Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một ngôi sao cực kỳ hiếm có có thể giúp giải quyết một trong những bí ẩn dai dẳng của thiên văn học: các nguyên tố nặng nhất của vũ trụ đến từ đâu.
Ngôi sao có tên LAMOST J0804+5740 này nằm trong Gaia Sausage (còn gọi là Gaia Enceladus), tàn tích cổ xưa của một thiên hà lùn đã hợp nhất với Ngân Hà cách đây khoảng 8 tỷ đến 11 tỷ năm. Loại sao này, được gọi là sao tăng cường actinide, có hàm lượng cao các nguyên tố phóng xạ được gọi là actinide.
"Actinide là nhóm nguyên tố nặng nhất trong bảng tuần hoàn", Anirudh Patel, một ứng viên tiến sĩ trong nhóm Vật lý thiên văn năng lượng cao lý thuyết tại Đại học Columbia, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Space.com. "Ví dụ, chúng bao gồm thori và urani, và được tạo ra bởi quá trình r."
Quá trình r, viết tắt của "quá trình bắt giữ neutron nhanh", là một loạt các phản ứng hạt nhân xảy ra trong môi trường thiên văn khắc nghiệt, như trong quá trình hợp nhất sao neutron hoặc một số loại siêu tân tinh, trong đó hạt nhân nguyên tử hấp thụ nhanh chóng neutron trước khi chúng có cơ hội phân rã, trở thành các nguyên tố nặng hơn.
"Đây là cách tổng hợp khoảng một nửa số nguyên tố nặng hơn sắt trong vũ trụ của chúng ta", Patel giải thích. "Quá trình r đòi hỏi môi trường thiên văn vật lý khắc nghiệt hơn so với các phản ứng hợp hạch thông thường diễn ra trong lõi của các ngôi sao lớn. Tuy nhiên, hiểu biết đầy đủ về nguồn gốc thiên văn vật lý của quá trình r vẫn còn là điều khó nắm bắt trong nhiều thập kỷ."
Quan sát trực tiếp quá trình r đang diễn ra là rất hiếm. Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã xác định được hai địa điểm vũ trụ có khả năng xảy ra quá trình này. Một là sự hợp nhất của các sao neutron, và gần đây hơn, Patel và các đồng nghiệp đã báo cáo bằng chứng rằng quá trình này cũng có thể xảy ra bên trong các sao neutron có từ tính cực mạnh được gọi là sao từ.
Mặc dù những khám phá này là những bước đi đúng hướng, nhưng chúng vẫn chưa giải thích được cách thức hình thành của hầu hết các nguyên tố nặng trong vũ trụ. Chỉ riêng các địa điểm r-process đã biết không thể giải thích đầy đủ về sự phong phú đã quan sát được của các nguyên tố nặng như urani, thori và vàng. Điều này là do chúng quá hiếm hoặc không thường xuyên để tạo ra số lượng lớn các nguyên tố nặng mà chúng ta quan sát thấy ngày nay, cho thấy rằng các nguồn khác, chưa được phát hiện, phải có sự đóng góp.
Các quan sát về J0804+5740, ngôi sao tăng cường actinide đầu tiên được xác định trong cụm Gaia Sausage, cung cấp một mảnh ghép mới thú vị của câu đố. "Nghiên cứu báo cáo một bộ dữ liệu hóa học toàn diện, xác định một ngôi sao mới giàu r-process", Patel cho biết. "Điều này, cùng với các dữ liệu và mô hình lý thuyết khác, sẽ đóng vai trò trong việc [xác định] nguồn gốc của các nguyên tố r-process trong vũ trụ".
Để xác định những nguyên tố nào có trong một ngôi sao và khám phá các quá trình tạo ra chúng, các nhà thiên văn học sử dụng một kỹ thuật được gọi là quang phổ nguyên tử.
"Ý tưởng là electron chiếm các mức năng lượng khác nhau trong các nguyên tử", Patel cho biết. "Khoảng cách giữa các mức năng lượng này có thể khác nhau bên trong các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau. Nếu một nguyên tử nằm trong bầu khí quyển của một ngôi sao, nó có thể hấp thụ ánh sáng từ ngôi sao và các electron của nó có thể chuyển đổi giữa các mức năng lượng bên trong. Các nguyên tố khác nhau có cấu trúc nguyên tử khác nhau, vì vậy chúng sẽ hấp thụ các tần số ánh sáng khác nhau trong quá trình chuyển đổi này".
Sử dụng các thiết bị chuyên dụng, các nhà khoa học quan sát thấy ít ánh sáng hơn ở các màu cụ thể mà các nguyên tố hấp thụ do mức năng lượng bên trong của chúng. Điều này giúp họ đo được lượng các nguyên tố đó có trong bầu khí quyển của ngôi sao.
Nhóm khoa học của nghiên cứu rất phấn khởi khi sau khi tiến hành phân tích nguyên tố, họ phát hiện ra rằng J0804+5740 là một ví dụ hiếm hoi về một ngôi sao tăng cường actinide có độ kim loại tương đối cao — tổng lượng các nguyên tố nặng hơn heli trong một ngôi sao.
Các ngôi sao tăng cường actinide thường chỉ cho thấy số lượng actinide cao bất thường, như thori và urani, so với các nguyên tố nặng khác được tạo ra bởi quá trình r, nhưng sự tăng cường này thường xuất hiện ở những ngôi sao nghèo kim loại hoặc có độ kim loại thấp.
Điều này khiến J0804+5740 trở nên hơi kỳ lạ. "Giống như hầu hết các ngôi sao được tăng cường quá trình r, mô hình phong phú của hầu hết các nguyên tố bắt neutron nặng trong J0804+5740 phù hợp với quá trình r của Mặt Trời, cho thấy quá trình r chính đã tạo ra các nguyên tố này trong vũ trụ sơ khai", nhóm nghiên cứu đã viết trong một bài báo được công bố trên The Astrophysical Journal Letters. "Tuy nhiên, một số nguyên tố biểu hiện độ lệch so với mô hình phong phú quá trình r-process điển hình của Mặt Trời."
Nó tuân theo mô hình dự kiến đối với các nguyên tố rất nặng, nhưng nó cũng cho thấy sự phong phú bất ngờ của các nguyên tố quá trình r-process nhẹ hơn, như bari, lanthanum và xeri. "[Sự phong phú của chúng] trong ngôi sao J0804+5740 lớn hơn một vài lần so với trong hệ Mặt Trời của chúng ta," Patel cho biết. "Điều này ngụ ý rằng tồn tại nhiều loại vị trí quá trình r-process — cụ thể là một loại có thể tạo ra sự phong phú tương đối cao của các nguyên tố quá trình r-process nhẹ này."
Để hiểu rõ hơn về nguồn gốc của ngôi sao kỳ lạ này, nhóm nghiên cứu đã phân tích chuyển động của J0804+5740 và các ngôi sao tương tự. Họ phát hiện ra rằng các ngôi sao tăng cường actinide có khả năng đến từ bên ngoài Ngân Hà gấp đôi, cho thấy chúng được sinh ra trong các thiên hà nhỏ hơn sau đó bị kéo vào thiên hà của chúng ta. Điều này chỉ ra một manh mối quan trọng: Hiện tượng tăng cường actinide có thể phổ biến hơn ở các thiên hà nhỏ hơn, già hơn.
Các mô hình lý thuyết chỉ ra rằng một nguồn có thể là một vụ nổ hiếm và mạnh được gọi là siêu tân tinh do từ trường quay. Những sự kiện cực đoan này có thể tạo ra loại môi trường giàu neutron cần thiết để tạo ra actinide, đặc biệt là ở các thiên hà như Gaia Sausage.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Những vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ có thể tiết lộ vàng đến từ đâu
—Một tiểu hành tinh gần đó có thể chứa các nguyên tố 'ngoài bảng tuần hoàn', theo một nghiên cứu mới
—Vàng của vũ trụ đến từ đâu? Các đợt bùng phát khổng lồ từ các ngôi sao cực từ cung cấp một manh mối
"Các mô hình lý thuyết rất hứa hẹn, nhưng chúng không phải là không có sự không chắc chắn", Patel cho biết. "Cần có nhiều ràng buộc quan sát hơn để đánh giá mức độ các mô hình này tái tạo những gì thực sự xảy ra trong tự nhiên".
Bất kể thế nào, những độ lệch nguyên tố này trong J0804+5740 cho thấy nguồn gốc tổng hợp hạt nhân phức tạp hơn — có thể liên quan đến nhiều loại sự kiện r-process hoặc sự đóng góp từ các quá trình khác ngoài r-process chính.
"Điều này có nghĩa là chúng ta vẫn chưa có bức tranh hoàn chỉnh", Patel cho biết. "Các quan sát trong tương lai […] sẽ tiết lộ nhiều hơn về bản chất của các vị trí r-process trong vũ trụ", Patel cho biết. "Cùng với các mô hình lý thuyết mới và tiên tiến, điều này sẽ rất cần thiết để giải quyết bí ẩn r-process và hoàn thiện sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc của các nguyên tố".
Ngôi sao có tên LAMOST J0804+5740 này nằm trong Gaia Sausage (còn gọi là Gaia Enceladus), tàn tích cổ xưa của một thiên hà lùn đã hợp nhất với Ngân Hà cách đây khoảng 8 tỷ đến 11 tỷ năm. Loại sao này, được gọi là sao tăng cường actinide, có hàm lượng cao các nguyên tố phóng xạ được gọi là actinide.
"Actinide là nhóm nguyên tố nặng nhất trong bảng tuần hoàn", Anirudh Patel, một ứng viên tiến sĩ trong nhóm Vật lý thiên văn năng lượng cao lý thuyết tại Đại học Columbia, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Space.com. "Ví dụ, chúng bao gồm thori và urani, và được tạo ra bởi quá trình r."
Quá trình r, viết tắt của "quá trình bắt giữ neutron nhanh", là một loạt các phản ứng hạt nhân xảy ra trong môi trường thiên văn khắc nghiệt, như trong quá trình hợp nhất sao neutron hoặc một số loại siêu tân tinh, trong đó hạt nhân nguyên tử hấp thụ nhanh chóng neutron trước khi chúng có cơ hội phân rã, trở thành các nguyên tố nặng hơn.
"Đây là cách tổng hợp khoảng một nửa số nguyên tố nặng hơn sắt trong vũ trụ của chúng ta", Patel giải thích. "Quá trình r đòi hỏi môi trường thiên văn vật lý khắc nghiệt hơn so với các phản ứng hợp hạch thông thường diễn ra trong lõi của các ngôi sao lớn. Tuy nhiên, hiểu biết đầy đủ về nguồn gốc thiên văn vật lý của quá trình r vẫn còn là điều khó nắm bắt trong nhiều thập kỷ."
Quan sát trực tiếp quá trình r đang diễn ra là rất hiếm. Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã xác định được hai địa điểm vũ trụ có khả năng xảy ra quá trình này. Một là sự hợp nhất của các sao neutron, và gần đây hơn, Patel và các đồng nghiệp đã báo cáo bằng chứng rằng quá trình này cũng có thể xảy ra bên trong các sao neutron có từ tính cực mạnh được gọi là sao từ.
Mặc dù những khám phá này là những bước đi đúng hướng, nhưng chúng vẫn chưa giải thích được cách thức hình thành của hầu hết các nguyên tố nặng trong vũ trụ. Chỉ riêng các địa điểm r-process đã biết không thể giải thích đầy đủ về sự phong phú đã quan sát được của các nguyên tố nặng như urani, thori và vàng. Điều này là do chúng quá hiếm hoặc không thường xuyên để tạo ra số lượng lớn các nguyên tố nặng mà chúng ta quan sát thấy ngày nay, cho thấy rằng các nguồn khác, chưa được phát hiện, phải có sự đóng góp.
Các quan sát về J0804+5740, ngôi sao tăng cường actinide đầu tiên được xác định trong cụm Gaia Sausage, cung cấp một mảnh ghép mới thú vị của câu đố. "Nghiên cứu báo cáo một bộ dữ liệu hóa học toàn diện, xác định một ngôi sao mới giàu r-process", Patel cho biết. "Điều này, cùng với các dữ liệu và mô hình lý thuyết khác, sẽ đóng vai trò trong việc [xác định] nguồn gốc của các nguyên tố r-process trong vũ trụ".
Để xác định những nguyên tố nào có trong một ngôi sao và khám phá các quá trình tạo ra chúng, các nhà thiên văn học sử dụng một kỹ thuật được gọi là quang phổ nguyên tử.
"Ý tưởng là electron chiếm các mức năng lượng khác nhau trong các nguyên tử", Patel cho biết. "Khoảng cách giữa các mức năng lượng này có thể khác nhau bên trong các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau. Nếu một nguyên tử nằm trong bầu khí quyển của một ngôi sao, nó có thể hấp thụ ánh sáng từ ngôi sao và các electron của nó có thể chuyển đổi giữa các mức năng lượng bên trong. Các nguyên tố khác nhau có cấu trúc nguyên tử khác nhau, vì vậy chúng sẽ hấp thụ các tần số ánh sáng khác nhau trong quá trình chuyển đổi này".
Sử dụng các thiết bị chuyên dụng, các nhà khoa học quan sát thấy ít ánh sáng hơn ở các màu cụ thể mà các nguyên tố hấp thụ do mức năng lượng bên trong của chúng. Điều này giúp họ đo được lượng các nguyên tố đó có trong bầu khí quyển của ngôi sao.
Nhóm khoa học của nghiên cứu rất phấn khởi khi sau khi tiến hành phân tích nguyên tố, họ phát hiện ra rằng J0804+5740 là một ví dụ hiếm hoi về một ngôi sao tăng cường actinide có độ kim loại tương đối cao — tổng lượng các nguyên tố nặng hơn heli trong một ngôi sao.
Các ngôi sao tăng cường actinide thường chỉ cho thấy số lượng actinide cao bất thường, như thori và urani, so với các nguyên tố nặng khác được tạo ra bởi quá trình r, nhưng sự tăng cường này thường xuất hiện ở những ngôi sao nghèo kim loại hoặc có độ kim loại thấp.
Điều này khiến J0804+5740 trở nên hơi kỳ lạ. "Giống như hầu hết các ngôi sao được tăng cường quá trình r, mô hình phong phú của hầu hết các nguyên tố bắt neutron nặng trong J0804+5740 phù hợp với quá trình r của Mặt Trời, cho thấy quá trình r chính đã tạo ra các nguyên tố này trong vũ trụ sơ khai", nhóm nghiên cứu đã viết trong một bài báo được công bố trên The Astrophysical Journal Letters. "Tuy nhiên, một số nguyên tố biểu hiện độ lệch so với mô hình phong phú quá trình r-process điển hình của Mặt Trời."
Nó tuân theo mô hình dự kiến đối với các nguyên tố rất nặng, nhưng nó cũng cho thấy sự phong phú bất ngờ của các nguyên tố quá trình r-process nhẹ hơn, như bari, lanthanum và xeri. "[Sự phong phú của chúng] trong ngôi sao J0804+5740 lớn hơn một vài lần so với trong hệ Mặt Trời của chúng ta," Patel cho biết. "Điều này ngụ ý rằng tồn tại nhiều loại vị trí quá trình r-process — cụ thể là một loại có thể tạo ra sự phong phú tương đối cao của các nguyên tố quá trình r-process nhẹ này."
Để hiểu rõ hơn về nguồn gốc của ngôi sao kỳ lạ này, nhóm nghiên cứu đã phân tích chuyển động của J0804+5740 và các ngôi sao tương tự. Họ phát hiện ra rằng các ngôi sao tăng cường actinide có khả năng đến từ bên ngoài Ngân Hà gấp đôi, cho thấy chúng được sinh ra trong các thiên hà nhỏ hơn sau đó bị kéo vào thiên hà của chúng ta. Điều này chỉ ra một manh mối quan trọng: Hiện tượng tăng cường actinide có thể phổ biến hơn ở các thiên hà nhỏ hơn, già hơn.
Các mô hình lý thuyết chỉ ra rằng một nguồn có thể là một vụ nổ hiếm và mạnh được gọi là siêu tân tinh do từ trường quay. Những sự kiện cực đoan này có thể tạo ra loại môi trường giàu neutron cần thiết để tạo ra actinide, đặc biệt là ở các thiên hà như Gaia Sausage.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Những vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ có thể tiết lộ vàng đến từ đâu
—Một tiểu hành tinh gần đó có thể chứa các nguyên tố 'ngoài bảng tuần hoàn', theo một nghiên cứu mới
—Vàng của vũ trụ đến từ đâu? Các đợt bùng phát khổng lồ từ các ngôi sao cực từ cung cấp một manh mối
"Các mô hình lý thuyết rất hứa hẹn, nhưng chúng không phải là không có sự không chắc chắn", Patel cho biết. "Cần có nhiều ràng buộc quan sát hơn để đánh giá mức độ các mô hình này tái tạo những gì thực sự xảy ra trong tự nhiên".
Bất kể thế nào, những độ lệch nguyên tố này trong J0804+5740 cho thấy nguồn gốc tổng hợp hạt nhân phức tạp hơn — có thể liên quan đến nhiều loại sự kiện r-process hoặc sự đóng góp từ các quá trình khác ngoài r-process chính.
"Điều này có nghĩa là chúng ta vẫn chưa có bức tranh hoàn chỉnh", Patel cho biết. "Các quan sát trong tương lai […] sẽ tiết lộ nhiều hơn về bản chất của các vị trí r-process trong vũ trụ", Patel cho biết. "Cùng với các mô hình lý thuyết mới và tiên tiến, điều này sẽ rất cần thiết để giải quyết bí ẩn r-process và hoàn thiện sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc của các nguyên tố".
