Thức ăn chậm của vũ trụ: Khi ngôi sao không nuốt chửng mà 'gặm nhấm' người đồng hành suốt hàng tỷ năm

Khi nghĩ về tương lai xa xôi của các hệ thiên thể, viễn cảnh quen thuộc nhất thường là ngôi sao mẹ phình to và nuốt chửng hoàn toàn những hành tinh quay quanh nó. Tương lai của Trái Đất cũng thường được nhắc tới theo kịch bản này khi Mặt Trời tiến hóa thành sao khổng lồ đỏ. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học vừa tìm thấy một góc khuất ít ai ngờ tới trong mối tương tác giữa các vật thể vũ trụ. Thay vì nuốt chửng đồng thái một cách cấp tập, một ngôi sao có thể lựa chọn cách tiêu thụ người đồng hành cực kỳ chậm rãi. Nhờ phát hiện ra một tín hiệu ánh sáng có hình dạng tam giác bất thường từ Cơ sở Thiên văn Chớp loạn Zwicky, các nghiên cứu do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) dẫn đầu đã giải mã kịch bản tương tác chưa từng thấy tại hệ sao ZTF J0440+2325, nơi một ngôi sao khối lượng nhỏ đang rút dần vật chất từ một sao lùn nâu qua hàng trăm nghìn hoặc thậm chí hàng tỷ năm. [1]

Dấu vết hình tam giác bất thường trên biểu đồ ánh sáng

Trong các đợt quan sát bầu trời đêm, các kính thiên văn thường tìm kiếm sự thay đổi độ sáng đột ngột để phát hiện những sự kiện thảm khốc như siêu tân tinh hay các vụ nổ tia gamma. Tại Trạm quan sát Palomar ở California, kính thiên văn thuộc Cơ sở Thiên văn Chớp loạn Zwicky (ZTF) thu thập vô số dữ liệu về sự biến thiên độ sáng của các vật thể. Khi xem xét các tập dữ liệu này vài năm trước, nhà vật lý Kevin Burdge tại MIT đã chú ý đến một mẫu biểu đồ ánh sáng rất lạ. Một vụ nổ siêu tân tinh thông thường sẽ tạo ra đường cong ánh sáng dạng hình chuông, thể hiện quá trình sáng lên từ từ rồi mờ dần. Nhưng đối tượng ông tìm thấy lại tạo ra đường cong ánh sáng hình tam giác nhọn, lặp đi lặp lại một cách đều đặn. [1]

Sự xuất hiện của mẫu tín hiệu này gây bối rối cho giới nghiên cứu bởi các ngôi sao tự nhiên không phát ra ánh sáng dạng tam giác. Ban đầu, các nhà thiên văn hoài nghi đây có thể là một hệ "nhện góa phụ đen" — nơi một sao trung hòa cực kỳ đặc đang tước đoạt và phá hủy một sao đồng hành nhỏ bé. Dù vậy, hiệu ứng chao đảo quỹ đạo mạnh mẽ đặc trưng của các hệ góa phụ đen lại hoàn toàn không hiện diện ở trường hợp này. Tín hiệu dạng tam giác kỳ lạ đã trở thành một bí ẩn chưa thể giải thích và phải nằm chờ suốt nhiều năm. [1]

Đo lường độ lắc để xác định chân dung hai thể cầu

Mới đây, Kevin Burdge cùng nghiên cứu sinh Aaron Householder tại MIT đã quyết định quay lại tìm hiểu nguồn sáng bí ẩn được đặt tên là ZTF J0440+2325, nằm trong Dải Ngân Hà và cách Trái Đất khoảng 300 năm ánh sáng. Họ huy động nhiều kính thiên văn để theo dõi chi tiết và đo lường chuyển động chao đảo của hệ. Kết quả phân tích cho thấy biên độ lắc của ZTF J0440+2325 rất nhỏ, khác biệt hoàn toàn với sự rung lắc dữ dội thường thấy ở các hệ nhện góa phụ đen vốn có sự chênh lệch khối lượng quá lớn giữa hai thiên thể. [1]

Biên độ chao đảo nhỏ này chính là bằng chứng quyết định giúp xác nhận bản chất của hệ. Sự chuyển động êm ả này chứng tỏ cả hai thiên thể đều có khối lượng thấp và tương đối cân bằng nhau. Thiên thể trung tâm là một ngôi sao nhỏ với khối lượng chỉ gấp khoảng 85 lần Sao Mộc, trong khi vật thể quay quanh nó là một sao lùn nâu có khối lượng bằng khoảng 25 lần Sao Mộc. Sao lùn nâu là loại thiên thể trung gian: lớn hơn một hành tinh khí nhưng chưa đủ nặng để kích hoạt phản ứng hạt nhân bùng cháy như một ngôi sao bình thường. Hai đối tượng này duy trì một khoảng cách cực kỳ sát nhau, với quỹ đạo quay trọn một vòng chỉ mất 87 phút và có thể nằm gọn bên trong đường kính của Mặt Trời. [1]

Cơ chế bồi tụ trực tiếp tạo nên điểm nóng lửa

Khi hai vật thể khối lượng thấp di chuyển ở cự ly gần như vậy, hiện tượng kéo vật chất từ thiên thể này sang thiên thể khác — gọi là sự bồi tụ — đã diễn ra. Trong vũ trụ, bồi tụ thường xảy ra xung quanh các đối tượng siêu đặc như lỗ đen hay sao trung hòa. Khi lỗ đen rút khí từ sao đồng hành, vật chất thường xoáy tròn và tạo thành một đĩa bồi tụ rộng lớn trước khi rơi chầm chậm vào bên trong. Nhưng ở hệ ZTF J0440+2325, thiên thể nhận vật chất lại là một ngôi sao có kích thước thể tích thực tế tương đối lớn nếu so với một lỗ đen. [1]

Do ngôi sao có bề mặt vật lý rõ rệt, khí tước đoạt từ sao lùn nâu không kịp tích tụ thành đĩa mà lao thẳng xuống bề mặt sao với tốc độ rất cao, tương tự như các vụ va chạm thiên thạch trên Mặt Trăng. Cú va chạm liên tục này tạo ra một điểm nóng phát sáng rực rỡ ngay trên bề mặt ngôi sao. Khi sao lùn nâu cùng dòng vật chất di chuyển theo quỹ đạo, điểm nóng này xoay tròn và lúc ẩn lúc hiện dưới góc nhìn từ Trái Đất. Thời điểm điểm nóng hướng thẳng về phía quan sát cũng chính là lúc độ sáng đạt đỉnh, tạo ra đường cong ánh sáng hình tam giác sắc nhọn trên biểu đồ. [1]

Tốc độ tiêu thụ chậm rãi kéo dài qua hàng thế hệ vũ trụ

Bằng các mô phỏng chuyển động của hạt vật chất dựa trên quy luật vật lý, nhóm nghiên cứu tại MIT đã tính toán được tốc độ tước đoạt vật chất của ngôi sao này. Mỗi năm, ngôi sao chỉ rút khoảng 1/100.000 khối lượng Trái Đất từ người đồng hành sao lùn nâu. Nếu so sánh với đời sống thường ngày, tốc độ này tương đương với khoảng 40 triệu xe tải chở đất đá, hay 1,3 nghìn tỷ pound vật chất rơi xuống mỗi giây. Dù con số nghe có vẻ rất lớn, nhưng tính theo tỷ lệ khối lượng của sao lùn nâu thì đây lại là một lượng vật chất vô cùng khiêm tốn. [1]

Tốc độ "gặm nhấm" từ tốn và đều đặn này giúp hệ duy trì sự tồn tại ổn định trong khoảng thời gian dài. Thay vì phá hủy hay nuốt chửng ngay lập tức người đồng hành, ngôi sao có thể tiếp tục nhấm nháp vật chất từ sao lùn nâu suốt hàng trăm nghìn hoặc thậm chí hàng tỷ năm tới. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học bắt gặp trực tiếp một ngôi sao khối lượng thấp đang bồi tụ vật chất từ một thiên thể khối lượng thấp khác theo cơ chế kéo dài này. [1]

Thay đổi góc nhìn về tương lai của các hệ hành tinh

Trước đây, kịch bản tương tác giữa một ngôi sao và các thiên thể đồng hành thường được hình dung theo hai trạng thái đối lập: hoặc duy trì quỹ đạo tách biệt an toàn, hoặc bị cuốn vào lòng sao mẹ và tiêu biến nhanh chóng khi tiến quá gần. Tuy nhiên, khám phá về hệ ZTF J0440+2325 đã chỉ ra một sự lựa chọn thứ ba trong vũ trụ. Ngôi sao có thể sống chung và tiêu thụ vật chất của người đồng hành một cách bình thản mà không làm sụp đổ hệ ngay tức thì. [1]

Phát hiện này truyền cảm hứng cho các nhà thiên văn học mở rộng việc tìm kiếm những hệ sao tương tự khắp Galaxy. Việc giải mã đường cong ánh sáng hình tam giác không chỉ khép lại một câu đố kéo dài nhiều năm, mà còn mang đến cái nhìn toàn diện hơn về muôn hình vạn trạng các kiểu tương tác sinh tử giữa các ngôi sao và những hành tinh hay sao lùn nâu đồng hành trong vũ trụ. [1]