Vì sao chúng ta nhìn thấy các ngôi sao?

GD&TĐ – 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 tượng trưng cho một số mệnh, cũng có người bảo rằng, các ngôi sao là thiên thần nhỏ bé được giao nhiệm vụ thắp sáng màn đêm. Ngày nay, khoa học đã có thể mang lại cho chúng ta lời giải chính xác hơn.

Thế nào là một ngôi sao?

Sao (star) là tất cả các thiên thể có khả năng tự phát ra ánh sáng. Tất cả chúng đều là những khối cầu khí khổng lồ. Chúng có khối lượng lớn hơn Trái đất hàng chục đến hàng trăm nghìn lần.

Chỉ có nhờ một khối lượng lớn như thế mới giúp chúng tự tạo ra ánh sáng của bản thân. Một thiên thể để có thể tự phát ra ánh sáng 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 chúng ta thấy được các ngôi sao?

Những ngôi sao trên bầu trời luôn là bí ẩn với sức tưởng tượng của con người.

Trái đất của chúng ta có khối lượng khoảng 6x1024kg (6 triệu tỷ tỷ tấn). 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 nghìn lần. Mỗi vật thể đều có lực hấp dẫn hướng tâm vào lòng nó.

Ngày thường không ai để ý nhưng bản thân 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, đều luôn tự hấp dẫn chính nó bằng một lực gọi là lực hấp dẫn hướng tâm. Nhưng tại sao tất cả không cháy sáng?

Đó 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, Trái đất, lực hấp dẫn cũng tỏ ra không 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 các thiên thể có khối lượng lớn như trên đã nói (nặng hơn Trái đất 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 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 – loại bom có khả năng giải phóng ra năng lượng gấp hàng nghìn lần bom nguyên tử có cùng khối lượng.

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 là các khí nặng hơn. Nhiệt độ bề mặt của một ngôi sao thường trong khoảng 3.000 đến 50.000K còn nhiệt độ ở tâm là khoảng vài triệu cho đến vài chục triệu K. Nó 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.

Phân loại sao

Ảnh đồ họa. 

Theo khối lượng, sao được chia thành hai loại là sao lùn và sao khổng lồ. Ngày nay, cách phân chia hiện đại dựa trên biểu đồ quảng 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 kỳ khi thu được quang phổ của nó.

Theo nhiệt độ, biểu đồ chia thành 7 cấp với các ký hiệu lần lượt là O, B, A, F, G, K, M. Trong đó, sao càng gần O thì càng nóng và gần M thì lạnh. Bản thân mỗi cấp này lại chia thành nhiều cấp nhỏ.

Qua biểu đồ có thể thấy hầu hết các sao trong vũ trụ tập trung ở dãy chính của biểu đồ. Dãy này là dãy các sao lùn và cận khổng lồ. Mặt trời của chúng ta cũng nằm trên dãy này.

Nó nằm ở vị trí của nhóm G, có ký hiệu quang phổ chi tiết là G2V (sao lùn vàng/Yellow dwarf). Phía dưới dãy là nhóm các sao lùn trắng còn phía trên là các sao khổng lồ và siêu khổng lồ, siêu siêu khổng lồ.

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. 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 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 thể mới đủ để nhận thấy.

Ở các ngôi sao, lực hấp dẫn là rất mạnh (do có 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 khối 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, 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. Nó 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 sẽ 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 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.

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 vụ nổ lớn phá vỡ lớp vỏ ngoài. Đây là vụ nổ supervova.

Sau khi lớp vỏ bị phá vỡ, lõi ngôi sao vẫn còn lại đối với cả sao nặng cũng như sao 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 tỷ hay hàng chục tỷ năm, việc tạo bức xạ 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 supervova 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 cực nhanh.

Thiên thể này gọi là sao neutron. 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 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.

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.

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.