi của các sao lùn trắng trở thành cực kỳ cô đặc, với khối lượng không thể cao gấp 1,4 lần khối lượng của mặt trời.

Trong trường hợp khối lượng sao lùn trắng vượt qua ngưỡng này, dù nhờ sự hỗ trợ của một sao đồng hành hoặc kết hợp với một sao lùn trắng khác, nó có thể nổ tung như các sao băng mà không để lại bất cứ mảnh vụn nào.  

Dự đoán một vụ nổ sao băng

Các nhà thiên văn học không thể dự đoán chính xác khi nào một vụ nổ sao băng có thể xảy ra, nhưng họ có thể chỉ ra ngôi sao nào sắp “chết”. Lấy ví dụ một vụ nổ dạng Ia.

Bất cứ ngôi sao lùn trắng nào đang bị phát hiện tích trữ thêm khối lượng được xem là một ứng viên đầy tiềm năng. Càng đạt gần đến mức khối lượng tới hạn, vụ nổ càng nhanh chóng xảy ra.  

Vụ nổ sao băng dạng II cũng có thể đoán được qua việc quan sát khối lượng ngôi sao đó. “Ngôi sao càng khổng lồ bao nhiêu thì cuộc sống của nó càng ngắn ngủi bấy nhiêu”, theo Livio. Nếu phát hiện một ngôi sao có khối lượng lớn gấp 20 lần mặt trời, bạn có thể chắc chắn là ngôi sao đó sẽ nổ tung trong vòng 1 triệu năm tới. 

Nhà vật lý học thiên thể Peter Tuthill của Đại học Sydney (Úc) chỉ ra rằng khối lượng một ngôi sao, độ sáng của nó cũng như nhiệt độ bề mặt có thể cho biết rất nhiều điều về chu kỳ sống của nó, nhưng ngay cả những thông tin này cũng không thể chỉ ra thời điểm hủy diệt của ngôi sao đó.

“Một khi một ngôi sao khổng lồ tiếp cận điểm chết, rất khó dự đoán thời điểm chính xác của vụ nổ về cõi vĩnh hằng. Một vài ngôi sao trên bầu trời đêm, như Betelgeuse và Eta Carinae, có thể nổ tung vào ngày mai hoặc vài trăm ngàn năm sau”, Tuthill nói.

Cũng theo chuyên gia này, các ngôi sao sống một cuộc đời dài lâu và hàng triệu năm chỉ bằng một cái chớp mắt của hầu hết những ngôi sao.

Do đó, nếu may mắn, có thể bạn sẽ chứng kiến được một trong những hiện tượng gây chấn động nhất vũ trụ.

Hạo Nhiên
(Theo Space.com)