Manh mối mới về nơi vàng được hình thành trong vũ trụ

Theo CNN, một nghiên cứu mới vừa công bố trên tạp chí Astrophysical Journal Letters đã chỉ ra một manh mối quan trọng: sao từ, một dạng sao neutron có từ trường cực mạnh, có thể là nguồn tạo ra những nguyên tố quý hiếm này.

Hình ảnh minh họa mô tả vết nứt trên lớp vỏ của sao neutron có từ trường cực mạnh có thể kích hoạt các vụ phun trào năng lượng cao - Ảnh: NASA

Truy tìm nguồn gốc của các nguyên tố nặng

Từ lâu, các nhà thiên văn học đã biết rằng những nguyên tố nhẹ như hydro và heli xuất hiện chỉ vài phút sau vụ nổ Big Bang, cách đây khoảng 13,8 tỉ năm. Một lượng nhỏ lithium cũng có thể hình thành trong giai đoạn này. Tuy nhiên, các nguyên tố nặng hơn, chẳng hạn sắt, được hình thành trong quá trình tổng hợp hạt nhân bên trong các ngôi sao và được giải phóng ra ngoài không gian khi các ngôi sao nổ tung.

Tuy nhiên, những nguyên tố nặng hơn sắt, trong đó có vàng, lại là chuyện khác. Quá trình hình thành chúng đòi hỏi các điều kiện cực đoan hơn, vượt xa những gì xảy ra trong lõi của một ngôi sao thông thường. Trước đây, giới nghiên cứu cho rằng vàng chủ yếu xuất hiện trong các vụ va chạm sao neutron, hiện tượng hiếm gặp khi hai sao neutron quay quanh nhau và cuối cùng sáp nhập.

Vụ va chạm sao neutron đầu tiên được quan sát vào năm 2017, kèm theo tín hiệu sóng hấp dẫn và vụ nổ tia gamma. Sự kiện này được gọi là kilonova, đã tạo ra các nguyên tố nặng, trong đó có vàng, với quy mô được ví như “nhà máy luyện kim” vũ trụ.

Manh mối từ dữ liệu lưu trữ

Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu do Anirudh Patel - nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Columbia (Mỹ) dẫn đầu, đã phát hiện không chỉ có các vụ va chạm sao neutron mới tạo ra vàng. Bằng cách phân tích lại dữ liệu từ các sứ mệnh không gian trong quá khứ, các nhà khoa học đã tìm thấy dấu hiệu cho thấy sao từ - một dạng sao neutron từ tính cao, có thể cũng góp phần sản sinh ra các nguyên tố nặng.

Eric Burns, đồng tác giả nghiên cứu và là phó giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học bang Louisiana (Mỹ) cho biết sao từ có thể đã hình thành từ rất sớm trong lịch sử vũ trụ, khoảng 200 triệu năm sau vụ nổ Big Bang, tức hơn 13,6 tỉ năm trước.

Hình ảnh minh họa mô tả một sao từ đang phóng vật chất ra ngoài không gian. Các đường sức từ, thể hiện bằng màu xanh lá, chi phối chuyển động của vật chất mang điện xung quanh sao từ - Ảnh: NASA

Sao từ là tàn dư còn lại sau vụ nổ siêu tân tinh của những ngôi sao có khối lượng lớn. Chúng có mật độ cực cao: chỉ một thìa vật chất từ sao từ có thể nặng tới một tỉ tấn trên Trái đất. Điều đặc biệt là chúng sở hữu từ trường mạnh gấp hàng nghìn lần so với sao neutron thông thường, dẫn đến những hiện tượng vật lý vô cùng dữ dội.

Tương tự như động đất trên Trái đất, sao từ cũng có thể trải qua các cơn "động sao" do chuyển động bên trong lớp vỏ rắn và lõi siêu lỏng gây ra. Khi các lực này vượt quá giới hạn chịu đựng của vỏ sao, chúng tạo ra một đợt bùng phát năng lượng cực lớn, giải phóng tia X và tia gamma chỉ trong vài phần nghìn giây.

Các nhà nghiên cứu tin rằng những đợt bùng phát lớn như vậy, đặc biệt là từ những sao từ đang ở giai đoạn hoạt động mạnh, có thể đủ mạnh để thổi bay một phần vật chất từ lớp vỏ sao vào không gian. Brian Metzger, giáo sư vật lý tại Đại học Columbia và cũng là cố vấn nghiên cứu của Patel, cho rằng chính những điều kiện vật lý trong đợt phóng vật chất này là môi trường lý tưởng để tạo ra các nguyên tố nặng.

“Chúng tôi nghĩ rằng bức xạ cực mạnh trong đợt bùng phát có thể làm nóng lớp vỏ sao, đẩy các nguyên tử ra ngoài với tốc độ lớn. Và nếu đúng như vậy, đó có thể là một cách khác để hình thành vàng trong vũ trụ”, Patel giải thích.

Tín hiệu bất ngờ

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra giả thuyết của mình bằng cách phân tích dữ liệu tia gamma từ một vụ bùng phát sao từ cực mạnh được quan sát vào tháng 12.2004. Sự kiện này được ghi nhận bởi phòng thí nghiệm không gian nghiên cứu tia gamma của châu Âu INTEGRAL (nay đã ngừng hoạt động).

Tại thời điểm đó, các nhà khoa học đã ghi nhận tín hiệu nhưng chưa có lời giải thích thuyết phục. Khi áp dụng mô hình do Metzger đề xuất vào dữ liệu, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng tín hiệu tia gamma trùng khớp đáng kinh ngạc với dự đoán của họ về quá trình hình thành nguyên tố nặng từ sao từ.

Dữ liệu từ hai sứ mệnh khác là RHESSI của NASA và vệ tinh Wind cũng ủng hộ giả thuyết của nhóm. Đây được xem là một bước tiến lớn trong việc xác nhận vai trò của sao từ trong chuỗi tiến hóa hóa học của vũ trụ.

“Chúng tôi không ngờ mô hình lại trùng khớp dữ liệu đến vậy. Thật đặc biệt khi nghĩ rằng một phần vàng trong chiếc nhẫn bạn đang đeo có thể từng nằm trong vỏ của một sao từ, rồi được phóng ra trong một vụ nổ cách đây hàng tỉ năm”, Patel chia sẻ.

Nguồn vàng mới hay chỉ là một phần nhỏ?

Tuy vậy, không phải ai trong giới khoa học cũng hoàn toàn đồng tình. Tiến sĩ Eleonora Troja, chuyên gia tại Đại học Rome (Ý), người từng đứng đầu nhóm phát hiện tia X từ vụ va chạm sao neutron năm 2017, cho rằng bằng chứng từ sao từ vẫn chưa thuyết phục bằng kilonova.

“Việc sản xuất vàng từ sao từ là một trong những lời giải thích cho hiện tượng phát sáng tia gamma, nhưng không phải duy nhất”, Troja nhận định. Bà cũng nhấn mạnh rằng sao từ là “vật thể rất lộn xộn”, với nhiều yếu tố vật lý phức tạp có thể ảnh hưởng đến sản phẩm cuối cùng của quá trình tổng hợp hạt nhân. Ví dụ, lượng electron dư thừa có thể khiến nguyên tố hình thành không phải là vàng, mà là zirconium hoặc bạc.

“Vì vậy, tôi không đi xa đến mức khẳng định chúng ta đã tìm thấy nguồn vàng mới. Nhưng đây là một hướng nghiên cứu thay thế đáng chú ý”, bà nói thêm.

Theo nhà nghiên cứu Patel, các đợt bùng phát từ sao từ có thể đóng góp tới 10% lượng nguyên tố nặng hơn sắt trong dải Ngân hà. Tuy nhiên, để xác định chính xác hơn, các nhà khoa học sẽ cần thêm dữ liệu từ những sứ mệnh tương lai.

Một trong số đó là Compton Spectrometer and Imager (COSI) - kính viễn vọng tia gamma trường rộng của NASA, dự kiến phóng vào năm 2027. Thiết bị này được thiết kế để theo dõi các vụ bùng phát sao từ và xác định các nguyên tố được tạo thành trong quá trình đó. Patel cho rằng COSI có thể mở ra cơ hội tìm thấy thêm nhiều nguồn nguyên tố nặng chưa từng được biết đến trước đây.

“Khi quan sát vũ trụ bằng những công cụ hiện đại hơn, chúng ta không chỉ tìm hiểu cách các nguyên tố hình thành, mà còn hiểu rõ hơn về hành trình hóa học đã diễn ra suốt hàng tỉ năm trong thiên hà của mình”, ông nói.

Hoàng Vũ