Các ngôi sao không chỉ tỏa sáng — chúng còn ngân nga những rung động ẩn giấu.
Giống như động đất, những gợn sóng khí trên bề mặt của một ngôi sao — được gọi là động đất sao — cung cấp manh mối về những gì nằm bên dưới. Và giờ đây, các nhà khoa học đã tìm ra một cách mới để thăm dò những cơn chấn động này trong lớp vỏ đối lưu của các ngôi sao, các lớp bên ngoài hỗn loạn của một thiên thể sao nơi khí nóng bốc lên, nguội đi và chìm xuống trong một chu kỳ truyền năng lượng liên tục.
"Động đất sao xảy ra ở hầu hết các ngôi sao có lớp ngoài sủi bọt, giống như một nồi nước sôi", Claudia Reyes, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học New South Wales khi nghiên cứu được tiến hành, nói với Space.com. "Những bong bóng khí nóng này bốc lên và vỡ ra trên bề mặt, tạo ra những gợn sóng lan tỏa khắp ngôi sao khiến nó rung động theo những cách đặc biệt: đây là [được gọi là] dao động âm thanh mà chúng ta có thể phát hiện bằng cách tìm kiếm những biến đổi tinh tế trong độ sáng của chúng."
Giống như sóng địa chấn giúp các nhà khoa học nghiên cứu bên trong Trái đất, những trận động đất sao này cung cấp một cách để suy ra cấu trúc bên trong của một ngôi sao.
"Mỗi [ngôi sao] có tần số cộng hưởng riêng, được xác định trước bởi cấu trúc bên trong và các tính chất vật lý của nó", Reyes, hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Quốc gia Úc, cho biết. "Những ngôi sao lớn hơn tạo ra các rung động sâu hơn, chậm hơn, trong khi những ngôi sao nhỏ hơn rung động ở các tần số cao hơn".
Một chìa khóa để giải mã những rung động này là cái được gọi là "khoảng cách tần số nhỏ". Bằng cách phân tích đặc điểm này, các nhà khoa học có thể ước tính lượng nhiên liệu hydro mà một ngôi sao ít tiến hóa hơn, như mặt trời, sở hữu, vì chính sự hợp nhất các nguyên tử hydro thành heli dưới lực hấp dẫn mạnh có trong lõi của một ngôi sao thúc đẩy vòng đời của một ngôi sao.
"Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc sử dụng chữ ký tần số này để tìm hiểu về những ngôi sao khổng lồ, [những ngôi sao có vòng đời xa hơn] so với mặt trời", Reyes cho biết.
Các ngôi sao tiến hóa trong hàng tỷ năm — mặt trời của chúng ta có tuổi đời khoảng 4,6 tỷ năm và đã đi được một nửa vòng đời — do đó, việc nghiên cứu cách chúng thay đổi theo thời gian là một thách thức. "Chúng ta không thể theo dõi một ngôi sao để xem nó sẽ 'già đi' như thế nào", Reyes cho biết.
Tuy nhiên, những gì các nhà khoa học có thể làm là nghiên cứu các cụm sao, là các nhóm sao hình thành cùng nhau và có cùng độ tuổi và thành phần. "Vì các ngôi sao có khối lượng lớn hơn tiến hóa nhanh hơn các ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn, nên khi quan sát một nhóm các ngôi sao cụm, chúng ta có thể quan sát một chuỗi tiến hóa rộng trước mắt mình", Reyes giải thích.
Reyes và nhóm của bà đã đo các trận động đất sao ở 27 ngôi sao từ cụm sao mở Messier 67 (M67), một nhóm liên kết lỏng lẻo gồm hơn 500 ngôi sao. Là một trong những cụm sao mở lâu đời nhất được biết đến, M67 có tuổi tương tự như mặt trời và chứa khoảng 100 ngôi sao giống mặt trời, cùng với nhiều sao khổng lồ đỏ và sao lùn trắng.
"M67 [gây chú ý vì nó] có thành phần hóa học rất giống với Mặt trời của chúng ta và có nhiều ngôi sao trong pha khổng lồ. Điều này là do các mô hình của chúng tôi thường được hiệu chỉnh rất tốt theo mặt trời, thành phần hóa học là thứ mà chúng tôi hiểu rõ nhất", Reyes cho biết. "Với nghiên cứu này, chúng tôi có thể thăm dò vật lý cơ bản xảy ra sâu bên trong các ngôi sao này, trong những điều kiện khắc nghiệt này. Điều quan trọng đối với chúng tôi là xây dựng các mô hình tiến hóa mà chúng tôi có thể tin cậy, để chúng tôi có thể dự đoán những gì xảy ra không chỉ với mặt trời mà còn với các ngôi sao khác khi chúng già đi."
Nhóm nghiên cứu đã phân tích những biến thể nhỏ trong cường độ ánh sáng của các ngôi sao, tạo ra quang phổ tần số cho thấy dao động.
“Chúng tôi thấy rằng nhìn chung, các ngôi sao lớn hơn (tiến hóa hơn) tạo ra các rung động chậm hơn, trong khi các ngôi sao nhỏ hơn (ít tiến hóa hơn) rung động ở các cao độ cao hơn, như dự kiến", Reyes cho biết. "Tuy nhiên, có một điểm chuyển từ kém tiến hóa hơn sang tiến hóa hơn, có một điểm khi các rung động ngừng thay đổi và tiếp tục lặp lại cùng một nốt."
Đây là một phát hiện bất ngờ về các đặc điểm tần số của các ngôi sao mà nhóm nghiên cứu. "Chúng tôi thấy rằng 'tần số dừng' này được xác định rõ ràng bởi khối lượng và thành phần hóa học của ngôi sao", Reyes cho biết. "Do đó, chúng tôi đã tìm thấy một công cụ chẩn đoán mới để ước tính khối lượng và tuổi của chúng với độ chính xác được cải thiện."
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng tần số dừng quan sát được có tương quan với ranh giới dưới của lớp vỏ đối lưu của các ngôi sao.
"Điều này xảy ra ở một giai đoạn cụ thể trong cuộc đời của một sao khổng lồ đỏ", Reyes cho biết. "Khi lớp vỏ đối lưu của nó sâu hơn và trải dài khoảng 80% khối lượng của ngôi sao và ranh giới dưới cùng của nó chạm đến một phần nhạy cảm bên trong ngôi sao. Ở ranh giới dưới cùng này, tốc độ âm thanh thay đổi mạnh, ảnh hưởng đến cách sóng âm truyền đi."
Câu chuyện liên quan:
— Ngôi sao siêu khổng lồ Betelgeuse có thể có một 'Betelbuddy'
— Các nhà khoa học đã cố tình sử dụng các thiết bị JWST 'sai' để chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh
— Kính viễn vọng không gian James Webb điều tra nguồn gốc của 'những ngôi sao hỏng' trong Tinh vân Ngọn lửa
So sánh những kết quả này với các mô hình sao dự đoán tần số dừng quan sát được sẽ giúp các nhà thiên văn học ước tính tốt hơn khối lượng và tuổi của các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta và vượt xa hơn.
"Các ngôi sao giống như hồ sơ hóa thạch mang thông tin về môi trường mà chúng hình thành", Reyes nói thêm. "Bằng cách nghiên cứu chúng, các nhà thiên văn học có thể ghép lại câu chuyện về thiên hà của chúng ta. Những ước tính tuổi tốt hơn trên khắp thiên hà giúp chúng ta tái tạo lại lịch sử này một cách chi tiết hơn".
Giống như động đất, những gợn sóng khí trên bề mặt của một ngôi sao — được gọi là động đất sao — cung cấp manh mối về những gì nằm bên dưới. Và giờ đây, các nhà khoa học đã tìm ra một cách mới để thăm dò những cơn chấn động này trong lớp vỏ đối lưu của các ngôi sao, các lớp bên ngoài hỗn loạn của một thiên thể sao nơi khí nóng bốc lên, nguội đi và chìm xuống trong một chu kỳ truyền năng lượng liên tục.
"Động đất sao xảy ra ở hầu hết các ngôi sao có lớp ngoài sủi bọt, giống như một nồi nước sôi", Claudia Reyes, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học New South Wales khi nghiên cứu được tiến hành, nói với Space.com. "Những bong bóng khí nóng này bốc lên và vỡ ra trên bề mặt, tạo ra những gợn sóng lan tỏa khắp ngôi sao khiến nó rung động theo những cách đặc biệt: đây là [được gọi là] dao động âm thanh mà chúng ta có thể phát hiện bằng cách tìm kiếm những biến đổi tinh tế trong độ sáng của chúng."
Giống như sóng địa chấn giúp các nhà khoa học nghiên cứu bên trong Trái đất, những trận động đất sao này cung cấp một cách để suy ra cấu trúc bên trong của một ngôi sao.
"Mỗi [ngôi sao] có tần số cộng hưởng riêng, được xác định trước bởi cấu trúc bên trong và các tính chất vật lý của nó", Reyes, hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Quốc gia Úc, cho biết. "Những ngôi sao lớn hơn tạo ra các rung động sâu hơn, chậm hơn, trong khi những ngôi sao nhỏ hơn rung động ở các tần số cao hơn".
Một chìa khóa để giải mã những rung động này là cái được gọi là "khoảng cách tần số nhỏ". Bằng cách phân tích đặc điểm này, các nhà khoa học có thể ước tính lượng nhiên liệu hydro mà một ngôi sao ít tiến hóa hơn, như mặt trời, sở hữu, vì chính sự hợp nhất các nguyên tử hydro thành heli dưới lực hấp dẫn mạnh có trong lõi của một ngôi sao thúc đẩy vòng đời của một ngôi sao.
"Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc sử dụng chữ ký tần số này để tìm hiểu về những ngôi sao khổng lồ, [những ngôi sao có vòng đời xa hơn] so với mặt trời", Reyes cho biết.
Các ngôi sao tiến hóa trong hàng tỷ năm — mặt trời của chúng ta có tuổi đời khoảng 4,6 tỷ năm và đã đi được một nửa vòng đời — do đó, việc nghiên cứu cách chúng thay đổi theo thời gian là một thách thức. "Chúng ta không thể theo dõi một ngôi sao để xem nó sẽ 'già đi' như thế nào", Reyes cho biết.
Tuy nhiên, những gì các nhà khoa học có thể làm là nghiên cứu các cụm sao, là các nhóm sao hình thành cùng nhau và có cùng độ tuổi và thành phần. "Vì các ngôi sao có khối lượng lớn hơn tiến hóa nhanh hơn các ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn, nên khi quan sát một nhóm các ngôi sao cụm, chúng ta có thể quan sát một chuỗi tiến hóa rộng trước mắt mình", Reyes giải thích.
Reyes và nhóm của bà đã đo các trận động đất sao ở 27 ngôi sao từ cụm sao mở Messier 67 (M67), một nhóm liên kết lỏng lẻo gồm hơn 500 ngôi sao. Là một trong những cụm sao mở lâu đời nhất được biết đến, M67 có tuổi tương tự như mặt trời và chứa khoảng 100 ngôi sao giống mặt trời, cùng với nhiều sao khổng lồ đỏ và sao lùn trắng.
"M67 [gây chú ý vì nó] có thành phần hóa học rất giống với Mặt trời của chúng ta và có nhiều ngôi sao trong pha khổng lồ. Điều này là do các mô hình của chúng tôi thường được hiệu chỉnh rất tốt theo mặt trời, thành phần hóa học là thứ mà chúng tôi hiểu rõ nhất", Reyes cho biết. "Với nghiên cứu này, chúng tôi có thể thăm dò vật lý cơ bản xảy ra sâu bên trong các ngôi sao này, trong những điều kiện khắc nghiệt này. Điều quan trọng đối với chúng tôi là xây dựng các mô hình tiến hóa mà chúng tôi có thể tin cậy, để chúng tôi có thể dự đoán những gì xảy ra không chỉ với mặt trời mà còn với các ngôi sao khác khi chúng già đi."
Nhóm nghiên cứu đã phân tích những biến thể nhỏ trong cường độ ánh sáng của các ngôi sao, tạo ra quang phổ tần số cho thấy dao động.
“Chúng tôi thấy rằng nhìn chung, các ngôi sao lớn hơn (tiến hóa hơn) tạo ra các rung động chậm hơn, trong khi các ngôi sao nhỏ hơn (ít tiến hóa hơn) rung động ở các cao độ cao hơn, như dự kiến", Reyes cho biết. "Tuy nhiên, có một điểm chuyển từ kém tiến hóa hơn sang tiến hóa hơn, có một điểm khi các rung động ngừng thay đổi và tiếp tục lặp lại cùng một nốt."
Đây là một phát hiện bất ngờ về các đặc điểm tần số của các ngôi sao mà nhóm nghiên cứu. "Chúng tôi thấy rằng 'tần số dừng' này được xác định rõ ràng bởi khối lượng và thành phần hóa học của ngôi sao", Reyes cho biết. "Do đó, chúng tôi đã tìm thấy một công cụ chẩn đoán mới để ước tính khối lượng và tuổi của chúng với độ chính xác được cải thiện."
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng tần số dừng quan sát được có tương quan với ranh giới dưới của lớp vỏ đối lưu của các ngôi sao.
"Điều này xảy ra ở một giai đoạn cụ thể trong cuộc đời của một sao khổng lồ đỏ", Reyes cho biết. "Khi lớp vỏ đối lưu của nó sâu hơn và trải dài khoảng 80% khối lượng của ngôi sao và ranh giới dưới cùng của nó chạm đến một phần nhạy cảm bên trong ngôi sao. Ở ranh giới dưới cùng này, tốc độ âm thanh thay đổi mạnh, ảnh hưởng đến cách sóng âm truyền đi."
Câu chuyện liên quan:
— Ngôi sao siêu khổng lồ Betelgeuse có thể có một 'Betelbuddy'
— Các nhà khoa học đã cố tình sử dụng các thiết bị JWST 'sai' để chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh
— Kính viễn vọng không gian James Webb điều tra nguồn gốc của 'những ngôi sao hỏng' trong Tinh vân Ngọn lửa
So sánh những kết quả này với các mô hình sao dự đoán tần số dừng quan sát được sẽ giúp các nhà thiên văn học ước tính tốt hơn khối lượng và tuổi của các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta và vượt xa hơn.
"Các ngôi sao giống như hồ sơ hóa thạch mang thông tin về môi trường mà chúng hình thành", Reyes nói thêm. "Bằng cách nghiên cứu chúng, các nhà thiên văn học có thể ghép lại câu chuyện về thiên hà của chúng ta. Những ước tính tuổi tốt hơn trên khắp thiên hà giúp chúng ta tái tạo lại lịch sử này một cách chi tiết hơn".