Vòng Đời của Các Vì Sao
Để hiểu biết các ngôi sao chết đi như thế nào và tạo ra các thiên thể cực đặc cần một số hiểu biết về các ngôi sao sống như thế nào. Cũng giống như con người chịu vòng đời không thể tránh khỏi, các ngôi sao sinh ra, sống cuộc sống của mình, và cuối cùng là chết đi. Nơi sản sinh ra một ngôi sao điển hình, bao gồm cả Mặt Trời, là một đám mây khí và bụi cực lớn trôi nổi trong không gian. Những đám mây như vậy bắt đầu hình thành khi “gió” được tạo ra do các ngôi sao nổ tung thổi các phân tử khí và bụi ra xung quanh; một số lại rải ra xa hơn nữa, một số khác lại tập trung lại với nhau. Khi một đám mây như vậy tập trung đủ, hấp dẫn sẽ làm chúng xích lại gần nhau hơn qua thời gian. Sự tập trung này đồng thời tạo ra sức nóng, làm cho khí và bụi càng ngày càng nóng hơn. Sau đó, tâm của đàm mây đủ nóng để nấu một miếng thịt nước; sau đó nó đạt đến nhiệt độ đủ để cung cấp cho lò luyện kim; và cuối cùng, sau vài nghìn năm, nhiệt độc của nhân đám mây trỏ nên đủ nóng để kết hợp các nguyên tử hydro và từ đó kích thích phản ứng hạt nhân xảy ra. Và ngay lập tức, nhân phát ra ánh sáng chói lòa và năng lượng khác thổi lớp mây lạnh hơn ra xa, để lại một khối cầu khổng lồ của khí nóng trắng--một ngôi sao mới ra đời.
Ngôi sao mới có đủ hydro trong nhân để duy trì phản ứng hạt nhân trong vài tỷ năm. Và trong phần đời dài nhất của mình, nó liên tục phát ra ánh sáng và nhiệt. Nếu các nhân tố khác trong hệ mặt trời của ngôi sao đó thuận lợi -- như sự hình thành của một hành tinh ở khoảng cách chính xác với ngôi sao đó để nước tồn tại ở thể lỏng -- thì lượng ánh sáng và nhiệt vừa đủ sẽ tạo điều kiện cho sự sống tồn tại ở hệ mặt trời đó. Nếu không có nguy hiểm đáng kể cho sự sống như vậy một khi ngôi sao đó còn ở trạng thái ổn định.
Lý do để một ngôi ngôi sao ở trạng thái ổn định khá lâu là có hai lực lớn tồn tại trong thiên thể đó và ngược chiều nhau, tạo ra cân bằng. Một trong hai lực là lực hấp dẫn, làm cho vật chất khối lượng lớn ở lớp ngoài ngôi sao rơi vào trong, tạo ra một áp suất lớn. Mặt Trời “có khối lượng lớn gấp hàng ngàn lần Sao Mộc,” Begelman và Rees nói. Nếu Mặt Trời là một thiên thể lạnh, “hấp dẫn sẽ nén nó lại với mật độ đặc gấp triệu lần một vật rắn bình thường. Nó có thể … có kích thước cỡ như Trái Đất, nhưng có khối lượng lớn hơn 330.000 lần.”16
Nhưng như mọi người cũng dễ dàng nhận ra, Mặt Trời không phải là một thiên thể lạnh. Các ngôi sao như Mặt Trời tạo ra một lượng năng lượng rất lớn, tạo ra một lực chính thứ hai tồn tại trong chúng. Phản ứng hạt nhân trong nhân các ngôi sao tạo ra một lượng nhiệt, ánh sáng cực lớn và rất nhiều các phần tử nhỏ thoát ra bề mặt. Ví dụ, trong Mặt Trời, môi giâu nhân sản xuất ra năng lượng bằng 100 triệu trái bom hạt nhân nổ cùng lúc. Khi dòng năgn lượng cực lớn này di chuyển ra khỏi nhân, nó tạo ra một áp suất hướng ra ngoài rất lớn. Và áp suất này cân bằng với lực hấp dẫn hút vào. Nhân của Mặt Trời, Begelman và Rees tổng kết,
Có nhiệt độ vào khoảng 15 triệu độ… nóng hơn hàng ngàn lần bề mặt nóng rực của nó. Tại nhiệt độ cao như vậy, hạt nhân nguyên tử trong Mặt Trời di chuyển với vận tốc hàng trăm kilomet trên giây. Áp suất của nhân nóng này… chống lại tác động [hút vào] của hấp dẫn trong các ngôi sao như Mặt Trời.17
Nhờ vào cân bằng giữa áp suất đẩy ra và hút vào này, các ngôi sao như Mặt Trời duy trì được trạng thái của mình trong một khoảng thời gian dài. Các nhà thiên văn học ước đoán rằng Mặt Trời, đã tồn tại ở trạng thái ổn định vài tỷ năm, sẽ giữ nguyên trạng thái này trong vài tỷ năm nữa. Tuy nhiên, cũng như động vật hay con người, trái bóng nóng bỏng này không tồn tại mãi. Cuối cùng, một ngôi sao cũng phải sử dụng hết nhiên liệu của mình và tiến tới cái chết, tạo ra một biến cố mà khi đó hầu hết vật chất của nó bị nén lại một trạng thái cực đặc. Trạng thái này có thể ở ba dạng khác nhau, phụ thuộc vào khối lượng ban đầu của ngôi sao; các trường hợp đều tạo ra một thiên thể siêu đặc. Hai trong số những thiên thể này -- sao lùn trắng và sao notron -- là những bước đầu trên con đường tiến tới hố đen. Thiên thể thứ ba chính là hố đen.
Bước Một: Sao Lùn Trắng
Định mệnh của Mặt Trời là chuyển hóa thành dạng thiên thể thứ nhất trong ba thiên thể siêu đặc do các vì sao chết tạo ra, một sao lùn trắng. Vài tỷ năm nữa, ngôi sao của chúng ta sẽ bắt đầu cạn kiệt hydro để làm nhiên liệu cho phản ứng hạt nhân trong nhân của nó. Khi hầu hết hydro hết đi, nhân của nó sẽ đặc hơn và nóng hơn. Lượng nhiệt thêm này sẽ làm cho lớp ngoài của Mặt Trời bị bắn ra ngoài, biến thành một ngôi sao khổng lồ lớn hơn hiện tại hàng trăm lần; thực tế, bề mặt của nó sẽ nhận chìm quỹ đạo của Sao Thủy và Sao Kim, phá hủy các hành tinh này, và bề mặt của Trái Đất (lúc này sẽ là hành tinh trong cùng của hệ mặt trời) sẽ bị cháy như ở trong lò luyện kim. Tuy nhiên, do bề mặt mới của Mặt Trời sẽ bị kéo căng và rộng hơn trước, nên các phần của nó sẽ lạnh hơn trước một ít. Vì vậy màu của ngôi sao sẽ chuyển từ màu vàng nóng sang màu đỏ lạnh hơn. Vì các ngôi sao như vậy nở to và nguội đi nên chúng được gọi là sao khổng lồ đỏ.
Cuối cùng, nhân của ngôi sao Mặt Trời khổng lồ đỏ sẽ hoàn toàn hết hydro, và tại điểm này nó sẽ bắt đầu đốt nguyên tố nặng nhất tiếp theo của nó, heli. Tất nhiên, heli cũng sẽ hết, và lúc đó ngôi sao sẽ không còn đốt nhiên liệu để tạo ra phản ứng hạt nhân nữa. Khi đó, sự cân bằng mỏng manh giữ trạng thái của ngôi sao sẽ suy yếu. Áp suất hướng ra của năng lượng phát ra suy giảm, làm áp suất hướng vào của hấp dẫn chiến thắng. “Lực hấp dẫn đã chờ đợi,” Asimov viết, “kéo vào nhẫn nại và không mệt mỏi trong hàng tỷ năm, và cuối cùng sự kháng cự lực kéo đó đã sụp đổ.”18
Vụ Nổ trên Sao Lùn TrắngKhi hình thành từ vụ nổ của các vì sao, sao lùn trắng rắn chầm chậm lạnh đi và biến mất. Tuy nhiên, nếu chúng là một trong hệ sao nhị phân, sao lùn trắng có thể định kỳ tạo ra các vụ nổ gọi là sao mới (nova), nhà thiên văn học Thomas T. Arny thuộc Trường đại học Amherst giải thích trong cuốn sách nổi tiếng của mình là Explorations.Nếu một sao lùn trắng gần bạn đồng hành của mình, khí thoát ra từ sao đồng hành có thể rơi vào trong sao lùn trắng….Đến từ lớp ngoài của sao đồng hành, khí giàu hydro có thể trở thành nhiên liệu cho sao lùn trắng trong một khoảng thời gian ngắn. Lớp khí ngay lập tức đạt tới nhiệt độ cháy của hydro nhưng… hạt nhân nóng chảy trong khí có thể phát nổ. Hydro nổ bắn vào trong không gian và có dạng một lớp vỏ khí nóng nở rộng… ánh sáng đó có năng lượng lớn hơn nhiều so với sao lùn trắng. Đôi khi những vụ nổ này có thể thấy bằng mắt thường. Khi các nhà thiên văn trước đây thấy hiện tượng này, họ gọi chúng là nova, nghĩa Latinh là “sao mới”, vì vụ nổ này có thể tạo ra một điểm sáng xuất hiện trên bầu trời mà ở đó trước đó không có ngôi sao nào thấy được cả. |
2.Khí và vật chất tích lũy lại và bị hâm nóng trên bề mặt của sao lùn trắng.
3.Vật chất bị hâm nóng cháy và nổ, tạo ra một lớp vỏ sáng gọi là sao mới.
Khi hấp dẫn chiến thắng, sao Mặt Trời khổng lồ đỏ bắt đầu sụp đỏ. Một ít nguyên liệu bên ngoài của nó sẽ thoát ra không gian. Nhưng hầu hết bị giữ lại trong ngôi sao đang suy sụp, chúng hoàn toàn nằm trong tay của hấp dẫn, cuối cùng sẽ nén những vật chất này thành một sao lùn trắng -- một ngôi sao nhỏ, nóng, nhưng chỉ là một quả bóng sáng mờ có kích thước cỡ vào Trái Đất. Một ngôi sao lùn trắng đặc tới nỗi một thìa vật chất của nó cũng nặng đến một tấn. Không đáng ngạc nhiên khi một thiên thể như vậy tạo ra một giếng hấp dẫn rất sâu và một lực hấp dẫn rất mạnh. Để thoát khỏi một sao lùn trắng, một con tàu vũ trụ phải đạt tới vận tốc khoảng ba trăm ngàn dặm một giây! (Tất nhiên, thật là điên rồ khi muốn đậu trên một sao lùn trắng, vì lực hấp dẫn của nó sẽ nhanh chóng ép con tàu và phi hành đoàn bẹp dí.)
Bước Hai: Sao Notron
Các nhà thiên văn học đã tính được số phận cuối cùng của một ngôi sao trung bình -- có khối lượng nhỏ hơn 1.4 lần Mặt Trời -- sẽ trở thành một ngôi sao lùn trắng. Nhưng những ngôi sao lớn hơn 1.4 lần Mặt Trời thì sao? Chúng chắc chắn sẽ có hấp dẫn lớn hơn. Vì vậy chỉ hợp lý khi kết cục của chúng sẽ dữ dội hơn và tạo ra một thiên thể đặc hơn cả sao lùn trắng.
Thực tế, một ngôi sao có khối lượng từ 1.4 tới 8 lần Mặt Trời vòng qua giai đoạn sao lùn trắng để đến với điểm dừng tiếp theo trên còn đường tới hố đen. (Các nhà khoa học vẫn còn bất đồng với nhau về khối lượng để một ngôi sao trở thành sao lùn trắng. Các ước đoán khác là 1.4 đến 3.2 và 1.4 đến 5 lần khối lượng mặt trời.) Ngôi sao nặng hơn này cũng có những bước đầu giống một ngôi sao cỡ Mặt Trời -- cạn kiệt hidro, nở rộng thành một ngôi sao lùn đỏ, và đốt heli. Nhưng sau đó, mọi việc lại xảy ra khác hẳn, như Begelman và Rees giải thích:
"Các ngôi sao nặng được tăng sức mạnh ở giai đoạn sống tiếp theo bằng một chuỗi phản ứng hạt nhân của các nguyên tố càng ngày càng nặng hơn. Khi mỗi nhiên liệu hạt nhân bị cạn kiệt -- hydro kết hợp thành heli, sau đó heli lại thành cacbon và oxy, vv… -- thì phần bên trong ngôi sao lại càng ngày càng nóng…. Quá trình này có thể tạo ra tới sắt. Ở giai đoạn này, năng lượng giải phóng ra từ việc tạo ra nguyên tử hạt nhân nặng hơn chốn lại sự suy sập của hấp dẫn. Nhưng không có phản ứng hạt nhân nào có thể tạo ra năng lượng từ sát; sát là điểm cuối của con đường hạt nhân của một ngôi sao. Sự việc xảy ra tiếp theo hiện tượng ngoạn mục nhất từng được biết tới trong thiên văn học…. Khi không còn phản ứng hạt nhân nào có thể tạo ra năng lượng từ sắt, nhiên liệu cạn kiệt và nhân thình lình co lại khủng khiếp… trong một phần nhỏ của giây…. Mật độ dày đặc của nhân sụp đổ này lớn đên nỗi proton và electron [hai phần tử mang điện của nguyên tử] kết hợp với nhau tạo ra notron, phần tử không mang điện".19
Vì một thiên thể như vậy có cấu tạo hầu như hoàn toàn là notron (tạo ra một vật mà nhiều nhà khoa học gọi là neutronium,) nên nó được gọi là sao notron.
Phần khối lượng còn lại của ngôi sao ban đầu giờ đã bị nén lại trong một trái banh neutronium có đường kính khoảng hai mươi dặm, bằng cỡ của một thành phố lớn. Vật chất quá đặc đến nỗi một muỗng vật chất trên đó nặng ít nhất vài nghìn tỷ tấn. Hơn nữa, vận tốc thoát của một ngôi sao như vậy vào khoảng 125.000 dặm trên giây, khoảng hai phần ba vận tốc ánh sáng.
Tất cả điều này đều khá thuyết phục trên lý thuyết. Nhưng các nhà thiên văn học không có một bằng chứng thực tế nào về sự tồn tại của một ngôi sao notron cho tới những năm cuối 1960, khi những thiên thể gọi là pulsar bắt đầu được phát hiện. Ví dụ, năm 1968, các nhà khoa học phát hiện ra một thiên thể kỳ lạ trong Tinh Vân Con Cua. Nằm ở chòm sao Taurus, con bò, đám mây sáng, đang nở rộng này là tàn dư của siêu sao mới xuất hiện năm 1054 và được ghi chép lại bới các nhà quan sát Trung Quốc và Nhật Bản. Các nhà thiên văn học hiện đại lưu ý rằng thiên thể tại tâm của tinh vân đầu đặn phát ra một lượng lớn, hay nhịp đập, bức xạ điện từ khoảng ba mươi lần trên giây. Để cho phù hợp, họ đặt tên cho những thiên thể tương tự như vậy là pulsar. (Từ pulses là nhịp đập.)
Thật rõ ràng là các pulsar là sao notron, chúng tự quay với vận tốc đáng kinh ngạc. Sự tự quay liên tục này tạo ra do năng lượng cuốn vào liên tục được tạo ra trong lúc ngôi sao suy sập thành một trái banh cực đặc. Giải thích lý do một sao notron lại phát ra năng lượng nhịp nhàng, nhà thiên văn học nổi tiếng Herbert Friedman viết:
"Khi một sao notron suy sập, nó đồng thời cũng kéo từ trường của ngôi sao ban đầu theo nó cho tới khi tập trung được một tỷ lần tại bề mặt của sao notron. Trong tình trạng từ trường cực mạnh bị nén chặt như vậy, plasma [khí nóng] tại hai cực từ sẽ bị bắn ra xung quanh theo ngôi sao quay tròn. Lượng plasma cuộn tròn này có thể tạo ra [một] sóng radio có định hướng cao [ví dụ, bức xạ điện từ phát ra từ một vị trí xác định trên ngôi sao] và sóng này sẽ xoay tròn và bắn vào không gian đèn pha trên nóc của một ngọn hải đăng. Khi sóng radio quét qua Trái Đất, các kính viễn vọng vô tuyến của chúng ta sẽ ghi nhận được ánh sáng lặp đi lặp lại này".20
|
Bước Ba: Hố Đen của Các Vì Sao
Các nhà khoa học hiện nay biết rằng những ngôi sao notron như sao trong Tinh Vân Con Cua không phải là từ cuối cùng trong câu chuyện khủng khiếp của sự suy sập của các vì sao. Danh hiệu này phải thuộc về hố đen. Ánh sáng phải rất khó khăn để thoát khỏi giếng hấp dẫn của hố đen, vì vậy theo cảm giác nó đủ điều kiện để là hố đen. Thực tế, John Gribbn nói, “Một sao notron ngồi sát ngưỡng cửa để trờ thành một hố đen.”21 Tuy nhiên, nhân tố chính để phân biệt hố đen với sao notron là không có ánh sáng nào có thể thoát khỏi hố đen: ánh sáng và mọi thứ khác khi đến quá gần hố đen sẽ bị bẫy lại trong giếng hấp dẫn của nó mãi mãi.Một sao hố đen (thuật ngữ dùng để phân biệt với các hố đen siêu nhỏ-ND) hình thành từ sự suy sập của một ngôi sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời tám lần. Lực cực mạnh từ sự suy sập của vật chất làm nó vượt qua trạng thái của sao lùn trắng và sao notron và nén vật chất tới dạng đặc hơn. Thực tế, vật chất liên tục rớt xuống giếng hấp dẫn ngôi sao phần nào đó như là một cái chết bất tận. Lý do là giếng hấp dẫn của hố đen như là một cái hố không đáy, ở đó không có gì có thể thoát được.
Không ngạc nhiên, thiên thể siêu đặc đặc nhất này ép một lượng vật chất siêu lớn vào một thể tích cực nhỏ trong không gian. Một sao hố đen nhỏ đến mức kinh ngạc. Một thiên thể được hình thành từ một ngôi sao có khối lượng gấp tám lần Mặt Trời lại chỉ có kích thước khoảng bằng một căn nhà nhỏ. Điều quan trọng cần nhớ là hầu hết vật chất của sao ban đầu vẫn còn nằm trong hố đen. (Một ít vật chất của nó bị bắn ra không gian trong trạng thái siêu sao mới xảy ra cùng lúc với sự suy sập của ngôi sao.) Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn của thiên thể này gần bằng với lực hấp dẫn của ngôi sao ban đầu. Tất của các hành tinh quay quanh ngôi sao trước khi suy sập sẽ tiếp tục quay quanh hố đen, chúng sẽ không bị bắt và phá hủy một khi không đến nó quá gần.
Tuy nhiên sự tồn tại của hành tinh và sự tồn tại của sụ sống trên đó là hai việc hoàn toàn khác nhau. Sự sống tồn tại trên một hành tinh quay quanh một ngôi sao trở thành hố đen sẽ chết do bức xạ điện từ cực mạnh giải phóng ra trong vụ suy sập khủng khiếp và siêu sao mới. Và mọi sự sống còn sót lại trong vụ tai nạn này cũng sẽ nhanh chóng chết đi do lạnh sau khi ngôi sao dừng phát ra ánh sáng và nhiệt. Rõ ràng, sự hình thành của một sao hố đen là sự kiện chết người khủng khiếp nhất trong tự nhiên.
Hết chương 2
16. Begelman and Rees, Gravity’s Fatal Attraction, p. 15.
17. Begelman and Rees, Gravity’s Fatal Attraction, p. 15.
18. Asimov, Collapsing Universe, p. 84.
19. Begelman and Rees, Gravity’s Fatal Attraction, p. 32.
20. Herbert Friedman, The Astronomer’s Universe: Stars, Galaxies, and Cosmos. New York: W.W. Norton, 1998, p. 195.
21. Gribbin, In Search of the Edge of Time, p. 74.
(Còn nữa...)
Trịnh Khắc Duy - PAC
