Khí và bụi tồn tại phổ biến trong môi trường liên sao, đồng thời là thành phần chính trong các đám mây lạnh trong không gian và lớp vỏ của những ngôi sao già. Hành trình của chúng giữ vai trò then chốt trong vòng đời sao, từ khi ra đời đến lúc vật chất được hoàn trả trở lại không gian. Việc nghiên cứu đặc tính của khí và bụi giúp làm sáng tỏ các cơ chế vật lý chi phối quá trình hình thành, tiến hóa và kết thúc vòng đời của sao. Nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học đã góp phần làm rõ hơn những mắt xích quan trọng trong các quá trình đó.

Từ “vườn ươm sao” đến giai đoạn cuối đời của các ngôi sao

Ở giai đoạn đầu, sao hình thành trong những đám mây khí và bụi khổng lồ trong không gian (gọi là đám mây khí phân tử), nơi vật chất đủ dày và đủ lạnh để bắt đầu quá trình hình thành sao. Những khu vực như đám mây W51 (vùng hình thành sao nặng thuộc cánh tay Nhân Mã, một trong những cánh tay xoắn ốc của Dải Ngân Hà) hay đám mây Orion (vùng hình thành sao nặng gần Trái Đất nhất ở phía chòm sao Tráng Sĩ) là những “vườn ươm sao” điển hình.

Các đám mây co lại dưới tác động của lực hấp dẫn. Càng co lại, nhiệt độ của chúng càng tăng, tới khi các phản ứng hạt nhân có thể xảy ra (ở khoảng 10 triệu độ), một ngôi sao mới được hình thành. Tuy nhiên, quá trình này không chỉ đơn giản là “co lại rồi thành sao”. Các tác động của từ trường và sự chuyển động nhiễu loạn cũng có ảnh hưởng không nhỏ. Cùng với kích thước, mật độ của đám mây, chúng quyết định tốc độ hình thành nên những ngôi sao mới cũng như khối lượng và số lượng của chúng.

Sau hàng tỉ năm tồn tại, các ngôi sao dần cạn kiệt nhiên liệu, chúng chết đi và nguội dần. Các ngôi sao có khối lượng như Mặt Trời sẽ tiến hóa thành sao khổng lồ đỏ, sau đó tạo thành tinh vân hành tinh, rồi cuối cùng thành các sao lùn trắng. Ở giai đoạn khổng lồ đỏ, đặc biệt là giai đoạn tiệm cận khổng lồ đỏ (AGB), lớp vỏ sao giãn nở mạnh và ngôi sao “thổi” một lượng lớn vật chất ra không gian dưới dạng “gió sao”. RS Cancri (thuộc chòm Cự Giải) và chi Cygni (thuộc chòm Thiên Nga) là những sao đang ở giai đoạn này.

Vật chất được đẩy ra gồm khí và bụi, mang theo nhiều nguyên tố nặng mới được tổng hợp, chính là nguyên liệu để hình thành các thế hệ sao và hành tinh mới. Nói cách khác, vật chất trong vũ trụ luôn tuần hoàn: khí và bụi từ đám mây tạo thành sao, rồi từ các ngôi sao già, chúng lại được trả về môi trường liên sao. Tuy nhiên, cách khí và bụi vận động, tương tác với từ trường hay bị “thổi” ra khỏi sao vẫn còn nhiều điểm chưa được hiểu rõ, đặc biệt ở những vùng rất gần tâm sao hoặc trong các đám mây dày đặc, nơi việc quan sát còn nhiều hạn chế.

Từ thực tế đó, TS. Đỗ Thị Hoài và nhóm nghiên cứu vật lý thiên văn tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tính chất vật lý của khí và bụi quanh sao và khu vực hình thành sao” (mã số: THTETN.03/24-25). Nghiên cứu tập trung vào hai vấn đề chính là quá trình hình thành sao và quá trình mất vật chất của sao già thông qua việc nghiên cứu tính chất phát xạ và phân cực của khí và bụi ở những khu vực xảy ra các quá trình này.

TS. Đỗ Thị Hoài (thứ tư từ trái sang, hàng đầu) và nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam

Những phát hiện mới về khí, bụi và từ trường trong vòng đời sao

Chia sẻ về mục đích nghiên cứu, TS. Đỗ Thị Hoài cho biết: “Chúng tôi mong muốn hiểu rõ hơn cách khí và bụi vận động trong những giai đoạn quan trọng nhất của một ngôi sao khi sinh ra và thời điểm bắt đầu mất vật chất. Đây là những yếu tố quan trọng để tìm hiểu cơ chế hình thành sao và cơ chế sinh ra gió sao”.

Để làm được điều đó, nhóm đã tập trung phân tích các “dấu vết” của khí và bụi trong cả hai giai đoạn quan trọng của vòng đời sao. Việc quan sát được thực hiện bằng các thiết bị hiện đại như hệ giao thoa NOEMA (quan sát ở bước sóng vô tuyến) và các kính thiên văn như SOFIA, JCMT (quan sát ở vùng hồng ngoại và vô tuyến). Nhờ độ phân giải và độ nhạy cao của thiết bị, nhóm nghiên cứu có thể “nhìn sâu” vào những khu vực vốn rất khó tiếp cận như vùng gần tâm sao và nghiên cứu được các tính chất và phân bố của nhiệt độ, mật độ, vận tốc, từ trường của các khu vực được quan sát.

Tỉ lệ cường độ sáng (trái) và phổ vận tốc (phải) cho thấy tín hiệu từ phân tử H12CN (hydrogen cyanide – một phân tử khí trong không gian) quanh ngôi sao già chi Cygni tăng bất thường so với các tín hiệu khác

Với các ngôi sao già ở giai đoạn cuối đời, tiêu biểu như chi Cygni, nghiên cứu ghi nhận hiện tượng đáng chú ý về tín hiệu từ phân tử H12CN tăng mạnh bất thường. Đây là một phân tử khí được hình thành trên “bề mặt sốc” các vùng khí va chạm mạnh và bị nén đột ngột gần quang quyển của sao hay lớp khí sát bề mặt sao, nơi ánh sáng bắt đầu thoát ra không gian. Phân tử H12CN giúp các nhà khoa học theo dõi sự chuyển động của vật chất rất gần bề mặt sao. Quan sát cho thấy tín hiệu của nó tăng đột ngột vào năm 2023 ở khu vực gần tâm sao, sau đó lan rộng dần ra các vùng xung quanh trong giai đoạn 2023 - 2024.

Đáng chú ý, hiện tượng này không giống với cơ chế phát xạ maser (một dạng tín hiệu vi sóng trong không gian được khuếch đại tự nhiên bởi các phân tử khí, tương tự nguyên lý laser) và cũng không thể giải thích đơn giản bằng việc lượng carbon tăng đột biến do vật chất bị đẩy ra từ ngôi sao. Vì vậy, các nhà khoa học cho rằng hiện tượng này vẫn chưa có lời giải thích đầy đủ theo các cơ chế đã biết và có thể cần một cơ chế vật lý mới, có liên quan đến quá trình hình thành “gió sao”, để làm rõ bản chất của nó.

Qua quan sát phát xạ của phân tử CO ở bán kính xa hơn, nhóm nghiên cứu nhận thấy vật chất không thoát ra khỏi ngôi sao một cách đồng đều mà theo từng “cụm” riêng biệt. Kết quả này ủng hộ mô hình nghiên cứu gần đây cho rằng các “vùng sốc” sinh ra nhờ tương tác giữa các dao động trên bề mặt sao với các cụm đối lưu bên trong sao, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra “gió sao”. 

Quan sát các phát xạ phân cực từ các đám mây lớn như W51 và Orion, các nhà nghiên cứu đã xác định được cả hướng và độ lớn của từ trường trong các khu vực này. 

Hình ảnh đám mây W51, tổng hợp từ dữ liệu tia X của kính Chandra và ảnh hồng ngoại của kính không gian Spitzer

Cụ thể, trên đám mây W51, từ trường được đo có độ mạnh trong khoảng 0,2 - 1,2 miliGauss. Kết quả phân tích cho thấy lực hấp dẫn chiếm ưu thế hơn so với từ trường trong phần lớn khu vực (tỉ lệ lớn hơn 1). Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn đóng vai trò chi phối quá trình co lại và hình thành sao tại đây. Nhờ đó, W51 trở thành một vùng có tốc độ tạo sao cao và nhiều ngôi sao có khối lượng lớn được hình thành.

T.S Đỗ Thị Hoài nhấn mạnh: Có thể nói, khí và bụi là những “nguyên liệu” cơ bản hình thành nên các ngôi sao. Biết được tính chất và hoạt động của chúng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nguồn gốc và sự tiến hóa của các ngôi sao. Trong từ trường của các đám mây khí, các hạt bụi không đứng yên mà bị bức xạ từ các ngôi sao làm cho quay. Do các hạt bụi có hình dạng không đối xứng, sự quay này khiến chúng dần sắp xếp theo hướng của từ trường, làm cho ánh sáng đi qua hoặc phát ra từ chúng bị phân cực (tức là có “hướng dao động” nhất định).

Tại đám mây Orion, nghiên cứu của nhóm cho thấy mức độ phân cực của bụi thay đổi theo từng vùng. Ở những khu vực lạnh và đặc, ánh sáng yếu nên các hạt bụi khó sắp xếp theo từ trường, dẫn đến phân cực thấp (theo cơ chế định hướng bởi bức xạ RAT-A). Ngược lại, ở những vùng nóng hơn, nếu chỉ theo cơ chế này thì phân cực phải cao. Tuy nhiên, do bức xạ quá mạnh, các hạt bụi lại bị phá vỡ thành những hạt nhỏ hơn (cơ chế RAT-D), khiến khả năng định hướng theo từ trường giảm đi và độ phân cực cũng yếu hơn dự đoán. Vì vậy, để giải thích đầy đủ các quan sát ở Orion, cần kết hợp nhiều cơ chế khác nhau như định hướng bởi bức xạ, phá vỡ hạt bụi và cả ảnh hưởng của sự nhiễu loạn trong từ trường.

Hội đồng nghiệm thu cấp Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đánh giá cao giá trị khoa học và tính mới của đề tài. Kết quả đã cung cấp các bằng chứng quan sát quan trọng, làm rõ quá trình mất vật chất ở các sao già và sự vận động không đồng đều của lớp vỏ sao. Ở các khu vực hình thành sao như W51, Orion, nghiên cứu cho thấy lực hấp dẫn giữ vai trò chi phối quá trình hình thành sao so với từ trường và làm sáng tỏ các cơ chế vật lý ảnh hưởng đến tính chất của bụi. Nghiên cứu có độ tin cậy cao, thể hiện được năng lực nghiên cứu và công bố quốc tế của nhóm thực hiện.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí uy tín hàng đầu trong lĩnh vực thiên văn học như Astronomy and Astrophysics (A&A) và The Astrophysical Journal (ApJ), khẳng định chất lượng và giá trị khoa học của đề tài. Đây là cơ sở quan trọng để tiếp tục mở rộng nghiên cứu vào các vùng gần tâm sao và các đám mây khí dày đặc những khu vực còn nhiều hạn chế quan sát nhưng giữ vai trò then chốt trong việc làm rõ cách vật chất vận động và biến đổi quanh các ngôi sao.