Nguyên nhân ngôi sao rời khỏi dãy chính

Đối với những bạn đọc thường xuyên theo dõi DAC. Chắc hẳn không còn quá xa lạ với cụm từ “sao dãy chính”.

Để đạt đến giai đoạn này ắt phải mất hàng chục triệu năm. Từ một đám mây tinh vân mẹ rộng lớn qua sự sụp đổ và co lại dần. Trở thành một ngôi sao hoàn thiện, biểu thị trên dãy chính trong biểu đồ H-R. Thế là chúng dành phần lớn cuộc đời mình yên vị trong cái dãy chính này.

Tất nhiên, không có gì là mãi mãi!

Những ngôi sao này vẫn không thể thoát khỏi quy luật thời gian. Chúng không thể cứ ở lì một giai đoạn, giống như con người ta không thể cứ trẻ mãi, sẽ đến lúc chúng trở thành một thứ gì đó khác. Rời khỏi dãy chính là dấu hiệu đầu tiên, ta hãy cùng tìm hiểu nguyên nhân trong bài viết này.

Sao dãy chính (Main sequence star)

Trước khi vào món chính, ta hãy điểm lại điều gì làm nên một ngôi sao dãy chính nhé!

Có hai điều kiện cơ bản đặt ra so với những giai đoạn khác:

• Phản ứng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion) trong lõi: là phản ứng nhiệt hạch sâu bên trong trung tâm để tổng hợp hydro thành heli. 

• Ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh (hydrostatic equilibrium): Đây là sự cân bằng ổn định giữa hai lực đối nghịch, trọng lực bên trong (gây ra bởi lực hấp dẫn của chính nó) và áp suất bên ngoài (gây ra bởi phản ứng nhiệt hạch trên).

Tổng quan

Vậy chỉ cần phá vỡ một trong hai điều kiện trên ngôi sao sẽ không còn là sao dãy chính nữa.

Điều này cũng chẳng cần tác động bên ngoài. Ta biết rằng hydro là nguyên liệu không thể thiếu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân ở lõi. Và lúc lượng hydro ấy cạn kiệt cũng là lúc mà sao bước vào giai đoạn mới. Khi lượng hydro trong lõi dần cạn kiệt, sự cân bằng giữa các lực đối nghịch bắt đầu thay đổi. Dẫn đến cả cấu trúc sao trong và ngoài cũng thay đổi theo. Cũng là lúc mà ngôi sao thay đổi đặc điểm cơ bản ban đầu và thế là không còn nằm trên dãy chính nữa.

Lưu ý:

• Đây chỉ là trình tự khái quát hóa đơn giản nhất, điều này còn phụ thuộc vào khối lượng sao ban đầu. 

• Khối lượng sao càng lớn thì trọng lực càng lớn. Để chống lại lực hấp dẫn lớn này, ngôi sao cần áp suất trong lõi lớn để cần bằng. Do đó tốc độ phản ứng nhiệt hạch càng lớn. 

• Điều này đòi hỏi ngôi sao đốt cháy nguồn nhiên liệu hydro nhanh hơn. Tương đương với việc đưa nó ra khỏi dãy chính nhanh hơn. Còn ngược lại một ngôi sao có khối lượng thấp hơn, tốc độ tiêu thụ nhiên liệu chậm hơn.

Thay vì tập trung vào nhiều chi tiết, ta sẽ tập trung vào một chuỗi tiến hóa tiêu biểu. Bắt đầu bằng việc xem xét một ngôi sao có khối lượng cỡ Mặt trời.

Sao cỡ Mặt Trời rời khỏi dãy chính

Ban đầu, ngôi sao ở dãy chính đã đáp ứng đủ hai điều kiện vừa nêu trên.

Bằng việc tiêu thụ lượng hydro cho phản ứng nhiệt hạch. Các thành phần sao dần thay đổi. Nếu như lúc đầu, lượng hydro chiếm phần lớn. Thì khi sao già đi, hàm lượng heli tăng nhanh nhất, chiếm đa số ở tâm.

Vì hạt nhân heli (có hai proton) mang điện tích dương lớn hơn, lực đẩy điện từ lớn hơn, và do đó cần nhiệt độ cao hơn để chúng hợp nhất. Thế nhưng nhiệt độ lõi ở giai đoạn này quá thấp để bắt đầu phản ứng tổng hợp heli. Vì vậy heli tích tụ lại, lõi heli không cháy (nonburning helium) bắt đầu phát triển.

Theo thời gian, hydro trở nên cạn kiệt ở trung tâm. Đồng nghĩa với việc không đủ nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra. Phản ứng đó không xảy ra thì đâu còn nguồn năng lượng để duy trì ở trung tâm. Nên áp suất khí trong lõi đẩy ra bên ngoài yếu đi. Nhưng lực hấp dẫn lại chẳng nề hà gì. Áp suất không thể chống lại lực hấp dẫn mạnh mẽ đó. Đến đây sự cân bằng thủy tĩnh đã bị phá vỡ, lõi sao bắt đầu co lại.

Lõi co lại thì vẫn sinh ra năng lượng thôi.

Năng lượng đó đến từ việc chuyển động năng thành nhiệt năng và giải phóng năng lượng hấp dẫn. Kéo theo đó là nhiệt độ trung tâm tăng lên, làm nóng lớp vỏ của lõi. Và khiến hydro ở vỏ lõi nóng chảy nhanh hơn. Đến đây thì một lần nữa xảy ra phản ứng tổng hợp hydro. Nhưng mà lại là ở vỏ lõi. Ở giai đoạn đốt cháy vỏ hydro này (hydrogen – burning shell), lớp vỏ hydro của lõi cháy với tốc độ dữ dội. Nó bao quanh lõi không cháy bên trong hay còn gọi là “tro” heli (Nonburning helium “ash”).

Điều thú vị là vỏ hydro còn tạo ra năng lượng nhanh hơn so với lõi sao dãy chính ban đầu. Năng lượng lớp vỏ đó tiếp tục tăng khi lõi co lại. Nghe có vẻ lạ nhưng ngôi sao đã trở nên sáng hơn khi phản ứng tổng hợp hạt nhân ở tâm biến mất.

Với tất cả năng lượng mới sinh ra từ vỏ lõi hydro đổ ra bên ngoài, các lớp bên ngoài của ngôi sao bắt đầu mở rộng. Kích thước, độ sáng, nhiệt độ… thay đổi, sẽ không còn là sao dãy chính như xưa.

Vậy ngôi sao sẽ trở thành cái gì tiếp theo? 

Như ta vừa đề cập phía trên. Việc ngôi sao trở thành cái gì cũng phụ thuộc vào khối lượng của nó. Một ngôi sao cỡ Mặt Trời sẽ hướng đến sao khổng lồ đỏ (Red Giant). Và ngôi sao nặng ký hơn sẽ dấn thân vào con đường trở thành sao siêu khổng lồ đỏ (Red SuperGiant).

Còn quá trình trở thành những ngôi sao như vậy diễn ra như thế nào. Đó lại là một câu chuyện khác.

Theo dõi DAC để tiếp tục cuộc hành trình thú vị này nhé!

Tổng hợp bởi Vĩnh Đạt, Công Khoa, Oanh Oanh, Đức Hoàng – Ban Học Thuật
Biên tập bởi Khánh Linh – Ban Truyền Thông