31/7/2016

Biết rỏ hơn về tiến trào các
vì Sao TZO – Thorn Zytkow Objects

GS Tôn Thất Trình

TZO là một kỳ quặc thiên văn, nhưng đây là một tỉ dụ các vì sao lưỡng phân – binary stars lừng danh đã chấm dứt đời sống mình theo một cách nổ tan và chiếu sáng giống như hai giai đọan khác nhau của TZO. Siêu sao- supernova là những nổ tung sao dùng làm “ các nến  tiêu chuẩn - standard candles hay  là những chỉ dẫn xa xăm vì chúng nổ tan với một số lựợng năng lượng đóan trước được, có nghĩa là độ chiếu sáng nó biến thiên rỏ rệt theo khoảng cách nó đến chúng ta.

Thế nhưng hai lọai hệ thống lưỡng phân khác nhau, lại làm ra những nổ tan này. Trong một trường hợp, hệ thống lưỡng phân là một sai khối lượng tương tự nhưng ít thái cực hơn những giai đọan đầu tiên của TZO. Sao khối lượng lớn hơn chạy mau lẹ xuyên qua đời sống mình, nhưng thay vì nổ tan, mờ lạt thành một sao lùn tũn trắng, nóng hổi, dày đặc. Sao kia chậm rải phía sau; hoặc là một sao nhỏ Mặt Trời hay một khổng lồ đỏ rực, bắt đầu để rò rỉ vật liệu cho sao đồng bạn trắng- lùn tũn. Khi sao lùn tũn chất đầy đủ vật liệu sao vượt quá giới hạn chính xác 1.4 khối lượng sao, nó cũng nổ tan như thể một siêu sao.

Ở một dịch bản khác, hai sao bắt đầu đời sống mình sánh ngang nhau hơn và cả hai tiến tới giai đọan một sao lùn tũn trắng. Như với các TZO, không biết rỏ xúc tác chính xác nhưng một cái gì gây ra cho các sao chung sức một quay tròn xoắn ốc về cùng phía nhau và đụng độ nhau một lần nữa chiếu sáng trong một nổ tan siêu sao. Trong khi các điều này tuồng như là những sự cố khác nhau, dưới cái nhìn  sâu sắc của một nha quan sát xuyên qua một viễn vọng kính, các khác biệt giữa hai dịch bản này rất là tế nhị.

Các nhà thiên văn học đang cố hình dung xem là bao nhiêu nến tiêu chuẩn chúng ta do mỗi tiến trình gây ra.                

TZO s lấy tên Kip Thorn va`Anna Zytkow, hai nhà thiên văn học đã tính toán chi tiết xem hệ thống lạ lùng này là gì vào năm 1977 ở Viện Caltech – California Institute of Technology. Họ đã đề nghị một hạng sao hoàn toàn mới co’ một nội tâm sao chức năng kiểu mẩu. Trước đó, các nhà khoa học đã thám hiểm y’ nghĩa ca’c vi` sao cốt lõi - sao neutron – trung hòa tử  khi các vì sao neutron được xem lần đầu tiên vào thập niên 1930, nhưng các hoạt động của họ thiếu một phân tích chi tiết hay bất cứ một kết luận chắc chắn nào. Nguyên quán của  TZO như sau: Vi` những ly’ do không rỏ rệt, đa số ca’c sao khối lượng chúng ta quan sát được trong vu~ trụ thuộc những hệ thống lưỡng phân. Những vi` sao này nhiều lần to lớn hơn mặt trời chúng ta (ít nhất là to hơn tám lần). Tuy  rằng những sao tám lần lớn hơn mặt trời đã được quan sát, chúng tiêu xài nhiên liệu chúng cũng mau lẹ hơn nhiều. Các sao lớn nhất vũ trụ, đốt cháy hết nhiên liệu chúng trong v ài triệu năm, trong khi các sao kích thước mặt trời chúng ta đốt cháy hết trong hàng tỉ năm. Ở hệ thống lưỡng phân, khi các khối lượng sao không ngang nhau, thi` sao lớn nhất xài hết nhiên liệu và chết đi trước đồng bạn. Thành phần khối lượng lớn nổ tan thành siêu sao lòe sáng, rực sáng không kém gi` tòan thể một ngân hà – galaxy. Còn sao nhỏ khối lượng bi`nh thường thi` lại cặp đôi với một sao neutron xoay quanh mau lẹ, theo đường ki’nh nhỏ bé, có khi chỉ bằng  10km (6 dặm Anh);  gồm hoàn toa`n la` sao neutron chất qua’ khi’t nhau, cho nên thử nghiệm chúng là những thái cực cho cơ học hạt lượng quantum mechanics.

Các nhà thiên văn học đã quan sát nhiều hệ thống sao neutron, sao bình thường  này rồi. Khi hai sao làm quỷ đạo cho nhau, khí từ sao bình thường có thể chảy qua các lớp bên ngoài của sao neutron, làm ra những sáng lòe  tia – X. Các sáng lòe sáng rực hơn các tia X phát ra từ các sao bình thường và thực sự đó là những nguồn gốc sáng nhất của các tia X ở giải ngân hà chúng ta.

Nhưng những hệ thống này nêu lên một câu hỏi: Vậy chớ cuối cùng sẽ xảy ra gì cho một hệ thống, nơi một sao neutron và một sao thường xuyên làm quỉ đạo cho nhau, khi các quỉ đạo chúng bất ổn ?. Điều này có thể xảy ra theo nhiều lý do: tỉ như khi các lớp khí bị trì hoãn cản trở sao neutron gây ra nó xoắn ốc trong nó hay khi nó là thành quả của tan nổ siêu sao xé tan sao thứ nhất. Ở nhiều ca, sao neutron sẽ bị “cú đá- kick “  trong lực phóng nó ra khỏi hệ thống. Nhưng cho những sao khác, hệ thống lưỡng phân có thể đã đến  giai đọan cuối cùng của tiến trình, cho nên sao neutron bên trong  sẽ làm quỷ đạo mỗi  ngày mỗi gần hơn sao đồng bạn.  Và ở  thời kỳ này, sao neutron cũng đã gần giai  đọan cuối đời mình và là một siêu khổng lồ đỏ. Rồi có lúc, hai sao nhập lại,  sao siêu khổng lồ  đỏ nuốt chững sao neutron  và phát sinh ra một TZO.

Các nhập lại nhau giữa một sao neutron và  một sao khác ở một ngân hà kích thước giải Ngân hà - milky way chúng ta, chứa đựng hàng trăm tỉ sao, xảy ra thường xuyên. Thật tế các nhà khoa học  đã đề nghị  là có đến 1%  tất cả sao siêu khổnglồ đỏ có thể  là TZO giả dạng. Selma de Mink một nhà thiên văn học Viện đại học Amsterdam có khảo cứu tập trung trên tiến trào sao gỉai thích là vài lọai  sự cố  tạm thời  và quan sát được phải xảy ra vào lúc nhập lại nhau – có lẽ có một bốc cháy năng lượng ở tia X hay sao nổ tan ở ánh sáng nhìn thấy được. Có nhiều nhà lý thuyết họat động trên nhìều mô hình khác nhau, nhưng đến nay vẫn chưa có, đồng tâm trên cái mà các nhà khoa học muốn thấy đó là khai sinh của một TZO.                

  Làm ra từ các vật liệu sao

TZO quan trọng vi` chu’ng co’ tiềm năng no’i cho các nhà thiên văn nơi nào vài yếu tố xa lạ từ vu~ trụ  đến. Hydrogen, helium, những dấu vết của lithium đư ợc tạ o ra ngay sau Tiếng Nổ Vang - Big Bang. Tuy nhiên, các yếu tố nặng hơn của vũ trụ không phải được tạo ra  lúc bình minh vũ trụ, mà trong nội tâm một vi` sao. Vài yếu tố chu’ng ta biết và yêu chuộng trong đời sống hằng nga`y chu’ng ta: carbon, oxygen va` sắt.... tạo ra trong nội tâm sao theo những tiến trình thường xuyên chu’ng ta biết kha’ rỏ. Nhưng nguyên thủy vài yếu tố nặng tỉ như Molybdenum. Yttrium, Ruthenium, va` rubidium lại chưa rỏ cho lắm.

Ly’ thuyết gợi y’ rằng chúng co’ thể được tạo ra ở TZO. Một sao neutron bên trong một siêu khổng lồ đỏ dẫn tới một phương cách bất thường sản xuất ra năng lượng: vật thể bị đốt cháy không bị chủ trì bằng dung hợp nuclear fusion hạt nhân tiêu chuẩn xảy ra ở các sao khác, thay vào đó là những phản ứng nhiệt hạt nhân – thernonuclear,  nơi bìa cực ky` nóng của sao neutron đụng nhằm các lớp khi’ – gas layers của siêu khổng lồ be’o phì. Các phản ứng này làm sao  hoạt động và cũng tạo ra các yếu tố nặng này. Đối lưu – convection luân chuyễn các khi’ no’ng ở các lớp ngoài sao, chuyên chở những yếu tố mới này xuyên khắp suốt sao va` cuối cùng đến cả bề mặt sao nơi mắt sâu sắc của một nha` quan sát co’ được một viễn vọng ki’nh đứng đắn co’ cơ dò thám chúng. Theo Zytkow nay ở Viện   Thiên văn, đại học Cambridge ở Anh Quốc, TZO giống như  các siêu khổng lô cực kỳ lạnh lẻo có nghĩa là khó lòng phân biệt chúng với hàng ngàn siêu khổng lồ bình thường  nhiều nghiên cứu đã quan sát. Tuy nhiên chúng có phần đỏ hơn và sáng hơn các sao như  betelgeuse ở chòm sao Orion. Cách duy nhất phân biệt TZO với  siêu sao khổng lồ sáng chói là nhìn vào quang phổ độ phân giải cao, những mô hình ánh sáng các nhà thiên văn học dùng làm dấu tay của sao để tìm ra những đường đặc thù gây ra bởi các yếu tố bất thường thấy nhiều ở TZO hơn là ở các sao điển hình.   

Tìm kiếm  TZO lại càng phức tạp thêm vì số lượng đồ sộ các đường quang phổ- spectral  lines phức tạp từ những yếu tố hay phân tử khác trong sao có khi lên đến hàng ngàn. Đúng là tìm kim rơi trong đống rơm. Tuy vậy, một nhóm nhà thiên văn nghĩ ră`ng họ đã tìm ra kim đầu tiên. Cách đây gần 40 năm, và nhiều tìm kiếm bất thành...  kể từ khi Zytkow bắt đầu họạt động theo lý thuyết, bên sau TZO. Emily Levesque nhà thiên văn học Viện Đại học Colorado ở Boulder lao đầu tấn công công trình cùng Massey, làm chung khảo cứu tìm các siêu khổng lồ đỏ từ khi bà mới là nội trú cử nhân mùa hè năm 2004. Hai năm sau, họ khám phá ra nhiều siêu khổng lồ đỏ ở các đám mây Magellanic clouds, những giải ngân hà vệ tinh bất thường lạnh lẻo và độ sáng biến thiên. Con đường khảo cứu này rồi sẽ hút dẫn Zytkow  cho nên bà hỏi là nhóm có xem xét đến khả năng các sao này là TZO không ? Đó là sao HV 2112 ở Small Magellanic Cloud , đặc biệt có đường phát quang sáng hydrogen. HV 2112 lại còn có  bất thường nồng lượng cao các yếu tố lithium, molybdenum và rubidium là những dấu ký tiên đóan TZO. Nhóm này xem sao HV 2112 là một thí sinh cho TZO mùa hè năm 2014.  

(Chiếu theo Yvette Cendes thí sinh tiến sĩ- PhD và thiên văn rađiô ở Viện Đại học Amsterdam – Hòa Lan. Ở nguyệt báo Hoa Kỳ Discover số tháng 7- 8 năm 2016).