Điệu nhảy cuối cùng trước hồi kết: từ các hệ sao kép tới supernova tương tác

Khi những ngôi sao có khối lượng lớn đi đến hồi kết, chúng tạo ra một trong những vụ nổ mạnh mẽ nhất trong vũ trụ. Tuy nhiên, không phải mọi supernova đều giống nhau. Một số tiếp tục phát sáng rực rỡ trong nhiều tháng hoặc thậm chí nhiều năm khi lớp vật chất bị bắn ra từ vụ nổ va chạm với các đám mây khí đậm đặc bao quanh ngôi sao. Những hiện tượng ngoạn mục này, được gọi là các supernova tương tác, đã khiến các nhà thiên văn học bối rối suốt nhiều thập kỷ vì nguồn gốc của lớp vật chất bí ẩn này vẫn chưa được làm sáng tỏ.

Một nghiên cứu mới do Sung-Han Tsai - nghiên cứu sinh tiến sĩ - và Tiến sĩ Ke-Jung Chen - nghiên cứu viên tại Viện Thiên văn học và Vật lý Thiên văn, Academia Sinica (ASIAA) - dẫn đầu cho thấy lời giải có thể không nằm ở một ngôi sao đơn lẻ mà ở một hệ gồm hai sao. Phần lớn các ngôi sao có khối lượng lớn đều được hình thành cùng với một sao đồng hành. Liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn, hai sao này trải qua hàng triệu năm có quỹ đạo quanh nhau trong một "điệu nhảy" của vũ trụ.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên The Astrophysical Journal Letters.

Một cái kén hình thành trước vụ nổ

Khi một trong hai ngôi sao tiến gần đến giai đoạn cuối của vòng đời, nó sẽ nở rộng với kích thước lớn gấp hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn lần Mặt Trời. Cuối cùng, các lớp ngoài của nó bắt đầu tràn sang sao đồng hành. Tuy nhiên, không phải toàn bộ lượng vật chất này đều bị ngôi sao đồng hành thu giữ. Một phần vật chất thoát khỏi hệ sao, tạo thành một cái kén khí khổng lồ bao quanh cả hai ngôi sao.

Sau khi một supernova bùng nổ, lớp vật chất bị bắn ra với vận tốc rất lớn sẽ va chạm dữ dội với vật chất bao quanh ngôi sao. Sự tương tác mạnh mẽ này chuyển đổi hiệu quả một phần lớn động năng của vụ nổ thành nhiệt và bức xạ, giúp các supernova tương tác tiếp tục phát sáng rực rỡ trong thời gian dài. Nguồn: ASIAA/Ke-Jung Chen

Chỉ vài nghìn năm sau - một khoảng thời gian vô cùng ngắn trong vòng đời của một ngôi sao - ngôi sao đang trên bờ vực diệt vong sẽ phát nổ thành một supernova. Sóng xung kích lan truyền ra ngoài với vận tốc hàng nghìn kilomet mỗi giây và va chạm với cái kén khí được tạo ra trong lần tương tác cuối cùng giữa hai ngôi sao. Va chạm dữ dội này chuyển đổi động năng của vụ nổ thành ánh sáng, tạo nên một trong những supernova sáng nhất và kỳ lạ nhất trong vũ trụ.

Thời điểm quyết định sự khác biệt

Thông qua hàng trăm mô phỏng trên máy tính, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng giai đoạn trao đổi vật chất ở cuối vòng đời này diễn ra đúng vào thời điểm thích hợp. Không giống các giai đoạn chuyển vật chất trước đó - vốn xảy ra hàng triệu năm trước vụ nổ và để lại vật chất ở quá xa để có ảnh hưởng đáng kể - lần tương tác cuối cùng này chỉ diễn ra vài nghìn năm trước khi ngôi sao phát nổ.

Nhờ đó, lượng khí bị tống ra vẫn nằm đủ gần để sóng xung kích của supernova có thể va chạm với nó, qua đó tái hiện một cách tự nhiên môi trường mà các quan sát đã suy ra.

"Chúng tôi phát hiện rằng các hệ sao kép có thể chuẩn bị 'sân khấu' cho các supernova tương tác với thời điểm vô cùng chính xác," Tsai cho biết. "Sao đồng hành góp phần tạo ra một cái kén khí đậm đặc bao quanh ngôi sao đang chết ngay trước khi vụ nổ xảy ra, cung cấp 'nhiên liệu' cho những màn pháo hoa của vũ trụ này."

Điều đáng ngạc nhiên là nhóm nghiên cứu ước tính kịch bản tiến hóa này có thể chiếm khoảng một trong tám vụ supernova suy sụp lõi, cho thấy những hệ sao đồng hành như vậy không phải là ngoại lệ hiếm gặp mà là một phần phổ biến trong quá trình tiến hóa và kết thúc vòng đời của các sao khối lượng lớn.

Lời giải cho hiện tượng sáng lên muộn bất thường

Các mô hình mới cũng có thể giải thích những hiện tượng bất thường như SN 2014C, vốn ban đầu có vẻ là một supernova thông thường trước khi bất ngờ sáng lên trở lại sau nhiều tháng, khi lớp vật chất bị bắn ra va chạm với một lớp khí nằm ở khoảng cách xa hơn. Theo các mô phỏng, lớp khí này nhiều khả năng đã được tạo thành từ vài thế kỷ đến vài thiên niên kỷ trước vụ nổ, trong lần tương tác cuối cùng giữa ngôi sao và bạn đồng hành của nó.

"Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy nhiều ngôi sao không kết thúc vòng đời trong cô độc," Chen cho biết. "Diện mạo cuối cùng của chúng có thể được định hình bởi quá trình đồng hành lâu dài và liên kết giữa hai sao."

Những phát hiện này cho thấy sự đa dạng ngoạn mục của các supernova cuối cùng có thể được quyết định bởi mối quan hệ giữa các ngôi sao. Thay vì kết thúc vòng đời trong cô độc, nhiều sao khối lượng lớn lại có được màn kết đầy ấn tượng nhờ những sao đồng hành đã gắn bó với chúng trong suốt cuộc đời.

Sau cùng, một supernova không phải lúc nào cũng là màn trình diễn của một ngôi sao đơn độc. Đôi khi, đó là màn kết của một bản song tấu vũ trụ - điệu nhảy cuối cùng trước cái chết.

Bryan
Theo Phys.org