Tiến hóa sao – Stellar Evolution

Tiến hóa sao – Stellar Evolution

siêu tân tinh
SN 1994D (điểm bừng sáng phía dưới bên trái)

Bạn có biết, ngôi sao khổng lồ đỏ Betelgeuse gần đây đang có biểu hiện khác thường. Độ sáng của nó đột ngột giảm dần, từ ngôi sao sáng thứ 5 bầu trời đêm giảm xuống thành ngôi sao sáng thứ 21. Phải chăng nó đang trên con đường đi đến kết cục của mình. Để rõ hơn cuộc đời và cái chết của ngôi sao, chúng ta cùng tìm hiểu một đề tài rất thú vị mang tên TIẾN HÓA SAO.

Tiến hóa sao miêu tả cách một ngôi sao biến đổi qua thời gian. Trên tỉ lệ thời gian một đời người, hầu hết các ngôi sao đều dường như không hề thay đổi gì cả, nhưng nếu chúng ta nhìn vào một khoảng thời gian hàng tỉ năm, có lẽ sẽ thấy cách mà các ngôi sao hình thành, chúng nhìn ra sao, và cuối cùng là chúng chết như thế nào.

Yếu tố chính xác định xem cái cách mà một ngôi sao tiến hóa là khối lượng của nó, khi khối lượng của nó đạt đến dãy chính (main sequence) [1] . Sau đây là miêu tả ngắn gọn về sự tiến hóa của một ngôi sao khối lượng thấp, và một ngôi sao khối lượng lớn.
Vòng đời của một ngôi sao

Những ngôi sao sinh ra từ sự sụp đổ hấp dẫn của những đám mây phân tử lạnh và đặc (còn gọi là tinh vân tiền sao). Khi tinh vân co lại, các phần của nó tự phân chia co cụm trong những khu vực nhỏ hơn, sau đó những phần đó sẽ hình thành nên lõi sao. Những lõi tiền sao khi ngưng tụ sẽ quay ngày càng nhanh và nhiệt độ ngày càng cao, và xung quanh đó sẽ hình thành một “đĩa tiền hành tinh” (protoplanetary disk), sau này các hành tinh sẽ hình thành trên nó. [2]

Vòng tiến hóa sao, stellar evollution
Vòng tuần hoàn vật chất và tiến hóa của những ngôi sao, các ngôi sao tiến hóa lặp đi lặp lại theo vòng tuần hoàn như thế. Các ngôi sao thế hệ sau có xu hướng trở nên “bẩn hơn” do các quá trình sản sinh vật chất của ngôi sao thế hệ trước. Ảnh: DAC

Nhiệt độ trung tâm của các tiền sao tăng đến điểm có thể thực hiện phản ứng nhiệt hạch. Lúc này, hidro sẽ kết hợp thành heli ở lõi và ngôi sao sẽ ra đời thực sự. Khoảng 90% vòng đời của mình, ngôi sao sẽ tiếp tục “đốt cháy” chuyển hidro thành heli và sẽ vẫn còn là một ngôi sao trên dãy chính (main sequence star).

Một khi hidro ở trong lõi bị biến hết thành heli, năng lượng duy trì chống lại sự tự sụp đỗ cũng mất đi và lõi bắt đầu co lại. Điều này làm tăng nhiệt độ bên trong ngôi sao và đốt cháy lớp hidro bao quanh lõi. Trong khi đó, lõi heli tiếp tục co lại và tăng nhiệt độ, dẫn đến việc năng lượng ngày càng tăng ở lớp hidro bao quanh lõi kia. Nó khiến ngôi sao nở to ra và tăng độ sáng hơn – ngôi sao trở thành sao khổng lồ đỏ.

Dần dần, lõi đạt đến nhiệt độ đủ cao để tổng hợp carbon từ heli. Nếu khối lượng của ngôi sao nhỏ hơn 2.2 lần khối lượng Mặt Trời, toàn bộ lõi cháy đột ngột trong một cú bùng phát lõi heli (helium core flash). Nếu ngôi sao lớn hơn mốc đó, sự cháy của lớp lõi sẽ nhẹ nhàng hơn. Cùng lúc đó, ngôi sao tiếp tục đốt hidro ở lớp vỏ bao quanh lõi.

helium flash
Cú helium flash đánh dấu quá trình đốt cháy helium ở lõi những ngôi sao, thổi bay một phần khối lượng của ngôi sao dẫn đến đường đi của Ngôi sao trên biểu đồ H-R như hình.

Ngôi sao chuyển heli thành carbon ở lõi nhanh hơn so với từ hidro sang heli. Một khi heli bị chuyển hết, lớp lõi carbon sẽ tiếp tục co lại và tăng nhiệt độ. Và đốt cháy lớp vỏ heli vừa hình thành do đốt hidro bao quanh lõi.

Điều xảy ra tiếp theo sẽ phụ thuộc khối lượng của ngôi sao.

/// Những ngôi sao với khối lượng ít hơn 8 lần khối lượng Mặt Trời 

• Lõi carbon bên trong sẽ tiếp tục co lại nhưng sẽ không bao giờ đạt đủ nhiệt độ để khởi đầu việc đốt carbon. Tuy nhiên, sự tồn tại của hai lớp vỏ dẫn tới tình trạng bất ổn định về nhiệt, trong đó sự đốt cháy heli và hidro sẽ xảy ra lệch pha với nhau. Sự lệch pha nhiệt độ này đặc trưng cho những sao tiệm cận khổng lồ.

sao lùn trắng
Tác phẩm của họa sĩ về thế giới của một hệ chỉ còn ngôi sao lùn trắng le lói.

• Lõi carbon tiếp tục thu lại cho đến khi nó có thể cân bằng nhờ vào “áp suất thoái hóa điện tử” (electron degeneracy pressure) [3]. Nó sẽ không thể thu nhỏ hơn được nữa vì hiện tại sao cân bằng nhờ lực tĩnh điện chứ không phải áp suất khí nữa, và lõi sẽ hình thành sao lùn trắng. Trong khi đó, lớp ngoài sẽ bị vỡ ra hoàn toàn và bị ion hóa bởi sao lùn trắng và hình thành tinh vân hành tinh.

tinh vân mắt mèo
Tinh vân hành tinh tên Helix. Credit:NASA, NOAO, ESA, the Hubble Helix Nebula Team, M. Meixner (STScI), and T.A. Rector (NRAO).

/// Những ngôi sao với khối lượng lớn hơn 8 lần khối lượng Mặt Trời.

• Lõi đang thu nhỏ sẽ tiếp tục đạt đến nhiệt độ có thể đốt cháy carbon và chuyển nó thành neon. Quá trình này của lõi sẽ dẫn đến nó co lại và đốt cháy lớp vỏ, và lặp lại hàng chuỗi phản ứng hạt nhân cho đến khi sắt được tạo ra ở trong lõi.

• Sắt không thể chuyển thành nguyên tố nặng hơn bởi vì phản ứng này không tạo ra năng lượng – nó thu năng lượng. Ngôi sao vì vậy cuối cùng trở nên hết nhiên liệu và sụp đổ do chính trọng lực của nó.

mức năng lượng liên kết riêng
Sắt mang mức năng lượng liên kết riêng lớn nhất, đồng nghĩa với việc nó là nguyên tổ bền nhất. Do đó khi tổng hợp nguyên tố khác từ sắt sẽ là quá trình thu năng lượng.

• Khối lượng của lõi ngôi sao quyết định điều gì sẽ xảy ra tiếp theo. Nếu lõi có khối lượng ít hơn 3 lần Mặt Trời, sự sụp đổ của lõi sẽ bị dừng lại do áp lực các neutron (đây là trạng thái còn cực đoan hơn áp lực electron có trong sao lùn trắng). Sự ngừng lại đột ngột trong quá trình thu nhỏ sinh ra một sóng xung kích lan rộng ra lớp ngoài của ngôi sao, thổi bay mọi thứ trong một vụ siêu tân tinh do lõi sụp đổ.

• Nếu lõi có khối lượng lớn hơn 3 lần khối lượng Mặt Trời, kể cả áp lực neutron cũng không đủ để chống lại trọng lực, và nó sẽ tiếp tục sụp đổ cho đến khi hình thành hố đen.

• Khí gas bị phóng ra mở rộng vào môi trường liên sao, làm giàu môi trường với các nguyên tố đã được tổng hợp xuyên suốt vòng đời sao và tổng hợp cả trong vụ nổ. Tàn dư của vụ nổ siêu tân tinh chính là cách phân phối các chất trong vũ trụ.

Một vài công cụ và note!

Một công cụ quan trọng trong quá trình nghiên cứu sự tiến hóa sao là Biểu đồ Hertzsprung-Russell, nó vẽ đồ thị trên hai trục trong đó 1 trục mô tả độ sáng tuyệt đối, trục còn lại mô tả loại quang phổ (hay có thể thay thế bằng độ trưng với nhiệt độ bề mặt). Khi ngôi sao tiến hóa, nó sẽ di chuyển đến một vùng cụ thể trên biểu đồ HR, từ đó ta sẽ có được đường đặc trưng phụ thuộc vào khối lượng ngôi sao và thành phần hóa học của ngôi sao.

[1] Main sequence là một dải hay đường liên tục rõ rệt thể hiện các sao khi vẽ chúng trên biểu đồ HR với trục chỉ màu so với độ sáng. Tìm hiểu thêm tại đây.

[2] Đây chính là lý do tại sao khi quan sát trên bầu trời các hành tinh đều dường như cùng ở trên đường hoàng đạo. Vì chúng cùng hình thành trong mặt phẳng của đĩa tiền hành tinh.

[3] Áp suất thoái hóa điện tử là một loại lực xảy ra khi các phân tử bị ép quá mạnh khiến cho các electron bị mất đi không gian để đi lên các lớp năng lượng có bán kính lớn hơn, từ đó các electron tác dụng lên nhau một lớp áp lực. Đó gọi là áp suất thoái hóa điện tử.

Đàm Quang Tiến – Câu lạc bộ Thiên văn học Đà Nẵng

Content Protection by DMCA.com
Tham gia thảo luận

Theo dõi chúng tôi