Ngôi sao lùn nâu già nhất và lạnh nhất trong thiên hà

Mặt trời là một thành viên bình thường trong đĩa của thiên hà Milky Way. Nhìn từ hành tinh của chúng ta, đĩa thiên hà vẽ lên bầu trời bóng dáng lấp lánh của Milky Way – chính là vành đai ánh sáng mỏng manh bao bọc cả bầu trời. Milky Way có thể được quan sát rõ hơn vào đêm mùa hè và mùa đông không trăng từ những nơi tối.

Quầng sáng của thiên hà của chúng ta có chứa những vì sao già nhất trong hệ. Những ngôi sao này có đặc điểm là có ít kim loại hơn đáng kể so với mặt trời (theo cách nói của các nhà thiên văn học, kim loại là các nguyên tố nặng hơn hydro và heli); do đó chúng cũng có ít kim loại hơn so với hầu hết các ngôi sao nằm trong đĩa thiên hà. Những ngôi sao trong quầng sáng này chính là thế hệ sao thứ hai hình thành trong vũ trụ của chúng ta, do đó chúng là những chứng nhân thời gian từ trên 10 tỷ năm trước, rất lâu trước khi hệ mặt trời của chúng ta hình thành. Mặc dù hành tinh của chúng ta nằm trong đĩa thiên hà, các ngôi sao nằm trong quầng sáng (thường có vận tốc lớn) nằm ngang đĩa, trong đó có một số lượng sao nhất định có thể được tìm thấy ở lãnh địa hàng xóm ngay sát chúng ta.

Hầu hết các ngôi sao nằm trong quầng sáng trước đây được biết đến là thành viên của các khối sao được gọi là cụm hình cầu. Tuy nhiên gần đây các khảo sát quy mô lớn đã cải thiện hiểu biết của chúng ta về những ngôi sao già nằm bên ngoài các cụm đó. Các ngôi sao nằm trong quầng sáng có khối lượng lớn gấp 10 lần hoặc chỉ bằng vài phần mười trong lượng của mặt trời của chúng ta, điều này cho thấy sản phẩm của quá trình hình thành sao từ 10 tỷ năm trước về thực chất không khác so với sản phẩm của quá trình hình thành sao đang diễn ra trong thiên hà. Thế còn những ngôi sao lạnh nhất và nhẹ nhất thì sao? Đó chính là những ngôi sao nằm ở ranh giới phân loại thành sao lùn nâu. Liệu có phải vũ trụ đã sinh thành những ngôi sao lùn nâu, hay sao “thất bại”, từ các đây 10 tỷ năm khi nó mới chỉ có tuổi đời bằng một phần năm bây giờ?

Ngôi sao lùn nâu già nhất được biết tới trong thiên hà (được đánh dấu bằng mũi tên) hiện hình trong bức ảnh hồng ngoại chụp bằng máy ảnh Omega 2000 gắn trên kính viễn vọng Calar Alto đường kính 3,5 m (Ảnh: Image courtesy of Calar Alto Observatory-CAHA)

Không dễ dàng phát hiện những ngôi sao có khối lượng nhỏ hay những ngôi sao lùn nâu ngay từ lần đầu tiên bởi chúng cực kỳ mờ dưới các bước sóng quang học. Chỉ có thể quan sát chúng được bằng ánh sáng hồng ngoại. Ngày nay chúng ta biết rằng hàng trăm các ngôi sao lùn nâu trẻ sống trong đĩa thiên hà, tất cả chúng đều được phát hiện vào thập kỷ trước. Nhưng chỉ có một số “ứng viên” thuộc quần thể già nhất trong quầng sáng. Bằng cách nào để khẳng định liệu những ứng viên này có thực sự là các vật thể cận sao trong quầng sáng hay không?

Elena Schilbach và Siegfried Roeser thuộc Trung tâm thiên văn học, Đại học Heidelberg cùng với Ralf-Dieter Scholz thuộc Viện vật lý học thiên thể Potsdam đã quan sát các ứng viên nói trên bằng máy ảnh hồng ngoại Omega 2000 gắn trên kính viễn vọng đường kính 3,5m của Đài quan sát Calar Alto, Tây Ban Nha. Mục tiêu quan sát là nhằm xác định khoảng cách chính xác của những ngôi sao này tính từ mặt trời của chúng ta. Khoảng cách chính xác có vai trò thiết yếu trong việc xác định năng lượng đầu ra tuyệt đối của sao.

Để có thể xác định được khoảng cách, các ứng viên phải được quan sát thường xuyên trong vòng vài năm. Phương pháp này được gọi là đo lường thị sai lượng giác học. Trái Đất của chúng ta chuyển động xung quanh mặt trời. Điều này gây ra biến đổi nhỏ trong góc nhìn mà từ đó chúng ta quan sát bầu trời từ hành tinh của mình. Chính vì lý do này, tất cả các ngôi sao dường như đi theo một con đường hình elip trên bầu trời mỗi năm tương tự với các thiên hà nằm ở rất xa trong vũ trụ.

Điều tưởng như đơn giản lại mang tính thử thách khá cao trong thực tế. Ngôi sao nằm càng xa thì hình elip càng nhỏ. Ngay cả ngôi sao gần nhất chuyển động theo hình elip với trục lớn dài chưa đầy một arc-second, tương đương với 1/1800 đường kính của mặt trăng ngày rằm. Để có thể biết được bản chất của các ứng viên, Elena Schilbach cùng các cộng sự phải đo đạc với độ chính xác khoảng 1000 lần hoặc hơn thế – độ chính xác này tương đương với kính cỡ của một người đàn ông nhìn từ trái đất.

Với sự hỗ trợ của nhóm quan sát đài Calar Alto, mỗi mục tiêu được quan sát trung bình 20 lần trong suốt trên 3 năm rưỡi. Dữ liệu thu nhỏ phức tạp cuối cùng đã mang lại những kết quả rõ ràng. Theo các tác giả, “dựa trên thị sai lượng giác và độ sáng tuyệt đối của các ngôi sao, cả ngôi sao nghèo kim loại và những ngôi sao khối lượng nhỏ đều quan sát được”. 6 trong số 10 mục tiêu có đặc tính ít kim loại, chúng chỉ chứa 1/30 lượng kim loại so với mặt trời của chúng ta, 4 ngôi sao còn lại có tỷ lệ khoảng 1/3. Các nhà thiên văn học cũng đã quan sát được năng lượng đầu ra tuyệt đối cùng với màu sắc của các mục tiêu nhất quán với các dự đoán giả thuyết cho các vật thể nghèo kim loại. Bên cạnh đó, một mục tiêu trong số các ứng viên nghèo kim loại nhất, vật thể 2MASS 1626+3925 cũng có độ sáng quá thấp nên nó buộc phải trở thành sao lùn nâu – đồng thời cũng là ngôi sao lùn nâu già nhất được phát hiện trong thiên hà của chúng ta cho đến thời điểm này.