Siêu tân tinh không sinh ra nguyên tố lớn nhất

Tuy là những ngôi sao sáng nhưng các siêu tân tinh (supernova) không thể tạo ra các nguyên tố nặng nhất.

Kết luận trên được các nhà khoa học đưa ra trong một nghiên cứu mới đây qua việc phân tích mô hình của những “cơn gió hạt” phát ra từ lõi của siêu tân tinh.

Công trình nghiên cứu của các nhà thiên văn học thuộc Viện Vật lý thiên văn Max Planck ở Garching (Đức) đã đưa ra một quan điểm mới mẻ về các siêu tân tinh, góp phần giải thích những bí ẩn về sự hình thành và phát triển của vũ trụ. 

Như chúng ta đã biết, hai yếu tố duy nhất hình thành ngay sau vụ nổ lớn (Big Bang) là hydro và heli. Những nguyên tố nặng nhất phải được tạo thành bằng cách nung chảy các hạt nhân nhỏ hơn với nhau.

Áp suất cao và nhiệt độ bên trong các ngôi sao có thể giúp các hạt vật chất gia tăng kích thước nhưng để tạo nên các nguyên tố có khối lượng lớn hơn sắt (Fe), trong đó hạt nhân của nó chứa 26 proton thì đòi hỏi phải có một số điều kiện quan trọng khác.

Để đáp ứng đầy đủ những điều kiện cần thiết đó thì chỉ có ở các siêu tân tinh. Những ngôi sao đang bốc cháy đã giải phóng các hạt neutrino từ tâm ra bề mặt của chúng với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng, khiến proton và neutron chịu tác động mạnh và giải phóng khỏi hạt nhân nguyên tử.

Tác động này được gọi là “cơn gió hạt” trong đó neutron và proton bị nung chảy và tạo nên hạt nhân từ các nguyên tử nhỏ. Từ đó, proton, neutron và các nguyên tử khác không ngừng tham gia vào quá trình này để hình thành nên những nguyên tử lớn hơn.

Tuy nhiên, các nguyên tử lớn hơn nickel, với 28 proton, sẽ không tiếp nhận thêm proton mới bởi lẽ lúc đó, lực đẩy lẫn nhau của rất nhiều hạt mang điện dương (+) trở nên quá mạnh.

Để tạo nên các nguyên tử, các neutron phải thâm nhập sâu vào hạt nhân và sau đó biến thành một proton bên trong nguyên tử, một quá trình được gọi là “bắt nhanh neutron” hay “chu trình r.”

Đó là giả định mà lâu nay giới khoa học đều thống nhất, rằng tất cả các nguyên tố nặng đều được hình thành theo cách này.

Giờ đây, tiến sĩ Thomas Janka thuộc Viện Vật lý thiên văn Max Planck ở Garching (Đức) và các đồng nghiệp cho rằng cấu tạo của “gió hạt” sẽ tạo nên những nguyên tử lớn nhất.

Nhóm nghiên cứu của Janka sử dụng các dữ liệu mới nhất về những nguồn năng lượng và tương tác giữa các hạt proton, neutron và neutrino để tạo ra một mô hình siêu tân tinh “mini” trên máy tính.

Với mô hình này, khả năng để tạo ra các nguyên tố lớn phụ thuộc vào số lượng các neutron thâm nhập vào hạt nhân, do đó đến lượt mình chúng lại phụ thuộc vào số lượng các neutron không gắn với các hạt proton, hay còn gọi là “neutron tự do.”

Mô hình của Janka cho thấy “gió hạt” chứa nhiều proton hơn neutron. Điều này có nghĩa là không có đủ các neutron tự do để tạo ra các nguyên tố lớn hơn sắt nhiều lần với hạt nhân có tới 50 proton.

Thay vào đó, tiến sĩ Janka cho rằng chỉ khi một vụ nổ “giàu neutron” xảy ra – nghĩa là trong điều kiện các ngôi sao hợp nhất lại với nhau – mới đủ khả năng tạo ra các nguyên tố nặng nhất, bao gồm cả vàng, chì và uranium.

Tuy nhiên, vấn đề vẫn chưa thực sự khép lại ở đó. Nhà nghiên cứu Kosuke Sumiyoshi thuộc Đại học Công nghệ Quốc gia Numazu (Nhật Bản) chỉ ra rằng siêu tân tinh lớn có thể nổ theo nhiều kiểu khác nhau khi lõi của chúng có thành phần khác so với mô hình siêu tân tinh “mini” của Janka. Và vì lẽ đó, chúng sẽ tạo ra các tỷ lệ proton và neutron khác nhau.

Tuy nhiên, về phần mình, Janka và nhóm của ông hy vọng mô hình siêu tân tinh thu nhỏ của ông cũng đúng với trường hợp của một siêu tân tinh lớn hơn./.

Siêu tân tinh, hay siêu sao mới, là các vụ nổ của sao tạo nên những vật thể rất sáng chủ yếu gồm plasma bùng lên trong một thời gian ngắn, cấp sao biểu kiến tăng lên đột ngột hàng tỉ lần, rồi giảm dần trong vài tuần hoặc vài tháng. Tổng năng lượng thoát ra đạt tới 1044J. Cấp sao tuyệt đối có thể đạt đến -20m.

Có hai kiểu nổ. Trong kiểu thứ nhất, các sao khổng lồ cháy hết nhiên liệu nhiệt hạch, mất áp suất ánh sáng, và sụp đổ vào tâm dưới trọng trường của chính nó, cho đến lúc mật độ và áp suất tăng cao gây nên bùng nổ. Trong kiểu thứ hai, các sao lùn trắng hút lấy vật chất từ một sao bay quanh nó, cho đến khi đạt được khối lượng Chandrasekhar và bùng nổ nhiệt hạch. Trong cả hai kiểu này, một lượng lớn vật chất của sao bị đẩy bật ra không gian xung quanh.