Cấu trúc bong bóng N44 và ẩn số về hành trình sinh thành của hàng nghìn ngôi sao

Nhìn vào bầu trời đêm hướng về chòm sao Kiếm Ngư (Dorado), ở khoảng cách tầm 160.000 năm ánh sáng, các nhà thiên văn học nhận thấy một cấu trúc rỗng khổng lồ với chiều rộng lên tới 210 năm ánh sáng. Cấu trúc này nằm trong vùng tinh vân LHA 120-N44, hay gọi tắt là N44, thuộc thiên hà Đại Magellan (Large Magellanic Cloud - LMC). Khoảng trống này không phải là một khoảng không vô định, mà chính là dấu vết để lại từ những hoạt động giải phóng năng lượng vô cùng mãnh liệt của thế hệ các ngôi sao đi trước. [1]

Khoảng trống mang tên siêu bong bóng (superbubble) này đang trở thành một phòng thí nghiệm thiên nhiên lý tưởng. Thông qua việc quan sát N44, kính thiên văn không gian Hubble của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và NASA giúp các nhà nghiên cứu đo đạc mốc thời gian diễn ra toàn bộ quá trình sinh thành ngôi sao, tính từ lúc mây khí lạnh sụp đổ cho tới khi phản ứng hạt nhân bùng cháy ở tâm của sao mới. [1]

Cơ chế tạo thành siêu bong bóng rỗng ở trung tâm

Bức ảnh chi tiết về tinh vân N44 nổi bật với hai thành phần chính: một khoảng trống khổng lồ ở vùng trung tâm và lớp vỏ bao bọc xung quanh gồm vô số dải khí bụi đậm đặc. Khoảng trống này có kích thước ước tính khoảng 210 nhân 140 năm ánh sáng, được gọi là siêu bong bóng. [1]

Tác nhân chính thổi bùng nên cấu trúc này là cụm sao rực rỡ nằm ngay ở tâm của vùng rỗng. Trong suốt quá trình tiến hóa, các ngôi sao khối lượng lớn giải phóng những luồng gió sao cực kỳ mạnh mẽ. Khi một số ngôi sao kết thúc đời mình bằng các vụ nổ siêu tân tinh (supernovae), nguồn năng lượng bùng nổ này đã quét sạch phần lớn lượng khí ban đầu xung quanh, dồn vật chất ra phía ngoài và để lại một vùng không gian rỗng phía trong. [1]

Lớp vỏ khí nén và sự trỗi dậy của thế hệ sao mới

Khi lượng khí bụi ban đầu bị luồng gió sao và siêu tân tinh đẩy văng ra xa, chúng tích tụ lại tạo nên một lớp vỏ khí bị nén chặt xung quanh siêu bong bóng. Áp suất nén dư thừa tại vùng biên này lại vô tình tạo điều kiện lý tưởng cho các đám mây khí tiếp tục sụp đổ, kích hoạt một chu kỳ sinh sản sao mới đầy sôi động. [1]

Lớp vỏ khí bao bọc này liên tục nhận bức xạ tử ngoại từ các ngôi sao khối lượng lớn xung quanh, khiến nó phát sáng lung linh và làm nổi bật nhiều cấu trúc nhỏ phức tạp. Mỗi chi tiết nằm trong phức hợp hình thành sao N44 từng được nhà thiên văn Karl Henize ghi nhận và lập danh mục từ những năm 1950. [1]

Một ví dụ tiêu biểu bên trong vùng tinh vân này là cấu trúc mang tên N44F, nằm ở khu vực góc trên bên phải. Không giống như siêu bong bóng lớn do cả cụm sao tạo nên, N44F là một bong bóng liên sao được thổi bùng bởi gió sao phát ra từ duy nhất một ngôi sao đơn lẻ rất nóng và có khối lượng cực lớn. Luồng bức xạ dữ dội từ ngôi sao này đã chạm khắc lượng khí bụi xung quanh thành những cột dải uốn lượn đặc trưng. [1]

Phát hiện 30.000 ngôi sao trẻ ở giai đoạn thai nghén

Nhằm tìm hiểu quy mô và tiến trình hình thành sao trong phức hợp N44, các nhà nghiên cứu đã thực hiện chương trình quan sát chuyên sâu bằng Kính thiên văn không gian Hubble. Bằng cách phân tích các bước sóng quan sát, nhóm nghiên cứu đã lập danh mục thống kê cho gần nửa triệu ngôi sao, bao gồm cả những sao thuộc cụm và một số sao di chuyển ngang qua phía trước. [1]

Điều đáng chú ý là trong số đó có khoảng 30.000 ngôi sao thuộc giai đoạn tiền dãy chính (pre-main-sequence). Đây là những mầm sao vô cùng trẻ, chưa tích tụ đủ nhiệt độ và áp suất ở lõi để bắt đầu quá trình tổng hợp hạt nhân biến hydro thành heli. Khả năng phát hiện lượng lớn sao sơ sinh này đến từ độ nhạy cao và độ phân giải không gian vượt trội của các thiết bị trên kính Hubble, giúp phân biệt rõ các vật thể mờ nhạt ngay cả trong cụm sao đông đúc. [1]

Dữ liệu khảo sát mầm sao trẻ giúp giới thiên văn học tính toán chính xác hơn khối lượng trung bình của các ngôi sao mới sinh. Đồng thời, những kết quả này cho phép xác định rõ thời gian cần thiết để một mầm khí lạnh chuyển mình hoàn toàn thành một ngôi sao tỏa sáng. [1]

Cửa sổ nhìn về môi trường vũ trụ thời kỳ đầu

Nhờ vào việc ghi nhận thành công các ngôi sao có khối lượng rất thấp tại N44, kính thiên văn Hubble đã mở ra cơ hội nghiên cứu sự hình thành sao trong những vùng không gian thiếu hụt nguyên tố nặng. Đây là đặc điểm vô cùng quan trọng đối với ngành thiên văn học hiện đại. [1]

Thiên hà Đại Magellan – thiên hà vệ tinh lớn nhất đang quay quanh Ngân Hà của chúng ta – có thành phần hóa học nghèo các nguyên tố nặng hơn heli, tương tự như môi trường của các thiên hà ở giai đoạn vũ trụ còn sơ khai. Do đó, việc quan sát tỉ mỉ quá trình sinh sản sao ở N44 cung cấp dữ liệu thực nghiệm quý giá, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách thức những ngôi sao thế hệ đầu tiên trong vũ trụ được sinh ra và tiến hóa. [1]