Khoảng năm mươi năm trước, các nhà thiên văn học dự đoán số phận cuối cùng của Mặt trời của chúng ta sẽ là gì. Theo lý thuyết, Mặt trời sẽ cạn kiệt nhiên liệu hydro hàng tỷ năm kể từ bây giờ và mở rộng để trở thành Người khổng lồ đỏ, sau đó nó phá vỡ lớp ngoài của nó và trở thành một sao lùn trắng. Sau vài tỷ năm làm mát, nội thất sẽ kết tinh và trở nên rắn chắc.
Cho đến gần đây, các nhà thiên văn học có rất ít bằng chứng để sao lưu lý thuyết này. Nhưng cảm ơn ESA Đài thiên văn Gaia, các nhà thiên văn học hiện có thể quan sát hàng trăm ngàn ngôi sao lùn trắng với độ chính xác to lớn - đo khoảng cách, độ sáng và màu sắc của chúng. Chính điều này đã cho phép họ nghiên cứu những gì tương lai nắm giữ cho Mặt trời của chúng ta khi nó không còn là ngôi sao màu vàng ấm áp mà chúng ta biết và yêu thích ngày nay.
Nghiên cứu mô tả những phát hiện này gần đây đã xuất hiện trên tạp chí Thiên nhiên dưới tiêu đề Kết tinh lõi Core và chồng chất trong chuỗi làm mát của các sao lùn trắng đang phát triển. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Pier-Emmanuel Tremblay, một giáo sư trợ lý tại Đại học Warwick, và bao gồm nhiều nhà nghiên cứu từ nhóm Thiên văn học và Vật lý thiên văn, Đại học Montréal và Đại học Bắc Carolina.
Khi nói đến sự tiến hóa của sao, nhiều thập kỷ quan sát kết hợp với các mô hình lý thuyết đã cho phép các nhà thiên văn học kết luận điều gì sẽ xảy ra với một ngôi sao dựa trên sự phân loại của nó. Trong khi các ngôi sao lớn hơn (như siêu sao xanh) cuối cùng trở thành siêu tân tinh và trở thành sao neutron hoặc lỗ đen, những ngôi sao nhỏ hơn như Mặt trời của chúng ta sẽ biến các lớp bên ngoài của chúng thành tinh vân hành tinh và cuối cùng kết thúc vòng đời của chúng là một sao lùn trắng.
Những ngôi sao cực kỳ dày đặc này tiếp tục phát ra bức xạ khi chúng nguội đi, một quá trình kéo dài hàng tỷ năm. Cuối cùng, nội thất của chúng sẽ đủ mát - khoảng 10 triệu ° C (50 triệu ° F) - rằng áp suất cực lớn tác động lên lõi của chúng sẽ khiến vật liệu ở đó kết tinh và biến thành rắn. Người ta ước tính rằng đây sẽ là số phận của 97% số sao trong Dải Ngân hà, phần còn lại sẽ trở thành sao neutron hoặc lỗ đen.
Vì sao lùn trắng là một trong những ngôi sao lâu đời nhất trong Vũ trụ, chúng cực kỳ hữu ích cho các nhà thiên văn học. Vì vòng đời của chúng là có thể dự đoán được, chúng được sử dụng làm đồng hồ vũ trụ của Hồi giáo để ước tính tuổi của các nhóm sao lân cận với độ chính xác cao. Nhưng việc xác định những gì xảy ra với các sao lùn trắng vào cuối vòng đời của họ là một thách thức.
Trước đây, các nhà thiên văn học bị hạn chế khi nói đến số lượng sao lùn trắng mà họ có thể nghiên cứu. Tất cả đã thay đổi với việc triển khai Gaia, một đài quan sát không gian đã dành vài năm qua để đo chính xác vị trí, khoảng cách và chuyển động của các ngôi sao nhằm tạo ra danh mục không gian 3D chi tiết nhất từng được thực hiện.
Như Pier-Emmanuel Tremblay, một Fellow Grant Fellow, được chỉ định trong một thông cáo báo chí ESA gần đây:
Trước đây, chúng tôi có khoảng cách chỉ vài trăm sao lùn trắng và nhiều người trong số họ ở trong các cụm, nơi tất cả họ đều có cùng tuổi. Với Gaia giờ đây chúng ta có khoảng cách, độ sáng và màu sắc của hàng trăm ngàn sao lùn trắng cho một mẫu có kích thước lớn ở đĩa ngoài của Dải Ngân hà, trải rộng một loạt các khối lượng ban đầu và đủ mọi lứa tuổi.
Trong nghiên cứu của họ, các nhà thiên văn học đã sử dụng dữ liệu Gaia để phân tích hơn 15 000 ứng cử viên còn sót lại trong vòng 300 năm ánh sáng của Trái đất. Từ mẫu này, họ có thể xác định được sự dư thừa về số lượng sao (hay còn gọi là chồng chất) có màu sắc và độ chói cụ thể không tương ứng với bất kỳ khối lượng hoặc tuổi nào.
Sự chồng chất này, từng được so sánh với các mô hình tiến hóa của các ngôi sao, dường như trùng với giai đoạn phát triển nơi các ngôi sao mất nhiệt với số lượng lớn. Quá trình này làm chậm quá trình làm mát tự nhiên và khiến các ngôi sao chết ngừng mờ đi, khiến chúng trông trẻ hơn tới 2 tỷ năm so với thực tế.
Đây là bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho thấy các sao lùn trắng kết tinh, hoặc chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn, đã giải thích về Shimblay trong một tuyên bố báo chí của Warwick. Đã được dự đoán từ năm mươi năm trước rằng chúng ta nên quan sát sự chồng chất về số lượng sao lùn trắng ở độ sáng và màu sắc nhất định do sự kết tinh và chỉ bây giờ điều này mới được quan sát.
Mô hình này, nơi độ sáng không liên quan đến tuổi tác, là một trong những dự đoán chính được đưa ra về sự kết tinh của sao lùn trắng cách đây 50 năm. Bây giờ các nhà thiên văn học có bằng chứng trực tiếp về quá trình này tại nơi làm việc, nó có khả năng ảnh hưởng đến sự hiểu biết của chúng ta về những nhóm sao lùn trắng nên được đưa vào.
Theo truyền thống, các sao lùn trắng được sử dụng để xác định niên đại của các quần thể sao như cụm sao, đĩa bên ngoài và quầng sáng trong Dải Ngân hà của chúng ta, theo ông Shimblay. Bây giờ chúng ta sẽ phải phát triển các mô hình kết tinh tốt hơn để có được ước tính chính xác hơn về độ tuổi của các hệ thống này.
Ví dụ, trong khi tất cả các sao lùn trắng sẽ kết tinh tại một số điểm trong quá trình tiến hóa của chúng, thời gian cần thay đổi dựa trên ngôi sao. Các sao lùn trắng khổng lồ hơn hạ nhiệt nhanh hơn và đạt đến nhiệt độ mà quá trình kết tinh xảy ra sớm hơn (trong khoảng một tỷ năm). Các sao lùn trắng nhỏ hơn, đó là những gì Mặt trời của chúng ta sẽ trở thành, có thể cần đến sáu tỷ năm để thực hiện quá trình chuyển đổi tương tự.
Điều này có nghĩa là hàng tỷ sao lùn trắng trong thiên hà của chúng ta đã hoàn thành quá trình và về cơ bản là những quả cầu pha lê trên bầu trời. Trong khi đó, Mặt trời của chúng ta có thể được dự kiến sẽ trải qua quá trình chuyển đổi này trong khoảng mười tỷ năm nữa. Vào thời điểm đó, Mặt trời của chúng ta sẽ thoát khỏi giai đoạn Cành khổng lồ đỏ, trở thành sao lùn trắng và bắt đầu quá trình kết tinh.
Đây chỉ là tiết lộ mới nhất đến từ Gaia sứ mệnh, đã dành năm năm qua để lập danh mục các thiên thể trong Dải Ngân hà và các thiên hà lân cận. Trước khi nhiệm vụ kết thúc (dự kiến sẽ xảy ra vào năm 2022), hai bản phát hành dữ liệu nữa được lên lịch, với bản phát hành DR3 dự kiến vào năm 2021 và bản phát hành cuối cùng vẫn được xác định.
* Nghiên cứu được thực hiện nhờ sự tài trợ của Hội đồng nghiên cứu châu Âu (ERC).
