Gió sao yếu có thể khiến các thiên hà sơ khai tiến hóa khác với dự đoán ra sao?
Một số thiên hà sơ khai do Kính viễn vọng James Webb quan sát có vẻ phức tạp hơn dự đoán của các mô hình hiện có. Khảo sát TEMPOS bằng Hubble gợi ra một phần lời giải: trong môi trường cực nghèo nguyên tố nặng, gió của sao khổng lồ có thể chậm đi rõ rệt, khiến sao giữ lại nhiều vật chất hơn và tác động đến thiên hà theo cách khác với các sao tương tự trong Dải Ngân Hà. Mối liên hệ này chưa giải thích mọi đặc điểm lạ mà Webb ghi nhận, nhưng cho thấy một thay đổi ở cấp độ ngôi sao có thể làm khác đi quá trình hình thành sao của cả thiên hà. [1]
Độ kim loại cho biết điều gì về một ngôi sao?
Trong thiên văn học, “kim loại” là tên gọi chung cho mọi nguyên tố nặng hơn hydro và heli, không chỉ những chất như sắt trong cách nói thông thường. Các nguyên tố nặng được tạo ra và phát tán qua nhiều thế hệ sao. Vì thế, môi trường có độ kim loại thấp thường phản ánh một giai đoạn mà vật chất chưa được nhiều thế hệ sao làm giàu về mặt hóa học. [1]
Những thiên hà đầu tiên hình thành khi vũ trụ còn chứa ít nguyên tố nặng hơn hiện nay. Các sao khổng lồ sinh ra trong điều kiện ấy có thể không tiến hóa giống những sao giàu kim loại mà giới thiên văn thường nghiên cứu trong Dải Ngân Hà. Nếu mô hình chỉ dựa trên môi trường gần Mặt Trời, nó có nguy cơ đánh giá sai lượng vật chất và năng lượng mà sao cổ truyền vào khí xung quanh. [1]
Vì sao TEMPOS quan sát các thiên hà lùn gần?
Ở những thiên hà sơ khai rất xa, ánh sáng của từng ngôi sao quá yếu để có thể phân tích chi tiết bằng phương pháp mà TEMPOS cần. Nhóm nghiên cứu vì vậy chọn các thiên hà lùn tương đối gần, có thành phần hóa học nghèo nguyên tố nặng. Đây không phải những bản sao hoàn chỉnh của thiên hà đầu tiên, nhưng chúng cho phép quan sát riêng các sao sáng trong một môi trường có điểm tương đồng quan trọng. [1]
TEMPOS, tên viết tắt của Treasury of Extremely Metal-Poor O Stars, khảo sát 29 sao khổng lồ thuộc sáu thiên hà lùn. Độ kim loại của mỗi thiên hà trong mẫu đều thấp hơn một phần năm mức của Mặt Trời. Dữ liệu gồm quan sát mới của 12 sao cùng các phép đo đã có, tạo nên một tập phổ thống nhất hơn để so sánh. [1]
Công cụ chính là máy quang phổ Cosmic Origins Spectrograph trên Hubble. Phổ tử ngoại tách ánh sáng thành các thành phần theo bước sóng; những vùng ánh sáng bị nguyên tố trong khí quyển sao hấp thụ để lại dấu vết đặc trưng. Qua đó, nhà nghiên cứu có thể tìm hiểu thành phần hóa học và chuyển động của vật chất đang rời khỏi bề mặt sao. [1]
Điều gì xảy ra với gió sao khi kim loại giảm?
Sao khổng lồ rất nóng và sáng, đồng thời liên tục mất vật chất qua gió sao. Các ion của nguyên tố nặng hấp thụ năng lượng từ bức xạ của sao, sau đó góp phần đẩy khí ra ngoài. Khi số nguyên tố này giảm, cơ chế truyền lực trở nên kém hiệu quả hơn. Vì vậy, giới thiên văn vốn dự đoán các sao nghèo kim loại sẽ có gió yếu hơn. [1]
Kết quả TEMPOS phù hợp với xu hướng chung: độ kim loại càng thấp thì tốc độ cực đại của gió sao nhìn chung càng giảm. Điểm đáng chú ý nằm ở những sao nghèo kim loại nhất trong mẫu. Khi độ kim loại xuống dưới khoảng một phần mười mức của Mặt Trời, tốc độ gió giảm mạnh hơn mức có thể dự đoán bằng cách kéo dài xu hướng đã đo ở các môi trường giàu kim loại hơn. [1]
Gió chậm không tự động cho biết chính xác một ngôi sao sẽ mất bao nhiêu khối lượng trong cả vòng đời. Tuy nhiên, kết quả này phù hợp với khả năng những sao cực nghèo kim loại giữ lại nhiều vật chất ban đầu hơn. Nếu vậy, đường tiến hóa, giai đoạn cuối đời và lượng năng lượng chúng trả lại môi trường liên sao cũng có thể thay đổi. [1]
Vì sao oxy chưa kể hết câu chuyện?
Độ kim loại của một thiên hà thường được ước tính qua oxy trong khí, vì các ion oxy tạo ra những vạch phát xạ tương đối sáng. Cách đo đó hữu ích nhưng không đồng nghĩa mọi nguyên tố nặng đều tăng hoặc giảm đúng theo oxy. Sắt đặc biệt đáng chú ý vì nó tham gia vào cơ chế tạo gió sao, ảnh hưởng đến tiến hóa của sao khổng lồ và các quá trình dẫn tới siêu tân tinh. [1]
TEMPOS tìm những vạch hấp thụ sắt rất mờ trong phổ tử ngoại. Các sao ở thiên hà giàu oxy hơn nhìn chung có dấu hiệu hấp thụ sắt mạnh hơn, nhưng mẫu cũng cho thấy các sao nghèo kim loại có thể chứa lượng sắt khác nhau đáng kể. Do khảo sát chưa chuyển toàn bộ dấu vết này thành hàm lượng hóa học chi tiết cho từng sao, kết quả hiện chủ yếu xác lập một hướng cần phân tích sâu hơn. [1]
Sự khác biệt giữa oxy và sắt có thể giúp giải thích vì sao hai môi trường được xếp vào mức kim loại tương tự vẫn tạo ra gió sao không hoàn toàn giống nhau. Nói cách khác, một con số đại diện cho “độ kim loại” chưa chắc mô tả đủ hỗn hợp nguyên tố đang điều khiển vật lý của ngôi sao. [1]
Một cơn gió yếu có thể tác động đến cả thiên hà thế nào?
Các sao có khối lượng lớn gấp hơn 10 lần Mặt Trời không phổ biến, nhưng chúng phát bức xạ mạnh, làm nóng khí, đưa vật chất vào môi trường liên sao và cuối đời có thể nổ thành siêu tân tinh. Những hoạt động đó góp phần điều chỉnh lượng khí có thể nguội đi để hình thành thế hệ sao tiếp theo. Bởi vậy, cách các sao khổng lồ mất khối lượng là một phần đầu vào quan trọng của mô hình tiến hóa thiên hà. [1]
Có thể hình dung khí trong thiên hà như vật liệu liên tục được luân chuyển. Khí tạo thành sao; sau đó sao hoàn trả vật chất và năng lượng với tốc độ phụ thuộc vào quá trình tiến hóa của chúng. Nếu gió sao ở môi trường cực nghèo kim loại yếu hơn dự đoán, thời điểm và cách sự hoàn trả diễn ra cũng thay đổi. Hiệu ứng tích lũy từ nhiều sao có thể làm mô hình dự đoán khác đi về khí liên sao và hoạt động tạo sao. [1]
Nhóm TEMPOS dự định kết hợp phổ tử ngoại của Hubble với quan sát ánh sáng nhìn thấy từ Đài quan sát Keck. Mục tiêu là xây dựng mô hình chi tiết hơn về thành phần hóa học và tốc độ mất khối lượng của từng sao. Cầu nối với Webb vì thế nằm ở việc cải thiện vật lý đầu vào: muốn hiểu một thiên hà sơ khai, không chỉ cần biết nó có bao nhiêu sao, mà còn phải biết những sao sáng nhất giữ lại và giải phóng vật chất ra sao. [1]