Tín dụng hình ảnh: Hubble
Một bài báo mới được công bố trên tạp chí Nature giúp giải quyết một bí ẩn lâu dài về một số hạt rắn sớm nhất trong Vũ trụ. Bụi nóng đã được tìm thấy trong quá khứ, nhưng bụi lạnh hơn hầu như vô hình - cho đến bây giờ. Dường như siêu tân tinh cực kỳ hiệu quả trong việc tạo ra bụi mà sau này hình thành các hành tinh, đá và con người.
Chúng tôi vừa phát hiện ra rằng một số siêu tân tinh có thói quen xấu - chúng hút ra một lượng khói khổng lồ, được gọi là bụi vũ trụ. Điều này giải quyết một bí ẩn lâu đời về nguồn gốc của bụi vũ trụ và cho thấy siêu tân tinh, là những ngôi sao đang nổ tung, chịu trách nhiệm tạo ra các hạt rắn đầu tiên trong Vũ trụ.
Các nghi phạm chính
Siêu tân tinh là những vụ nổ dữ dội của những ngôi sao xảy ra vào cuối đời. Chúng xảy ra khoảng 50 năm một lần trong Thiên hà của chúng ta và có hai loại chính - Loại Ia và II. Loại II là vụ nổ của những ngôi sao rất lớn với khối lượng lớn hơn 8 lần khối lượng Mặt trời (Msun). Những ngôi sao này sống nhanh - chết trẻ bằng cách sử dụng hết nhiên liệu hydro và heli chỉ trong vài triệu năm, nhanh hơn hàng ngàn lần so với Mặt trời đốt cháy nhiên liệu của nó. Khi nguồn cung cấp nhiên liệu cạn kiệt, ngôi sao phải đốt các phần tử nặng hơn và nặng hơn cho đến khi, cuối cùng, khi nó không thể giữ được phần còn lại của phần bên trong của ngôi sao sụp đổ để tạo thành sao neutron hoặc Hố đen, và các phần bên ngoài bị bong ra trong thảm họa chúng ta gọi là siêu tân tinh. Vụ nổ lớn quét khí xung quanh thành một lớp vỏ tỏa ra các bước sóng tia X, quang và vô tuyến và gửi sóng xung kích qua thiên hà. Siêu tân tinh giải phóng nhiều năng lượng hơn trong một khoảnh khắc so với Mặt trời sẽ tạo ra trong toàn bộ thời gian sống của nó. Nếu ngôi sao lớn gần nhất, Betelgeuse trong chòm sao Orion, sẽ đi siêu tân tinh thì nó (trong một thời gian ngắn) sẽ sáng hơn trăng tròn.
Màn khói khói vũ trụ
Bụi liên sao bao gồm các hạt vật chất rắn nhỏ nổi xung quanh trong không gian giữa các ngôi sao - với kích thước điển hình là khói thuốc lá. Nó không giống như bụi mà chúng ta dọn dẹp trong nhà và trên thực tế Trái đất là một khối bụi vũ trụ khổng lồ! Nó chịu trách nhiệm chặn khoảng một nửa tất cả ánh sáng phát ra từ các ngôi sao và thiên hà và ảnh hưởng sâu sắc đến quan điểm của chúng ta về Vũ trụ. Đám mây 'bụi' này có lớp lót bạc, vì các nhà thiên văn học có thể 'nhìn thấy' bụi phát ra ánh sáng sao bị đánh cắp bằng cách sử dụng các camera đặc biệt được thiết kế để hoạt động ở bước sóng dài hơn, trong Infra-Red (IR: 10 - 100 micron) và Submillimét ( sub-mm: 0,3 - 1mm) một phần của phổ điện từ. Một máy ảnh như vậy được gọi là SCUBA và nó được đặt trên Kính thiên văn James Clerk Maxwell ở Hawaii. SCUBA là một thiết bị do Anh chế tạo, phát hiện sóng ánh sáng ở bước sóng dưới mm và có thể nhìn thấy bụi ngay tại nơi tìm thấy các ngôi sao và thiên hà xa nhất.
Khởi đầu đầy bụi bặm
Các quan sát gần đây với SCUBA đã chỉ ra rằng một lượng bụi khổng lồ tồn tại trong các thiên hà và các quasar khi Vũ trụ chỉ bằng 1/10 so với thời điểm hiện tại của nó, rất lâu trước khi Trái đất và hệ mặt trời hình thành. Sự hiện diện của tất cả bụi này trong Vũ trụ xa có ảnh hưởng lớn đến những gì các nhà thiên văn học có thể nhìn thấy bằng kính viễn vọng quang học khổng lồ của họ, vì nó hạn chế lượng ánh sáng sao có thể thoát ra khỏi một thiên hà xa xôi và được nhìn thấy trên Trái đất.
Việc có rất nhiều hạt rắn trong Vũ trụ trong thời gian đầu như vậy là một bất ngờ lớn đối với các nhà thiên văn học vì họ tin rằng bụi chủ yếu được hình thành trong những cơn gió mát từ những ngôi sao khổng lồ đỏ gần cuối đời. Vì phải mất một thời gian dài để ngôi sao đạt đến giai đoạn này trong quá trình tiến hóa của nó (Mặt trời sẽ mất khoảng 9 tỷ năm), đơn giản là không có đủ thời gian để có quá nhiều bụi được tạo ra theo cách này.
Bụi đã bị cuốn dưới thảm vũ trụ - trong nhiều năm, các nhà thiên văn học đã coi nó như một mối phiền toái vì cách nó che giấu ánh sáng từ các ngôi sao. Nhưng sau đó, chúng tôi thấy rằng có bụi ngay ở rìa của Vũ trụ, trong những ngôi sao và thiên hà sớm nhất, và chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi không biết gì về nguồn gốc cơ bản của nó, giải thích Tiến sĩ Dunne.
Siêu tân tinh cũng tạo ra một lượng lớn các nguyên tố nặng, như carbon và oxy, và ném chúng ra ngoài không gian giữa các vì sao. Đây là những yếu tố tạo nên cơ thể chúng ta và, vì chúng cũng là những yếu tố tạo nên hạt bụi, siêu tân tinh từ lâu đã là một nghi phạm chính trong bí ẩn về nguồn gốc của bụi vũ trụ. Vì chỉ mất vài triệu năm để các ngôi sao lớn nhất có thể đi đến cuối cuộc đời và phát nổ dưới dạng siêu tân tinh, chúng có thể tạo ra bụi đủ nhanh để giải thích những gì nhìn thấy trong Vũ trụ ban đầu. Tuy nhiên, cho đến khi nhóm này hoạt động, chỉ có một lượng bụi nhỏ được tìm thấy trong siêu tân tinh - khiến các nhà thiên văn học phải dùng súng hút nhưng không có ’khói
Haley Morgan, một sinh viên tiến sĩ tại Cardiff cho biết ‘Nếu siêu tân tinh là bụi hiệu quả‘ các nhà máy thì mỗi người sẽ sản xuất nhiều hơn khối lượng Mặt trời trong bụi.
Khi các ngôi sao khổng lồ tiến hóa để trở thành siêu tân tinh trong chớp mắt theo tiêu chuẩn thiên văn, chúng có thể dễ dàng giải thích tại sao Vũ trụ sơ khai xuất hiện rất nhiều bụi bặm. Huyền nói thêm Tiến sĩ Rob Ivison của Đài thiên văn Hoàng gia Edinburgh.
Siêu tân tinh
Nhóm nghiên cứu từ Cardiff và Edinburgh đã sử dụng SCUBA để tìm kiếm khí thải từ bụi trong phần còn lại của một siêu tân tinh gần đây. Cassiopeia A là tàn dư của siêu tân tinh xảy ra khoảng 320 năm trước. Nó nằm trong chòm sao Cassiopeia, cách Trái đất 11.000 năm ánh sáng và có chiều dài khoảng 10 năm ánh sáng. Cas A là nguồn vô tuyến sáng nhất trên bầu trời vì vậy nó được nghiên cứu kỹ ở nhiều bước sóng từ quang đến tia X. Các hình ảnh dưới đây cho thấy Cas A trong các tia X, quang học, hồng ngoại và radio. Các tia X đi theo khí thực sự nóng (10 triệu độ Kelvin) và các vật liệu khác có bước sóng ở: 10 nghìn độ (quang), bụi nóng ở 100 K (IR) và các electron năng lượng cao (radio).
Mặc dù các nhà thiên văn học đã tìm kiếm bụi trong tàn dư siêu tân tinh trong nhiều thập kỷ, họ đã sử dụng các thiết bị chỉ có thể phát hiện ra bụi khá ấm, chẳng hạn như trong ảnh hồng ngoại ISO ở trên. SCUBA có lợi thế ở đây vì nó có thể nhìn thấy bụi rất lạnh và điều này là do nó hoạt động ở bước sóng dưới mm dài hơn.
'Cũng giống như cách bạn chỉ có thể nhìn thấy một cây bài xì phé sắt phát sáng khi ở trong lửa, bạn chỉ có thể nhìn thấy bụi bằng máy ảnh hồng ngoại khi nó ấm hơn khoảng 25 Kelvin, nhưng SCUBA có thể nhìn thấy nó khi trời lạnh hơn' Tiến sĩ Steve Eales, Độc giả về Vật lý thiên văn tại Đại học Cardiff giải thích.
Bằng chứng cứng lạnh
SCUBA đã tìm thấy một lượng lớn bụi trong tàn dư Cas A, gấp 1-4 lần so với khối lượng của Mặt trời! Con số này gấp hơn 1.000 lần so với trước đây. Điều này có nghĩa là Cas A rất hiệu quả trong việc tạo bụi từ các yếu tố có sẵn. Nhiệt độ của bụi rất thấp, chỉ 18 Kelvin (-257 độ C), và đây là lý do mà nó chưa từng thấy trước đây. Dưới đây là hai hình ảnh phụ của Cas A ở mức 850 và 450 micron được chụp bằng SCUBA. Bạn có thể thấy rằng hình ảnh bên trái trông hơi giống với đài phát thanh ở trên, và điều này là do các electron năng lượng cao tạo ra hình ảnh vô tuyến cũng phát ra một phần năng lượng của chúng ở bước sóng ngắn hơn một chút - làm ô nhiễm phát xạ phụ mm ở 850micron. Hình ảnh ở giữa là 450 micron, nơi ô nhiễm thấp hơn nhiều, và vì vậy phần lớn phát thải này là từ bụi lạnh. Nếu chúng ta loại bỏ ô nhiễm, chúng ta sẽ có một bức tranh khác (phải). Tất cả bụi được nhìn thấy ở nửa dưới của tàn dư và hai hình ảnh phụ mm bây giờ trông giống nhau hơn nhiều!
850 micron không bị nhiễm phóng xạ
"Câu đố là làm thế nào bụi có thể vẫn lạnh như vậy khi chúng ta biết rằng có khí ở hơn một triệu độ từ bức xạ tia X mà nó tỏa ra." Giáo sư Mike Edmunds, hiệu trưởng Trường Vật lý & Thiên văn học nhận xét. Cardiff.
Bụi cũng có các tính chất khác với loại bụi ‘hàng ngày ở Dải Ngân hà và các thiên hà khác - tốt hơn là‘ tỏa sáng ở phần dưới mm, có lẽ vì nó vẫn còn rất trẻ và tương đối nguyên sơ. Nếu tất cả các siêu tân tinh đều có hiệu quả trong việc tạo ra bụi thì chúng sẽ là bụi lớn nhất ‘nhà máy ở Galaxy. Siêu tân tinh hút thuốc cung cấp một giải pháp cho bí ẩn về lượng bụi khổng lồ được nhìn thấy trong Vũ trụ sơ khai.
Những quan sát này cho chúng ta một cái nhìn trêu ngươi về cách các hạt rắn đầu tiên trong Vũ trụ được tạo ra, Haley Morgan nói.
Nguồn gốc: Bản tin Đại học Cardiff
