thnlscantho-5 - Cập nhật vũ trụ

2/12/2015

Cập nhật tìm hiểu vũ trụ, theo tiến bộ Thiên Văn học ngày nay :

Đường Thời gian ngôi sao- stellar time line sau Nổ Vang - Big Bang

G S Tôn thất Trình

Dịch giải đồ biểu đính kèm :

* Những đám mây nguyên tố hình thành. Các đám mây hydrogen -H, helium - He, và Lithium -Li phát triễn sau Nổ Vang . Những nguyên tố này sau đó có thể hình thành những ngôi sao đầu tiên.

* Thế hệ ngôi sao đầu tiên bắt đầu hình thành, 200 triệu năm sau. Nhiệt độ cốt lõi sao nóng lên , rèn thành nitrogen, carbon, oxygen , rồi có thể đến sắt. Có 3 loại ngôi sao :

1- 10-100 khối lượng mặt trời. Các ngôi sao này có đời sống ngắn ngủi. Khi chúng vỡ tan- explode, các nguyên tố nhẹ nhả ra, trong khi sắt, một nguyên tố nặng để lại đằng sau .

2- 50 - 100 khối lượng mặt trời. Các ngôi sao này quay xoắn ốc mau lẹ đến nổi các nguyên tố nặng trong cốt lõi chúng trộn lẫn với các tầng lớp trên cao hơn. Mọi nguyên tố vỡ tan khi các ngôi sao biến thành siêu sao - super nova.

3- 140 - 260 khối lượng mặt trời. Nhiệt độ cực kỳ cao trên các ngôi sao sản xuất các tia gamma - gamma rays . Khi các tia này trở thành các hạt tử, các ngôi sao vỡ tan thành các cặp bất ổn siêu sao.

*Các ngôi sao bắt đầu vỡ tan, 200 - 300 triệu năm sau Nổ Vang

* Các lỗ đen - black holes phát triễn. Sắt bị bẩy vào các lỗ đen, trong khi các nguyên tố nhẹ hơn thóat khỏi. Một trộn lẫn nguyên tố thóat ra khỏi vỡ tan của siêu sao, trong khi một phần của chúng lại bị bẩy vào lỗ đen .

* Các nguyên tố phối hợp. Các đám mây dày đặc lại và trở thành hột giống cho các ngôi sao nghèo sắt. Các đám mây dày đặc và trở thành hột giống cho các ngôi sao nghèo nitrogen.

* Hình thành các thế hệ thứ hai các ngôi sao . Cách tiếng Nổ Vang 300- 500 triệu năm . Nhiều phối hợp nguyê tố làm ra Sao Keller Star. Một thế hệ mới của những ngôi sao nhỏ hơn nhưng ổn định hơn được khai sinh. Chúng kéo dài đủ để ngày nay có thể dò tìm ra được .

Bàn thảo

Các nhà khảo cỗ học và thiên văn học tuồng như không có gì chung nhau cả. Một bên đào sâu trong đất , trong khi bên kia nhìn lên trên trời. Và một dụng cụ đồ đá, có lúc người tiền cỗ Homo erectus đã sử dụng, có thể không khác gì mấy một ngôi sao vỡ tan ở bìa mép vũ trụ nhìn thấy được. Thế nhưng các khoa học chúng trên căn bản rất giống nhau: Cả hai đều cố tâm tìm hiểu hiện tại nhìn sâu quá khứ, dù đó là nguồn gốc lòai người hay của vũ trụ.

Nhiều nhà thiên văn cho rằng các so sánh càng gần hơn nữa . Một trong những bí mật lớn của vũ trụ là cách nào, khi nào và tại sao các ngôi sao đầu tiên lại lóe sáng thành ánh sáng trong đen tối tiếp theo tiếng Nổ Vang. Không ai biết chắc chắn là những ngôi sao đầu tiên ra thế nào cả,hay chúng sống - chết ra sao. Nhưng sự kiện chúng trổi dậy đặt màn cảnh cho mọi điều tiếp theo - mọi hành tinh , ngôi sao và thiên hà - galaxies sáng lên trong trời đêm. Hiểu rỏ những ngôi sao đầu tiên này thì bạn sẽ hiểu rỏ cách nào vũ trụ đã thành hình dáng .

Vực thẳm thời gian và không gian lớn đến nổi ngay cả các viễn vọng kính uy vũ nhất cũng không nhìn thấy được ánh sáng lu mờ từ các ngôi sao đầu tiên. Nhưng những năm gần đây, một nhóm nhà thiên văn mới mẽ , tên gọi là các nhà khảo cổ sao - stellar archaeologists , đã nhận thức là có cách hiểu rỏ chúng bằng cách nhìn vào gia cư , trong và chung quanh Giải Ngân Hà -Milky Way. Xem xét hóa học các ngôi sao già nhất gần đó, họ bắt đầu hiểu rỏ các điều kiện trong đó các ngôi sao hình thành, những điều kiện tạo ra một phần nhờ thế hệ khối lượng đầu tiên các ngôi sao đến trước đó. Avi Loeb, chủ tịch ban thiên văn tại Harvard , nói : “ chúng ta vẫn còn nhìn thấy ảnh hưởng môi trường chúng, ô nhiễm các ngôi sao khối lượng này đem tới” .

Tin tức tốt đẹp là các ngôi sao thế hệ thứ hai, đang ở khắp xung quanh chúng ta. Theo Timothy Beers, trưởng ban vật lý học thiên văn ở Viện Notre Dame, “ Vài thí dụ tốt nhất chúng ta có , chỉ mới cách chúng ta có vài trăm năm ánh sáng - light years ( một năm ánh sáng là 9460 tỷ kilomét ). Chúng thật sự không quá xa như vậy và có khuynh hướng làm ai đó ngạc nhiên là chúng ta có thể hiểu rỏ quá khứ xa xôi bằng cách nhìn vào rất gần nhà chúng ta .”

Tìm kiếm thế hệ thứ hai

Tuy nhiên, không phải chỉ vì chúng gần kề mà có nghĩa là các ngôi sao thế hệ thứ hai dễ tìm đâu. Theo Loeb, thật sự “ chúng rất hiếm hoi.” Trên các cánh tay xoắn ốc của Giải Ngân Hà , đa số các ngôi sao, gồm luôn cả mặt trời, thành hình sau đó nhiều, khi vũ trụ đã vào tuổi trung niên, cách đây chừng 4 đến 6 tỉ năm. Ngay cả trong lõi cốt của Giải Ngân Hà, thành hình sớm hơn và nơi sác xuất lớn nhất tìm thấy một ngôi sao xưa cũ, theo Loeb, “ chúng chỉ biểu hiện ít hơn 1 phần trăm của tất cả các ngôi sao.” Nếu chỉ muốn xác định ngôi sao nào thật sự xưa cũ, và như thế đã là bước chân đầu tiên, đầy khó khăn .

Một thừa tố then chốt để phân biệt một ngôi sao xưa cũ với một ngôi sao trẻ tuổi như mặt trời chúng ta là thành phần nó. Các nguyên tố chỉ trổi dậy từ tiếng Nổ Vang là hydrogen, helium và những mảnh nhỏ tí hon của lithium cho nên đó là cái gì làm ra các ngôi sao thế hệ thứ nhất. Các nguyên tố nặng, gồm nitrogen, oxygen, sắt, carbon và nhiều nguyên tố khác, đã được rèn luyện ra ở các lò lữa hạt nhân tại các cốt lõi của những ngôi sao đầu tiên này, rồi nhả ra ở các không gian giữa các sao khi các ngôi sao nổ tan . Beers nói: “ Điều đáng kể đối với tôi là các nguyên tố chúng ta liên hệ đến đời sống với căn bản carbon ngày nay, đã được các ngôi sao thế hệ thứ nhất sản xuất ra.”

Các nguyên tố nặng hơn tháo giải ra , các nhà thiên văn học mệnh danh là “ kim lọai - metals” ( ngay cả oxygen cũng là một kim lọai theo lời nói của thiên văn ) làm ô nhiễm hydrogen và helium trôi nổi giữa các ngôi sao. Cho nên, thế hệ thứ hai các ngôi sao gồm các thành phần này - Loeb gọi là “ ô nhiễm môi trường” . Những kim lọai này là các ngôi sao hóa thạch - stellar fossils các nhà thiên văn học tìm kiếm, sử dụng một quang phổ sao hay ký hiệu ánh sáng - light signature , để dò tìm các thành phần nó.

Các ngôi sao thế hệ thứ hai vẫn là nghèo nàn kim lọai so sánh cùng các ngôi sao cận đại như mặt trời chẳng hạn, mà các đám mây sanh đẻ được làm giàu thêm bằng nhiều thế hệ ngôi sao qua hàng tỉ năm. Thế cho nên tìm kiếm các ngôi sao sinh sống đã lâu nhất là tìm kiếm những ngôi sao chỉ có những bất tinh khiết- impurities lu mờ nhất, thường biểu hiện là tỉ xuất giữa sắt và hydrogen. Ngôi sao càng tinh khiết bao nhiêu - nghĩa là tỉ xuất sắt và hydrogen thấp hơn - thì ngôi sao sẽ chắc chắn là già hơn.

Nhiều chục năm qua, các nhà thiên văn tìm ra các ngôi sao như vậy nhờ may mắn , không nhận thức được hứa hẹn khảo cổ họ có trong tay. Ngay bây giờ, theo lời Loeb “ chúng ta biết được 50 ngôi saol như vậy, chứa ít hơn 3 phần ngàn mức phong phú sắt ở mặt trời. Và chỉ có 6 ngôi sao - duy nhất chỉ là 6, có ít hơn mức sắt phong phú một phần mười ngàn mà thôi. Như thế, sẽ đặt ngày sinh chúng trong vòng nữa tỉ năm đáng ấn tượng, nhiều nhất sau tiếng Nổ Vang .

Rồi tháng hai năm 2014, một nhóm do Stefan Keller của Viện Đại học Quốc gia Úc Châu hướng dẫn, tuyên bố đã khám phá ra một ngôi sao có nhiều nhất là một phần mười triệu sắt như mặt trời. Theo Michael Norman của viện đại học California San Diego, “ đây là một ngôi sao không có sắt trong quang phổ nó bất kỳ loại nào. Chưa ai thấy bao giờ một ngôi sao như thế cả” .

Thiếu sắt gợi ý là Sao Keller như tên gọi, có thể là sao xưa cũ nhất, có thể là sinh ra 200 triệu năm sau tiếng Nổ Vang. Điều này không những là một khám phá đáng ngạc nhiên riêng cho nó, mà lại cũng thay đổi mọi điều các nhà thiên văn học nghĩ rằng họ đã biết về các ngôi sao đầu tiên. Dù thiếu sắt, Sao Keller cũng có số lượng carbon, oxygen và các kim lọai khác đo lường được. Beers nói : “ Đúng là đáng chú ý. Chúng ta nhìn ra một mô hình mà ngay bây giờ chỉ có thể giải thích được bằng một sỉ số các ngôi sao thế hệ đầu tiên.”

Hiểu biết thế hệ đầu tiên

Nguyên thủy , các nhà thiên văn đơn giản giả thiết rằng khi các ngôi sao đầu tiên trở thành siêu sao - supernova , các vỡ tan đều đặn nhỗ ( nhã ) bộ phận bên trong( bộ lòng ) ra rộng và xa. Nhưng ngay cả trước khi khám phá Sao Keller, họ đã bắt đầu tự hỏi là liệu hình ảnh này có quá đơn giản không. Beers nói : “ chúng ta đã thấy mô hình nguyên tố khác biệt ở các sao khác nữa - nghĩa là rất ít sắt nhưng nhiều hon các kim lọai khác chúng ta chờ đợi . Dính líu: Vài ngôi sao thế hệ thứ nhất hay tổ tiên vỡ tan đều đều như chờ đợi, nhưng các ngôi sao khác cách nào đó giữ lại vào sắt trong các cơn giãy chết đau đớn, lúc giúp cho các kim lọai nhẹ hơn thóat tràn khắp không gian .

Then chốt giữa các kim lọai nhẹ hơn này là nitrogen. Vài sao nghèo sắt ( luôn cả Sao Keller ) có một số lượng nitrogen đáng kể, trong khi các sao khác không có tí nào nitrogen . Beers nói : “ Tôi nghi ngờ là biến thiên nitrogen này nói với chúng ta là chúng ta đang nhìn thấy chứng cớ ít nhất là hai hạng sao tổ tiên” . Các nhà cổ học tinh tú ( sao ) đã tìm thấy sao tương đương với người cổ Neandertals, một loài riêng biệt những tương tự đã hiện diện cùng lúc với các tổ tiên chúng ta .

Theo các nhà lý thuyết như Volker Bromm, Viện đại học Texas ở Austin, các ngôi sao thế hệ thứ hai nghèo sắt , giàu nitrogen đến từ một hạng đặc thù các sao tổ tiên có khối lượng 10 - 100 lần mặt trời. Các bắt chước cho thấy là những ngôi sao này sẽ chết ở các vỡ tan bi kịch tính để lại đằng sau các lỗ đen, sẽ bẩy bắt tại chổ các nguyên tố nặng nhất. Theo Bromm , các nguyên tố nhẹ hơn như carbon, oxygen và nitrogen sẽ thoát ra ngòai. Hạng kia của các ngôi sao thế hệ thứ nhất, mà dấu in nhìn thấy được ở các ngôi sao nghèo sắt, nghèo nitrogen , thường to lớn hơn, giữa 50 và 100 khối lượng mặt trời. ( chồng lấn hiển nhiên giữa hai hạng phản ảnh sự không chắc chắn của các con số, nhưng những tay làm mô hình đã biết chắc chắn là lọai hạng hai sẽ có khối lượng to lớn ).

Beers nói thêm : “ khi các ngôi sao khối lượng này hình thành, chúng có khuynh hướng uay xoắn ốc rất mau lẹ.” Trái ngược với nhóm thứ nhất, các kim lọai ở các sao to bự hơn này sẽ khuấy tung lên các mức cao hơn, cho nên chúng đã được trộn lẫn đầy đủ khi sao vỡ tan . Có nghĩa là các lỗ đen để lại đằng sau, nuốt lốn một trộn lẫn nguyên tố đại diện, không chỉ là các nguyên tố nặng hơn - và vài sắt được phép thóat ra ngoài. Các ngôi sao thế hệ hai làm ra từ các mảnh vụn này vẫn còn tương đối chút ít sắt, như ở trong các ngôi sao xưa cũ khác và chúng cũng tương xứng ít nitrogen nữa .

Thế nên các ngôi sao đầu tiên đến ít nhất có hai mùi vị khác biệt, và các nhà thiên văn nghi ngờ rằng có thể có một lọai hạng ba hiếm có hơn nữa, rất to bự giũa 140 - 260 khối lượng mặt trời . Những ngôi sao khổng lồ này có nhiệt độ trên mắt lên đến hàng triệu độ, làm chúng không đỏ nóng hổi - red hot hay nóng hổi xanh dương - blue hot , nhưng đủ nóng để sản xuất các tia gamma là dạng năng lượng nhiều nhất của ánh sáng. Các định luật vật lý qui định là phóng xạ gamma có thể hủy họai thành những cặp hạt tử nguyên tố : electrons và positrons. Các tia gamma của các ngôi sao thực hiện áp lực bên ngòai, giữ cho các ngôi sao to bự không sụp đổ, nhưng một khi chúng đã biến thành hạt tử, áp lực bên ngòai này biến mất và kết quả là sụp đổ tai họa. Điều này khởi động các siêu sao uy vũ khổng lồ các nhà thiên văn gọi là siêu sao “ bất ổn theo cặp - pair instability” , tạo thêm ra các đám mây khí giữa các sao của chúng trộn lẫn các nguyên tố hơi khác biệt và cho các ngôi sao thành hình từ chúng .

Theo nhà thiên văn Harvard Loeb “ một trong những đá vụn thánh thiện - holy grails tìm kiếm các ngôi sao nghèo kim lọai là tìm cho ra chứng cớ của những siêu sao sớm chào đời cặp bất ổn này.” Năm 2014, ở tạp chí “ KHoa học” một nhóm Nhật Bản báo cáo là đã tìm ra một ngôi sao gần đó tên gọi là SDSS J0018-0939 hầu như chắc chắn là ngôi sao thế hệ thứ hai mang dấu in hóa học của một vỡ tan như thế.

Từ các ngôi sao xưa cũ đến Thiên hà xưa cũ

Phân lọai các ngôi sao nguyên thủy ra làm ba rất có thể phản ảnh một lẫn trộn các vật thể trổi dậy lần đầu tiên sau Tiếng Nổ Vang, nhưng chứng cớ hiện hửu đã tỏ ra là rất hiếm hoi . Tuy nhiên, điều này đang thay đổi nhờ các quan sát như Anna Frebel của MIT, bắt đầu học ban cử nhân đầu thập niên 2000 về Khảo cổ học ngôi sao của một sao duy nhất thời xưa cũ. Cách đầy mấy năm, bà Frebel nhận thức là vài thiên hà lùn tũn, bay quanh qủi đạo Ngân Hà, rất có thể là những nguồn giàu có các sao xưa cũ. Tháng tư năm 2014, cô và hai đồng nghiệp tuyên bố ở Tạp chí Vật lý Thiên Văn là họ đã tìm thấy một thí sinh tòan hảo . Một thie6n hà lùn tũn tên gọi là Segue 1 bay lượn ngay sau bìa mép chúng ta . Các bắt chước của vũ trụ sớm sủa gợi ý rằng những thiên hà như thế là những thiên hà trổi dậy đầu tiên, khi khí hydrogen và helium bắt đầu cụm lại cùng nhau. Chúng làm ra những khối xây dựng cho các thiên hà tòan vẹn bằng cách đụng chạm và nhập vào nhau.

Điều đặt Segue 1 riêng khỏi các thiên hà lùn tũn khác là nó ngưng hình thành các ngôi sao , khi thế hệ ngôi sao thứ hai xuất hiện . Các nhà thiên văn không biết chắc chắn là tại sao , nhưng họ khẳng định là thiên hà bé tí xíu chạy hết các khí đã làm nhiên liệu cho các sao tù= khi khai sinh. Dù lý do nào đi nữa, thành qủa là một mỏ vàng kim cho các nhà khảo cứiu như Frebel đang cố tìm thêm dữ liệu trên các sao xưa cũ này. Bà nói : “ chúng tôi nghĩ rằng đa số , nhưng không phải tất cả , các ngôi sao trên thiên hà này được thành hình chỉ một trăm triệu năm sau tiếng Nổ Vang. Và điểm này bà khiêm tốn nói ra là một lọai xưa cũ.

Có nghĩa là Segue 1 có thể đi một đường dài đến cung cấp cho các nhà lý thuyết tin tức họ cần để hiểu biết hòan tòan mọi lọai ngôi sao đầu tiên - không ít hơn một hình ảnh tòan diện của cái gì vũ trụ trông giống khi sáng rực lên lần đầu tiên. Công trình rất nặng nhọc và cho đến nay Frebel và các đồng nghiệp bà chỉ mới đủ khả năng qui định chừng 1000 sao như thế , thật sự rất xưa cũ.

Dò tìm các chi tiết tĩ mĩ hơn của cơ cấu hóa học các ngôi sao xưa cũ, ngọai thiên hà này, sẽ mất nhiều năm, ngay cả với các viễn vọng kính uy vũ nhất trên Địa Cầu hay trên không gian. Như vậy là vì Segue ở rất xa ( dù cho chúng ta là những kẻ láng giềng tương đối gần )

và các ngôi sao rất lu mờ, so với các ngôi sao các nhà khảo cổ ngôi sao đã nghiên cứu đến nay. Theo Bromm ở điểm này, ai đó như Anna có thể có được một mớ quang phổ cao phẩm cho các ngôi sao sáng sủa nhất. Nhưng mọi điều sẽ thay đổi không bao lâu nữa

Một nhiệm vụ to lớn lạ lùng.

Các nhà khảo cổ ngôi sao rầt hồ hởi nắm lấy trong tay một hạng mới viễn vọng kính khổng lồ để đặt trên đường dây trực tuyến- on line vào đầu thập niên 2020, gồm có Viễn Vọng Kính 30 Mét, Viễn Vọng Kính Khổng Lồ Magellan và nhiều hơn nữa. Thương các nhà thiên văn học không tìm ra đủ ngôi sao để nghiên cứu. Nay, với Segue 1 và với Frebel đã cố tìm những thiên hà xưa cũ, họ lại có quá nhiều ngôi sao. Các viễn vọng kính sắp tới, 10 lần sức mạnh thu thập ánh sáng của các dụng cụ hiện thời sẽ phá tan bế tắc .

Bromm nói : “ đúng là một thời điểm hấp dẫn. Nay chúng ta có các la bô chính xác cao - nghĩa là các ngôi sao thế hệ thứ hai- nói cho chúng ta biết vũ trụ giống cái gì vào thờI gian thật sớm nhất. Trước đó, chúng ta chỉ mới ở công viên trò chơi. Rồi không bao lâu nữa, các nhà thiên văn sẽ có những dụng cụ để nghiên cứu chúng theo chi tiết chưa hề có. Loeb đồng ý . Đến nay, các nhà thiên văn học đã nghiên cứu trực tiếp các lịch sử sớm của vũ trụ cố tâm nhìn chăm chú ánh sáng xưa cũ hơn mỗi ngày mỗi xa hơn, trong cố gắng trêu đùa lấy ra các bí mật cách nào vũ trụ cháy bừng ra ánh sáng lần đầu tiên. Nay chúng ta làm vũ trụ học bằng cách đào sâu ngay sau vườn. Và điều này có lợi. Theo Beers, “ chúng ta có cơ chụp bắt được những đầu đề chương về lịch sử cách nào các ngôi sao đầu tiên xuất hiện và chúng giống cái gì. Nay chúng ta bắt đầu viết ra chương .”

( Chiếu theo Michael D.Lemonick tác giả 6 sách , mới đây nhất là Mirror Earth : The Search for Our Planet’s Twin, đăng ở Tập San Khám phá - Discover số tháng 12 năm 2015)

( Irvine, Nam Ca Li - Hoa Kỳ, ngày 16 tháng 11 năm 2015 )