Sao – Cấu tạo và tiến hóa

Sao – Cấu tạo và tiến hóa

Các ngôi sao trên bầu trời xa xôi luôn gây cho con người một sự hấp dẫn khó tả. Có người cho rằng mỗi ngôi sao là tượng trưng cho một số mệnh, cũng có người lại bảo rằng các ngôi sao là các thiên thần nhỏ bé được giao nhiệm vụ thắp sáng màn đêm. Còn tất nhiên, ngày nay khoa học đã có thể mang lại cho chúng ta lời giải chính xác nhất và ngày càng chi tiết hơn.

Dù với ý nghĩa nào thì các ngôi sao hàng đêm vẫn mang lại cho mỗi người những cảm giác dễ chịu khi được ngắm nhìn chúng và một điều còn tuyệt vời hơn mà chúng mang lại cho con người là sự say mê được tìm hiểu, khám phá chúng bởi vì khi tìm hiểu chúng cũng chính là khi chúng ta đang tìm hiểu về thế giới của chúng ta!

Người ta từng có nhiều quan niệm về các ngôi sao… đến bây giờ những quan niệm đó vẫn còn lại trong nhiều người, nó phản ánh quan niệm sống, cách nghĩ của từng giai đoạn, từng tầng lớp người.

Thế nhưng thật sự thì những ngôi sao là gì?

Những ngôi sao, chúng không phải những quả cầu lửa khổng lồ đính trên mặt cầu bao bọc vũ trụ của Ptolemy, cũng không phải những thiên thể cố định trên thiên cầu như Copernicus – cha đẻ của mô hình Nhật Tâm đã đề cập mà mỗi trong số chúng đều là một Mặt Trời như Mặt Trời của chúng ta .

Đúng như thế, Mặt Trời, thiên thể đã mang lại cho chúng ta sự sống cũng là một ngôi sao, như bao nhiêu ngôi sao khác hàng đêm lấp lánh trên đầu chúng ta. Với những thành tựu khoa học tuyệt vời con người đã có trong suốt 2 thế kỉ qua, đến nay chúng ta đã có thể biết rất nhiều về các ngôi sao. Nếu như bạn là một người yêu bầu trời và những vì sao nhấp nhánh thì bạn có thể sẽ quan tâm đến những thông tin dưới đây:

Thế nào là một ngôi sao?

Sao (star) (trước đây còn đôi khi được gọi là hằng tinh) là tất cả các thiên thể có khả năng tự phát ra ánh sáng của mình. Tất cả chúng đều là những khối cầu khí khổng lồ có khối lượng lớn hơn Trái Đất hàng chục đến hàng trăm ngàn lần hay thậm chí là lớn hơn nhiều nữa và chỉ có nhờ một khối lượng lớn như thế mới giúp chúng tự tạo ra ánh sáng của bản thân mình.

Một thiên thể để có thể tự phát ra ánh sáng của mình cần có khối lượng tối thiểu là lớn gấp 70 lần khối lượng của Sao Mộc – hành tinh lớn nhất Hệ Mặt Trời, tức là khoảng 7% khối lượng của Mặt Trời.

Tại sao mà chúng lại có thể là các “ngôi sao”?

Tại sao các thiên thể có khối lượng 8% khối lượng Mặt Trời lại có thể phát ra ánh sáng?

Trái Đất của chúng ta có khối lượng khoảng 6×1024 kg (6 triệu tỷ tỷ tấn) trong khi Mặt Trời nặng hơn Trái Đất 330.000 lần, tức là một sao có khối lượng 7% khối lượng Mặt Trời sẽ nặng hơn Trái Đất khoảng 23.000 lần. Mỗi vật thể đều có lực hấp dẫn hướng tâm hướng vào lòng nó. Ngày thường không ai để ý nhưng bản thân chúng ta, chúng ta cũng luôn chịu hấp dẫn của chính mình vì mỗi phần trong cơ thể đều hấp dẫn lẫn nhau và tổng tất cả chúng tạo thành một lực hấp dẫn hướng vào một khối tâm trong cơ thể chúng ta (trọng tâm của vật thể). Cái bàn, cái ghế, Trái Đất cũng vậy, tất cả đều luôn tự hấp dẫn chính nó bằng một lực gọi là lực hấp dẫn hướng tâm. Nhưng tại sao cái bàn, cái ghế, con người và cả Trái Đất của chúng ta và rất nhiều hành tinh khác nữa không cháy sáng?

Đấy là vì khối lượng của những vật thể chúng ta tiếp xúc hàng ngày không đủ khả năng để xảy ra điều đó bởi lực hấp dẫn là một lực tỷ lệ với khối lượng, hấp dẫn ở các vật thể thường ngày nhỏ tới mức chúng không gây ra bất cứ hiệu ứng đáng kể nào. Với các vật thể rất lớn như các hành tinh, cụ thể mà chúng ta tiếp xúc hàng ngày là Trái Đất, lực hấp dẫn tỏ ra đáng kể bởi nó tạo ra một sức hút rõ ràng kéo mọi vật về phía nó, chẳng hạn khi nhảy lên cao bạn sẽ rơi rất nhanh xuống là vì lực kéo từ Trái Đất. Còn ở các thiên thể có khối lượng lớn như trên đã nói (nặng hơn Trái Đất của chúng ta hàng chục nghìn lần) thì hấp dẫn lớn làm cho áp suất ở tâm thiên thể tăng lên rất cao, áp suất này cung cấp gia tốc rất lớn cho các nguyên tử khí (chủ yếu là hydro). Chúng va đập mạnh với nhau ở vận tốc cao, phá vỡ lớp vỏ điện tử, tách các electron khỏi hạt nhân nguyên tử. Ở lõi của ngôi sao không còn là chất khí thông thường mà là một trạng thái gồm các hạt nhân (cụ thể ở đây là các proton – hạt nhân hydro) và electron chuyển động hỗn độn. Trạng thái này gọi là plasma.

Ở trạng thái plasma, các hạt nhân hydro có cơ hội va chạm trực tiếp với nhau ở vận tốc lớn, chúng gây ra hiện tượng mà chúng ta gọi là phản ứng nhiệt hạch, kết hợp các hạt nhân hydro thành hydro nặng và cuối cùng là hạt nhân heli. Phản ứng này được biết tới trên Trái Đất ở bom khinh khí (H bomb) – loại bom có kharnawng giải phóng ra năng lượng lớn gấp hàng nghìn lần bom nguyên tử (A bomb) có cùng khối lượng.

Cơ chế của phản ứng nhiệt hạch kết hợp từ các proton (hạt nhân hydro) để tạo thành hạt nhân heli

Phản ứng nhiệt hạch ở lõi ngôi sao giải phóng ra năng lượng lớn dưới dạng nhiều bức xạ, mà một phần trong đó là bức xạ ánh sáng nhìn thấy. Bức xạ này được chuyển dịch lên bề mặt ngôi sao và khiến cho ngôi sao phát sáng.

Các ngôi sao có thành phần chính là hydro (trên 70%), còn lại một phần lớn là heli, một phần nhỏ không đáng kể khác là các khí nặng hơn.

Nhiệt độ bề mặt của 1 ngôi sao thường trong khoảng 3000 đến 50000K còn nhiệt độ ở tâm là khoảng vài triệu cho đến vài chục triệu K. Thậm chí có thể lên tới 100 triệu K đối với các sao khổng lồ đỏ và vài tỷ K với các sao siêu khổng lồ đỏ.

Cấu tạo các lớp của một ngôi sao: Để biết về cấu tạo cơ bản của các ngôi sao, chúng ta hãy xem xét cấu tạo của ngôi sao gần chúng ta nhất là Mặt Trời. Vui lòng đọc phần cấu tạo Mặt Trời trong bài viết sau (lưu ý rằng số liệu về kích thước thay đổi đối với các sao có khối lượng và kích thước khác, click để đọc bài): Mặt Trời.

Độc giả cũng có thể theo dõi video dưới đây, một bài giảng ngắn để có cái nhìn trực quan hơn về sự hình thành sao:

Phân loại sao

Theo khối lượng, sao được chia thành hai loại cơ bản là sao lùn (dwarf) và sao khổng lồ (giant).

Ngày nay, cách phân chia hiện đại dựa trên biểu đồ quang phổ trong đó ngôi sao có quang phổ thu được thuộc vị trí nào trên biểu đồ thì sẽ được xác định thuộc nhóm nào với các đặc điểm cụ thể về khối lượng và nhiệt độ.

Biểu đồ quang phổ được sử dụng rộng rãi ngày nay là biểu đồ Hertzsprung-Russell. Biểu đồ này biểu thị độ sáng, kích thước và nhiệt độ của một ngôi sao bất kì khi thu được quang phổ của nó.

Theo nhiệt độ, biểu đồ chia thành 7 cấp với kí hiệu lần lượt là O, B, A, F, G, K, M trong đó sao càng gần phía O thì càng nóng và càng gần phí M thì càng lạnh. Bản thân mỗi cấp này lại có thể được chia thành nhiều cấp nhỏ.

Trong hình trên, chúng ta có thể thấy hầu hết các sao trong vũ trụ tập trung ở dãy chính của biểu đồ (main sequence), dãy này là dãy các sao lùn và cận khổng lồ. Mặt Trời của chúng ta cũng nằm trên dãy này, nò nằm ở vị trí của nhóm G, có kí hiệu quang phổ chi tiết là G2V (sao lùn vàng/Yellow dwarf).

Phía dưới dãy chính là nhóm các sao lùn trắng còn phía trên là các sao khổng lồ (giant), siêu khổng lồ (supergiant) và siêu siêu khổng lồ (hypergiant).

Vài khái niệm khác

Ngoài cách phân chia theo đặc tính cơ bản nêu trên thì chúng ta còn bắt gặp một số loại sao không thuộc cách phân loại sao theo quang phổ hay khối lượng mà được đặt tên theo một vài đặc điểm đặc biệt như:

• – Sao biến quang (variable star): sao có độ sáng không ổn định mà có một chu kì thay đổi độ sáng nào đó có thể do hoạt động thất thường của bản thân ngôi sao hoặc do sự che khuất theo chu kì của một hành tinh hay sao đồng hành.
• – Sao đôi (double star): hai ngôi sao (đôi khi nhiều hơn) đươcj quan sát thấy ở sát nhau trên bầu trời. Trên thực tế chúng có thể là cặp sao đồng hành trong không gian hoặc là hai ngôi sao rất xa nhau nhưng do góc nhìn từ Trái Đất nên có cảm giác chúng ở ngay cạnh nhau.
• – Sao kép (binary star): trường hợp đặc biệt của sao đôi, hai hay nhiều sao là đồng hành của nhau, chuyển động quanh nhau do liên kết hấp dẫn.

Tiến hóa của sao

Tất cả các sao đều hình thành từ các đám bụi và khí lớn gọi là các tinh vân tiền sao (prototype-star nebula hay protostar nebula). Do lực hấp dẫn chúng tập hợp lại với nhau và co dần lại tới khi thành một khối cô đặc.

Như chúng ta đã biết, mọi vật thể mang khối lượng thì đều mang lực hấp dẫn. Bản thân cùng một vật thể cũng có lực hấp dẫn giữa các phần khác nhau trong nó. Tuy vậy lực hấp dẫn giữa các khối lượng nhỏ là không đáng kể và chúng ta thường khó mà nhận ra. Chỉ các lực đáng kể, chẳng hạn như lực hấp dẫn của Trái Đất tác động lên con người và các vật mới đủ để nhận thấy. Ở các ngôi sao (chẳng hạn như Mặt Trời), lực hấp dẫn là rất mạnh (do khối lượng lớn). Khi lực hấp dẫn lớn quá giới hạn chịu lực của các nguyên tử, chúng phá vỡ lớp vỏ nguyên tử và gia tốc cho hạt nhân của chúng. Các hạt nhân hydro (gồm 1 proton) khi va chạm ở vận tốc cao thì kết hợp với nhau thành hydro nặng, rồi tiếp đó là Heli. Phản ứng này giải phóng năng lượng làm ngôi sao cháy sáng. Đây là phản ứng nhiệt hạch (hay còn gọi là sự nổ hạt nhân, phản ứng này được ứng dụng trong bom khinh khí (H bomb), loại vũ khí hủy diệt có sức tàn phá nhất mà loài người đã chế tạo được)
Nhờ năng lượng lớn giải phóng từ sự tổng hợp hạt nhân trong lõi ngôi sao, quá trình co lại do hấp dẫn bị dừng lại do năng lượng giải phóng ra cân bằng được lực hấp dẫn. Ngôi sao cháy sáng như vậy trong vài chục, vài trăm triệu hay hàng tỷ năm.

Các sao có khổi lượng càng nhỏ thì càng có tuổi thọ cao. Ví dụ như Mặt Trời của chúng ta là một sao lùn, có khối lượng trung bình, nó có thể sống được khoảng 10 tỷ năm, trong khi đó các sao lớn hơn nhiều (sao khổng lồ), đôi khi chỉ sống được vài trăm hay thậm chí vài chục triệu năm do khối lượng lớn tạo ra áp lực lớn hơn hướng vào tâm, khiến phản ứng kết hợp hạt nhân xảy ra nhanh hơn và ngôi sao cạn kiệt năng lượng nhanh hơn.

Sau khi cháy hết năng lượng hydro, ngôi sao không còn sản sinh ra năng lượng chống lại được hấp dẫn hướng tâm nữa. Nó lại một lần nữa co lại. Lúc này các hạt nhân Heli lại kết hợp với nhau tạo thành các hạt nhân của nguyên tố nặng hơn như carbon, oxy và các nguyên tố nặng hơn cho tới sắt. Quá trình này giải phóng ra một lượng năng lượng làm phồng to lớp vỏ của ngôi sao trong khi lõi ngôi sao vẫn tiếp tục co lại. Đây là giai đoạn sao khổng lồ đỏ (red giant).

Đối với các sao cỡ trung bình (khối lượng từ 0,5 đến 10 lần khối lượng Mặt Trời), lớp vỏ sao khổng lồ đỏ khi phồng lên đủ lớn sẽ phát nổ và bị phá vỡ tạo thành tinh vân hành tinh. Trong khi đó, các sao khối lượng lớn có lớp vỏ sao phồng lên rất lớn, trở thành các sao siêu khổng lồ đỏ. Trong giai đoạn này lõi sao tiếp tục co lại do hấp dẫn, nhiệt độ và áp suất đều tăng hơn nhiều lần so với giai đoạn trước cho phép hạt nhân của các nguyên tố nặng hơn được tổng hợp thành (từ các kim loại quen thuộc như đồng, bạc, vàng cho tới các nguyên tố phóng xạ). Tới giới hạn nhất định, năng lượng giải phóng ra từ lõi tạo ra một vũ nổ lớn phá vỡ lớp vỏ ngoài. Đây là vụ nổ supervova (một số tài liệu tiếng Việt dịch một cách không chính xác là siêu tân tinh).

Sau khi lớp vỏ bị phá vỡ, lõi ngôi sao vẫn còn lại đối với cả các sao nặng cũng như nhẹ. Với các sao có khối lượng nhỏ và vừa như Mặt Trời, lõi sẽ ngừng co lại, trở thành sao lùn trắng, phát ra ánh sáng rất mờ nhạt. Sau hàng tỷhay hàng chục tỷ năm, những phát ứng tạo bức xạ cuối cùng cũng kết thúc, sao không phát ra ánh sáng nữa, nó được gọi là sao lùn đen, một khối vật chất chết, tối tăm (trên thực tế quá trình để một sao lùn trắng trở thành sao lùn đen lâu tới mức cho tới nay sao lùn đen chỉ là dự đoán lý thuyết, chưa có sao lùn trắng nào trong vũ trụ đủ thời gian để trở thành sao lùn đen).

Với các sao nặng mà phần lõi còn lại sau vụ nổ supernova có khối lượng lớn hơn Mặt Trời tối thiểu là 1,4 lần, khối lượng quá lớn làm chúng tiếp tục co lại, các hạt nhân lại phản ứng với nhau thành các hạt nhân nặng. Sự co lại vẫn chưa kết thúc, chúng làm các electron tự do bị ép chặt vào proton, kết hợp với nhau thành neutron. Ngôi sao trở thành một khối vật chất đặc, gồm toàn neutron, do vậy nó có khối lượng riêng cực lớn và vận tốc quay cự nhanh. Thiên thể này gọi là sao neutron (neutron star), trước đây khi mới quan sát được thiên thể này, các nhà thiên văn thấy nó phát xạ ra một lượng xung điện từ rất mạnh (do vận tốc quay quá nhanh) nên gọi chúng là các pulsar.

Các sao lớn hơn nữa, với khối lượng của lõi gấp ít nhất hơn 2 hoặc 3 lần Mặt Trời, sau khi đạt tới giai đoạn sao neutron vẫn chưa dừng lại, chúng ép toàn bộ vật chất lại tới một mật độ lớn vô hạn, tập trung tại một vị trí gọi là một điểm kì dị (singularity). Điểm kì dị này làm uốn cong không gian xung quanh nó, một vùng không gian bị uốn tới độ cong vô hạn (khép kín), đường biên của vùng không gian này gọi là chân trời sự kiện (event horizon). Do không gian bị uốn cong vào phía trong nên bất cứ thứ gì đi vào sẽ không thể thoát ra nữa, kể cả ánh sáng. Toàn bộ vùng không gian giới hạn bởi chân trời sự kiện này gọi là lỗ đen (black hole) (Đọc thêm bài: Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu)

Dưới đây là video bài giảng trực quan về sự kết thúc của các sao:

Bài viết được thực hiện lần đầu tháng 7 năm 2005, chỉnh sửa và bổ sung lần cuối năm 2016

Vui lòng ghi rõ tên tác giả và nguồn Thienvanvietnam.org khi bạn sử dụng bài viết này