Bên trong 'siêu tân tinh' chưa từng xuất hiện trong vũ trụ

Hình minh họa của một nghệ sĩ mô tả silic, argon và lưu huỳnh thoát ra từ một ngôi sao khổng lồ. Ảnh: Adam Makarenko/W. M. Keck Observatory

Một nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature ngày 20/4 cho biết các nhà thiên văn học vừa quan sát được một hiện tượng mà họ gọi là một loại siêu tân tinh hoàn toàn mới, hé lộ những bí mật chưa từng thấy về điều gì xảy ra bên trong lõi sao ngay trước khi phát nổ.

"Củ hành tây khổng lồ"

Theo các nhà khoa học, những ngôi sao khổng lồ giống như củ hành tây khổng lồ của vũ trụ: lớp ngoài cùng chứa hydro và heli, trong khi các lớp bên trong lần lượt hình thành từ các nguyên tố nặng hơn.

Những ngôi sao có khối lượng gấp 10 đến 100 lần Mặt Trời này được nuôi sống nhờ phản ứng nhiệt hạch, quá trình trong đó các nguyên tố nhẹ kết hợp tạo thành nguyên tố nặng hơn. Ban đầu, chúng có khoảng 75% hydro, 25% heli, kèm theo lượng nhỏ carbon, nitơ, silic và các nguyên tố khác.

Qua thời gian, hydro trong lõi bị nung nóng và kết hợp thành heli, tạo nên các lớp ngoài. Dần dần, các lớp oxy, neon, magie, lưu huỳnh, silic và carbon lần lượt xếp chồng dưới lớp hydro và heli. Ở giai đoạn cuối, một lõi sắt khổng lồ hình thành.

Thông thường, năng lượng sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch tạo ra áp suất cân bằng với lực hấp dẫn, giữ ngôi sao không sụp đổ. Nhưng khi lõi sắt xuất hiện, quá trình hợp nhất không còn giải phóng đủ năng lượng, khiến lõi sụp đổ và dẫn tới vụ nổ siêu tân tinh.

Điều bất ngờ xảy ra khi các nhà thiên văn quan sát siêu tân tinh SN2021yfj, một vụ nổ hoàn toàn khác biệt. Ngôi sao đã mất hầu hết lớp hydro, heli và carbon từ trước khi phát nổ. Và ngay trước khi sụp đổ, nó giải phóng một lớp vật chất hiếm khi được nhìn thấy bao gồm silic, lưu huỳnh và argon.

Vụ nổ đã “thắp sáng” lớp vỏ đặc biệt này, cho phép các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát nó.

“Đây là lần đầu tiên chúng ta thấy một ngôi sao bị lột trần đến tận lõi”, Steve Schulze, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Khám phá này cung cấp bằng chứng trực tiếp cho cấu trúc bên trong vốn chỉ tồn tại trên lý thuyết. Nó cũng thách thức những hiểu biết truyền thống về cách các ngôi sao tiến hóa và kết thúc vòng đời.

“Hiện tượng này thật sự không giống bất cứ thứ gì chúng ta từng thấy”, đồng tác giả Adam Miller nói. “Ngôi sao này cho thấy những gì sách giáo khoa ghi nhận chưa đủ. Có thể tồn tại nhiều con đường ‘dị thường’ khác mà sao khổng lồ có thể đi đến cái chết của mình”.

Phát hiện tình cờ trong vũ trụ

Các nhà nghiên cứu ước tính ngôi sao gốc của SN2021yfj có khối lượng gấp 60 lần Mặt Trời. Tuy nhiên, do đã mất phần lớn lớp hydro bên ngoài, khối lượng khi phát nổ nhỏ hơn nhiều.

Trước đây, giới khoa học từng ghi nhận hiện tượng sao khổng lồ mất lớp hydro trước khi phát nổ, nhưng vẫn giữ heli, carbon và oxy. Lần này, ngôi sao mất đi gần như toàn bộ, chỉ còn lại lớp silic và lưu huỳnh ngay trước khi sụp đổ.

Trong vụ nổ, vật chất từ lõi sao va chạm với lớp vỏ khí vừa bị tống ra, khiến silic và lưu huỳnh phát sáng rực rỡ.

“Một sự kiện cực kỳ bạo liệt phải đã xảy ra”, Schulze nhấn mạnh.

Hình minh họa của một nghệ sĩ mô tả về hiện tượng sáng chói của siêu tân tinh. Ảnh: Adam Makarenko/W. M. Keck Observatory.

Siêu tân tinh được phát hiện vào tháng 9/2021 nhờ kính thiên văn Zwicky Transient Facility ở California, chuyên quét bầu trời để tìm hiện tượng vũ trụ ngắn ngủi. Vật thể này nằm cách Trái Đất 2,2 tỷ năm ánh sáng, được phát hiện khi độ sáng tăng đột ngột.

Ban đầu, Zwicky chỉ ghi nhận được độ sáng, không thể phân tích thành phần. May mắn thay, nhà nghiên cứu Yi Yang tại Đại học Thanh Hoa (Trung Quốc) đã quan sát được quang phổ bằng kính thiên văn Keck ở Hawaii. Nhờ vậy, nhóm khoa học nhận ra những vạch đặc trưng của silic, lưu huỳnh và argon - điều chưa từng thấy trước đây.

“Không có quang phổ đó, chúng ta có lẽ sẽ bỏ lỡ một vụ nổ kỳ lạ và đặc biệt”, Miller nói.

Sau khi phân tích, nhóm nghiên cứu xác định đây là một dạng siêu tân tinh hoàn toàn mới, đặt tên SN Ien. Các loại siêu tân tinh thường được phân loại dựa trên nguyên tố có mặt: loại II chứa hydro, loại Ib có heli nhưng không có hydro, loại Ic có oxy nhưng thiếu cả hydro lẫn heli. SN Ien lại hé lộ các lớp trong cùng với silic, lưu huỳnh và argon.

“Phát hiện này cho thấy chúng ta mới chỉ thấy một phần trong ‘sở thú’ siêu tân tinh của vũ trụ”, Stefano Valenti, giáo sư thiên văn tại Đại học California, nhận định.

Hiện mới chỉ có một ví dụ duy nhất, vì vậy các nhà khoa học nhấn mạnh cần tìm thêm nhiều trường hợp để hiểu rõ bản chất của loại siêu tân tinh này. Nhưng thách thức ở chỗ hầu hết kính thiên văn chỉ đo độ sáng, không ghi nhận quang phổ chi tiết.

“Câu hỏi lớn nhất còn bỏ ngỏ là: loại vụ nổ này hiếm đến mức nào trong vũ trụ?”, Miller đặt vấn đề. “Chúng ta có cực kỳ may mắn khi bắt gặp nó, hay trên thực tế còn nhiều hiện tượng tương tự chưa được phát hiện đúng cách?”.

Phương Linh