Siêu tân tinh được ví như một trong những “màn bắn pháo hoa” ngoạn mục nhất trong vũ trụ. Khi một ngôi sao đủ lớn phát ra “tiếng thở hổn hển cuối cùng” của nó trong một vụ nổ khổng lồ đánh dấu sự hủy diệt của chính nó, và trở thành điểm sáng nhất trong toàn bộ thiên hà trong vòng chưa đầy một giây, sau đó duy trì trạng thái như vậy trong vài tuần sau đó trước khi biến mất thành một tinh vân ngoạn mục trải rộng tới hàng trăm năm ánh sáng.
Siêu tân tinh là gì?
Siêu tân tinh là một giai đoạn quan trọng trong quá trình “hấp hối” của một số ngôi sao. Nó vừa chỉ một vật thể, vừa là một quá trình. Có hai loại siêu tân tinh lớn, mỗi loại là sản phẩm của một quá trình và điều kiện khác nhau. Hãy nói về siêu tân tinh loại 2 trước. Đây là siêu tân tinh mà hầu hết chúng ta đều nghĩ đến. Một vụ nổ kinh điển của một ngôi sao “sắp chết” được gây sẽ bởi hiện tượng “sụp đổ lõi”. Có một số giai đoạn mà hầu hết các ngôi sao đều phải đi qua trong suốt cuộc đời của chúng, và liên quan đến các siêu tân tinh. Chúng ta đang nói đến những ngôi sao trong dãy chính như Mặt trời mà chúng ta vẫn nhìn thấy.
Những ngôi sao này nằm dưới tầng của dãy chính, chẳng hạn như sao lùn đỏ, nó có thể đốt cháy đều đặn nguồn nhiên liệu hydro giới hạn một cách thận trọng trong hàng nghìn tỷ năm trong khi những ngôi sao lớn hơn như Mặt trời của chúng ta tự cháy sau vài tỷ năm hoặc ít hơn. Chính ở giai đoạn cuối của vòng đời của một ngôi sao trong dãy chính mà một siêu tân tinh có thể trở thành hiện thực. Mặc dù không phải mọi ngôi sao trong dãy chính đều sẽ chuyển sang giai đoạn siêu tân tinh, nhưng những ngôi sao đó trước tiên sẽ trải qua giai đoạn “khổng lồ” sau khi chúng cạn kiệt nguồn dự trữ hydro và thay vào đó bắt đầu hợp nhất heli và các nguyên tố nặng hơn như oxy, silicon và carbon chứ không phải hydro. Sự hợp nhất có giới hạn của các nguyên tố nặng hơn này cũng diễn ra ở các ngôi sao trẻ, nhưng không tính đến các phản ứng tổng hợp chính của chúng.
Tàn dư siêu tân tinh SNR 0509-67.5, nằm cách xa chúng ta 170.000 năm ánh sáng
Những phản ứng hạt nhân này sẽ duy trì sự tồn tại của một ngôi sao trong vài tỷ năm nữa sau khi nó chuyển sang giai đoạn khổng lồ của nó. Những cuối cùng, quá tình nhiệt hạch diễn ra đến thời điểm nó bắt đầu hợp nhất các nguyên tố nhỏ hơn thành sắt hoặc thậm chí là các nguyên tố nặng hơn như vàng. Một khi bắt đầu hợp nhất các nguyên tử thành sắt, quá trình này thực sự “ngốn” rất nhiều năng lượng thay vì tạo ra nó. Vì vậy khi một ngôi sao bắt đầu phát triển một lõi sắt nặng, những công đoạn cuối cùng của nó sẽ có tốc độ ngày càng nhanh khi phản ứng tổng hợp kim loại nặng hút bất cứ năng lượng nào đang được tạo ra ở nơi khác.
Những ngôi sao nào từng trải qua giai đoạn siêu tân tinh?
Sao Eta Carinae, ngôi sao lớn nhất trong hệ sao đôi cách chúng ta 7.500 năm ánh sáng đang sắp biến thành siêu tân tinh
Khối lượng của một ngôi sao đóng vai trò lớn quyết định việc nó sẽ đi đến siêu tân tinh vào cuối vòng đời của nó. Nhìn chúng, các ngôi sao nặng hơn khoảng 8 lần khối lượng Mặt Trời là ứng cử viên cho các siêu tân tinh, mặc dù ngay cả với khối lượng khổng lồ này, tùy theo hoàn cảnh cụ thể mà nó có thể làm rung chuyển mọi thứ theo cách này hay cách khác.
Chẳng hạn vào năm 2008, một ngôi sao có khối lượng bằng 25 lần Mặt Trời đã cạn kiệt nhiên liệu và lẽ ra phải tiến đến sự kiện siêu tân tinh cuối cùng của nó, nhưng thay vào đó, nó đã bay khỏi “sân khấu” thiên hà và các hoạt động của nó không thể ghi lại được, theo dự đoán của các nhà thiên văn thì có thể nó đã sụp đổ trực tiếp vào một lỗ đen.
Những mô phỏng trên máy tính trước đây cũng đã cho các nhà nghiên cứu thấy rằng những ngôi sao mà họ cho là phải nổ tung thì lại không xảy ra, và vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng tại sao một số ngôi sao có khối lượng bằng 8 đến 30 lần Mặt Trời thì lại phát nổ trong siêu tân tinh và những ngôi sao khác dường như lại tan thành mây khói.
Một cuộc điều tra sâu hơn chỉ ra rằng phạm vi từ 8 đến 17 lần khối lượng Mặt trời là có nhiều khả năng sụp đổ thành một siêu tân tinh, còn các ngôi sao gấp 17 đến 30 lần khối lượng Mặt trời thường đi theo con đường cuối đời ít hào nhoáng hơn. Nhưng thực tế có vẻ phức tạp hơn nhiều.
Liệu một siêu tân tinh có thể tạo ra một lỗ đen?
Hố đen siêu lớn ở trung tâm của thiên hà M87, được chụp ảnh vào năm 2019
Các ngôi sao có khối lượng từ 30 đến 100 lần khối lượng Mặt Trời đơn giản là quá lớn để có thể duy trì khối lượng của chính chúng trong sự kiện sụp đổ lõi và do đó sẽ tiếp tục sụp đổ vào phía trong theo mật độ vô hạn, tạo ra một điểm kỳ dị.
Bán kính Schwarzschild được sử dụng để xác định vị trí của chân trời sự kiện mới xung quanh điểm kỳ dị này, và một lỗ đen sau đó được tạo ra. Tuy nhiên, những gì xảy ra trong khoảng từ 17 đến 30 lần khối lượng Mặt Trời thì phức tạp hơn, và có rất nhiều cuộc tranh luận học thuật về cách các ngôi sao có kích thước này trở thành siêu tân tinh, hay một số ngôi sao khác lại không tạo ra siêu tân tinh. Có những bằng chứng chắc chắn rằng ít nhất một số ngôi sao trong phạm vi này sụp đổ trực tiếp thành các lỗ đen sao và bỏ qua hoàn toàn phần siêu tân tinh.
Hơn nữa một lỗ đen không nhất thiết phải được tạo ra ngay lập tức khi sao sụp đổ. Nhiều khi có thể có những vụ phun trào siêu tân tinh sẽ đẩy một khối lượng lớn vật chất sao ra ngoài không gian, tùy nhiên, nó không đủ lực để đẩy nó ra ngoài ảnh hưởng hấp dẫn của lõi sao còn lại (thường là sao neutron).
Điều gì xảy ra trong một siêu tân tinh?
Điều gì thực sự đã xảy ra bên trong một ngôi sao chỉ trong vài giây ngắn ngủi để một ngôi sao phát nổ trong một siêu tân tinh. Cơ học thực tế vẫn đang tranh luận, nhưng đối với trường hợp của siêu tân tinh loại 1, việc lõi thiếu nhiệt hạch sinh ra năng lượng có nghĩa là bản thân lõi không còn có thể tự giữ được nữa, ít hơn nhiều so với vật chất sao ở các lớp bên ngoài.
Một khi điều này xảy ra, lõi ngôi sao sẽ trải qua sự sụp đổ thậm chí còn nhanh hơn so với sự sụp đổ của các lớp bên ngoài. Nếu lỗi nhỏ hơn khoảng 3 lần so với khối lượng mặt trời, thì sự sụp đổ tạo ra áp suất lớn đến mức khiến vật liệu lõi lao vào bên trong sẽ vượt qua các lực lượng tử giữ các electron trên quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử và chỉ đơn giản là đập các electron vào proton, hợp nhất cả hai thành một neutron. Quá trình này xảy ra trong toàn bộ lõi của một ngôi sao cho đến khi tất cả những gì còn lại là một quả cầu neutron dày đặc được kết chặt với nhau, quả cầu này chỉ có chiều ngang khoảng 20 km với khối lượng tương đương với một số Mặt trời.
Tuy nhiên đến đây, siêu tân tinh cũng mới chỉ hoàn thành một nửa chặng đường. Vẫn còn những vật chất sao chạy về phía lõi với tốc độ hàng trăm km một giây. Những vật chất đang sợ này đều là tập hợp dày đặc các hạt, vì vậy phần lớn khối lượng của ngôi sao khổng lồ này sẽ dội lại một cách dữ dội như một quả bóng vợt bật ra khỏi bức tường bê tông.
Sự bật lại từ ngôi sao neutron bên trong chính là nguyên nhân tạo ra tiếng nổ khổng lồ của siêu tân tinh. Năng lượng được giải phóng trong quá trình này – có thể chỉ mất vài giây từ đầu đến cuối – lớn hơn tất cả năng lượng mà Mặt trời sẽ tạo ra trong khoảng thời gian 10 tỷ năm. Tuy nhiên, không phải tất cả vật chất bên ngoài của ngôi sao sẽ va vào lõi và bật ra khỏi nó. Rất nhiều trong số đó sẽ bỏ qua phần lõi và bật trở lại không gian bởi năng lượng hấp dẫn đáng kinh ngạc được tạo ra bởi sự sụp đổ của nó đối với lõi.
Giữa các hiệu ứng dội lại và sức bắn của vật chất ra ngoài, sẽ có một sóng xung kích cực lớn phun ra từ trung tâm của ngôi sao đã chết thổi bay các lớp bên ngoài vào không gian với tốc độ đáng kinh ngạc. Điều này kết hợp với việc giải phóng bức xạ từ vật liệu dội lại từ sao neutron, là vụ nổ siêu tân tinh loại thực tế mà chúng ta có thể được chứng kiến.
Khoa học hiện đại đã có thể tái tạo chi tiết những vụ nổ siêu tân tinh
Các mô hình máy tính hiện nay vẫn chưa có sự nhất quán trong việc tái tạo những vụ nổ kỳ lạ này. Một lý thuyết đang ngày càng được chấp nhận rộng rãi là mô hình điều khiển bằng neutrino cho một siêu tân tinh. Tất cả các ngôi sao đều tạo ra neutrino một cách tự nhiên, nhưng trong sự kiện lõi sụp đổ, bạo lực ở lõi tạo ra rất nhiều neutrino cùng một lúc và bắn chúng đi theo mọi hướng.
Neutrino là những hạt gần như không khối lượng, rất hiếm khi tương tác với vật chất thông thường, tuy nhiên, sự phá vỡ lõi của một ngôi sao đặc biệt đến mực neutrino có thể được tạo ra với số lượng lớn đến mức chúng thực sự có tác dụng duy trì sóng xung kích nổ đẩy các lớp bên ngoài của một ngôi sao đang sụp đổ vào không gian, tạo điều kiện cho tàn dư siêu tân tinh lan rộng thoát khỏi lực hấp dẫn của sao neutron.
Điều này mặc dù chưa được chứng minh theo cách thuyết phục nhất, nhưng các thành phần hóa học của một số tàn tích siêu tân tinh quan sát được sắp xếp rất gọn gàng với mô hình hướng neutrino. Các bong bóng cô đặc của titan và crom trong tàn tích siêu tân tinh giàu sắt sẽ được tạo ra bởi các túi lớn neutrino bị mắc kẹt tạo ra các chùm vật liệu entropy cao.
Các nhà nghiên cứu thiên văn cũng đã xác định chính xác các loại “bong bóng” titan và crom này trong một số tàn tích của siêu tân tinh, cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng neutrino đóng một số vai trò trong việc duy trì sóng xung kích cần thiết cho ít nhất một số vụ nổ siêu tân tinh loại 2.
Còn về các vụ nổ, quá trình này cũng khiến chính các lõi ngôi sao bị tổn thương. Áp suất được đặt lên ngôi sao neutron ở trung tâm của vụ nổ không được phân bố một cách nhất quán. Với những áp lực liên quan, sự mất cân bằng này có thể là rất lớn khiến cho một lõi neutron thực sự có thể bị bắn ra khỏi siêu tân tinh như thể một viên đạn được bắn ra từ một khẩu súng. Tốc độ của nó có thể đạt hàng triệu km một giờ, tốc độ này đủ nhanh bất chấp quỹ đạo của nó, có khả năng bắn lõi sao ra khỏi thiên hà.
Vẫn còn rất nhiều điều gây ngạc nhiên khi nói đến một vụ sụp đổ lõi trong một siêu tân tinh. Ghi lại hình ảnh một siêu tân tinh thực sự từ đầu đến cuối là một điều rất khó thực hiện và chỉ đến năm 2020, các nhà thiên văn mới có thể theo dõi toàn bộ quá trình siêu tân tinh sụp đổ lõi diễn ra trong thời gian thực. Nó thậm chí còn kinh khủng hơn dự đoán từ các nhà nghiên cứu.
Raffaella Margutti , phó giáo sư thiên văn học tại Đại học UC Berkeley, tác giả chính của bài báo năm 2022 mô tả sự kiện này cho biết: “Nó giống như việc bạn đ