Cơ chế mới phá hủy bụi vũ trụ trong trường bức xạ mạnh

Trong một công bố của mình bốn mươi năm trước (vào năm 1979), Edward Purcell, người giành giải thưởng Nobel Vật lý năm 1952, đã kết luận rằng các hạt bụi có cấu trúc chặt chẽ trong môi trường liên sao sẽ rất khó bị phá vỡ bởi lực ly tâm do sự quay của chúng. Tuy nhiên, nghiên cứu mới của chúng tôi cho thấy rằng ngay cả các hạt bụi rất bền này cũng có thể bị phá vỡ bởi lực ly tâm khi chúng được tăng tốc quay lên đến trên 1 tỷ vòng trên giây bởi một trường bức xạ mạnh, vốn khá phổ biến trong vũ trụ. Khám phá này đã góp phần làm sáng tỏ một số điều bí ẩn tồn tại đã lâu trong lĩnh vực vật lý thiên văn và mở ra một hướng nghiên cứu mới về sự tiến hóa của bụi và phân tử hữu cơ trong vũ trụ dựa trên tác dụng của lực ly tâm do sự quay của hạt bụi.

Hình minh họa sự phá hủy các hạt bụi bởi lực ly tâm do trường bức xa mạnh. Các hạt bụi ở gần nguồn sáng sẽ bị phá vỡ rất nhanh, trong khi đó các hạt bụi ở xa không bị phá hủy. Copyright: Korea Astronomy and Space Science Institute.

Đi tìm lời giải về bụi vũ trụ

Bụi có mặt khắp nơi trong vũ trụ, và người ta thường nói rằng “Chúng ta được sinh ra từ cát bụi, và sẽ trở về với cát bụi”. Bụi vũ trụ là các hạt rắn có kích thước từ vài nanômét đến vài trăm nanômét và là nguyên liệu tạo nên những ngôi sao và hành tinh như Trái đất của chúng ta. Bụi cũng là ngôi nhà nơi hình thành băng đá và các phân tử hữu cơ phức tạp được biết đến là khởi nguồn của sự sống. Các hạt bụi hấp thụ ánh sáng phổ kiến từ các ngôi sao và phát lại bức xạ ở bước sóng hồng ngoại. Sự hấp thụ và phát xạ hồng ngoại của bụi đã được khai thác như một công cụ thông dụng để các nhà thiên văn học nghiên cứu về sự hình thành của các ngôi sao và các hành tinh trong vũ trụ.

Chính vì vậy, có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để tìm hiểu sự tiến hóa và tính chất vật lý của bụi vũ trụ, ví dụ như nghiên cứu về kích thước và hình dạng của chúng. Các nghiên cứu trước đây cho thấy khối lượng của bụi trong môi trường liên sao chủ yếu do đóng góp của hạt bụi lớn có bán kính hàng trăm nanomét. Tuy nhiên, nhiều quan sát ở giai đoạn đầu của siêu tân tinh loại Ia – một trong các loại siêu tân tinh sinh ra từ vụ bùng nổ của sao lùn trắng và là nguồn phát xạ cực mạnh trong vũ trụ, cho thấy sự chiếm ưu thế của các hạt bụi nhỏ với bán kính cỡ hàng chục nanômét.

Ngoài siêu tân tinh, các ngôi sao nặng (khối lượng lớn hơn 10 lần khối lượng Mặt trời) cũng là những nguồn bức xạ phát sáng nhất trong vũ trụ. Các quan sát thiên văn ở vùng khí bị ion hóa xung quanh các ngôi sao này thường cho thấy điều bất thường là cường độ phát xạ hồng ngoại ở bước sóng gần đến bước sóng trung bình (trong khoảng 1-5 micrômét) cao hơn so với dự đoán từ các mô hình chuẩn của bụi trong môi trường liên sao. Lời giải thích phổ biến cho sự tồn tại của bức xạ hồng ngoại dư thừa này là do hàm lượng cao của các hạt bụi có kích thước cỡ nanômét (bán kính hàng chục nanômét) so với các hạt có kích thước lớn hơn (cỡ hàng trăm nanômét) trong môi trường khí ion hóa xung quanh các sao siêu nặng.

Nhưng vấn đề là tại sao các hạt bụi nhỏ lại có thể có số lượng nhiều đến như thế trong các môi trường bức xạ mạnh? Sự bất thường này không thể giải thích được bằng các lý thuyết và mô  hình hiện tại về sự hình thành và phá hủy bụi vũ trụ. Các cơ chế phá hủy bụi được biết đến trước đây bao gồm: thăng hoa nhiệt khi bụi được đốt nóng lên nhiệt độ cao hàng nghìn độ (thermal sublimation), sự phún xạ (thermal sputtering) khi hạt bụi bị bắn phá bởi các proton vận tốc lớn, và sự vỡ vụn (shattering) do va chạm của các hạt bụi trong môi trường có sóng xung kích.

Đây là vấn đề thú vị và hóc búa với các nhà vật lý thiên văn. Trong xu hướng đó, từ năm 2015, chúng tôi bắt đầu quan tâm đến tính chất dị thường của bụi xung quanh siêu tân tinh loại Ia. Trong công trình Properties and Alignment of Interstellar Dust Grains toward Type Ia Supernovae with Anomalous Polarization Curves [Tính chất vật lý và sự định hướng của bụi xung quanh siêu tân tinh loại Ia có đường cong phân cực dị thường] đăng vào năm 2017 trên tạp chí Astrophysical Journal ¹, bằng phương pháp giải bài toán ngược, chúng tôi nêu các hạt bụi xung quanh siêu tân tinh phải có kích thước nhỏ, dưới vài chục nanômét. Tuy nhiên, ở thời điểm đó, chúng tôi vẫn chưa thể giải thích một cách rõ ràng được nguồn gốc của đặc tính này. Khi chưa trả lời được câu hỏi này, chúng tôi lại tiếp tục phát hiện thêm một vấn đề liên quan: các hạt bụi nhỏ cỡ hàng chục nanômét cũng rất phổ biến trong trường bức xạ mạnh của các ngôi sao nặng. Từ điểm chung đó, chúng tôi nêu giả thuyết là các hạt bụi nhỏ này có thể sinh ra do chính tác động của trường bức xạ của siêu tân tinh và sao nặng. Sau khi đánh giá chi tiết hiệu quả của cơ chế thăng hoa (thermal sublimation-một cơ chế gây phá hủy bụi trong trường bức xạ đã được biết đến từ lâu trong vật lý), chúng tôi thấy rằng cơ chế này lại có tác dụng làm giảm các hạt bụi nhỏ, và rõ ràng điều này không thể trả lời câu hỏi trên.

Hiểu sự tiến hóa của bụi vũ trụ qua cơ chế phá hủy

Trong quá trình đi tìm câu trả lời thỏa đáng, chúng tôi đã phát hiện ra rằng khi tiếp xúc với một trường bức xạ cực mạnh, ví dụ từ siêu tân tinh, ngôi sao có khối lượng lớn hoặc vĩ tân tinh, các hạt bụi có thể bị tăng tốc độ quay rất nhanh, đạt đến tốc độ trên một tỷ vòng mỗi giây. Kết quả là lực ly tâm của các hạt bụi này có thể vượt quá độ bền tối đa của vật liệu cấu thành nên chúng, và do đó phá vỡ chúng thành những hạt bụi có kích thước nhỏ hàng nanômét. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã xây dựng nên một cơ chế mới để phá hủy bụi dựa trên ứng suất ly tâm trong các hạt quay rất nhanh được tạo ra bởi moment xoắn do bức xạ, chúng tôi gọi đó là RATD. Theo quan điểm của chúng tôi, RATD có thể phá vỡ các hạt bụi có kích thước lớn thành một số hạt nhỏ hơn trong những môi trường có bức xạ mạnh. Hiệu ứng phá vỡ này làm tăng số lượng của các hạt bụi nhỏ so với các hạt lớn và giải thích thành công các tính chất dị thường của bụi được quan sát. So sánh với các cơ chế phá hủy khác, chúng tôi thấy, RATD là cơ chế nhanh nhất để phá hủy các hạt bụi trong các trường bức xạ mạnh. Đây cũng là nội dung mà chúng tôi trình bày trong bài báo “Rotational disruption of dust grains by radiative torques in strong radiation fields” [Cơ chế phá vỡ bụi bởi lực xoắn trong trường bức xạ mạnh] xuất bản trên tạp chí Nature Astronomy².

Hình minh họa sự tăng tốc độ quay của hạt bụi lên đến hàng tỷ vòng trên giây do mômen xoắn bức xạ từ siêu tân tinh. Kết quả là hạt bụi bị phá hủy thành nhiều mảnh nhỏ do lực ly tâm cực lớn. Copyright: Korea Astronomy and Space Science Institute.

Khám phá này có thể làm thay đổi những điều người ta đã biết về sự tiến hóa của bụi vũ trụ. Trong mô hình tiến hóa hiện tại của bụi vũ trụ, một trường bức xạ cực mạnh có thể đốt nóng các hạt bụi đến nhiệt độ cao hàng nghìn độ và làm bay hơi chúng thành các phân tử khí, gọi là cơ chế thăng hoa nhiệt. Khám phá của chúng tôi cho thấy trường bức xạ mạnh cũng có thể làm quay các hạt bụi đến tốc độ cực lớn. Do đó, lực ly tâm có thể dễ dàng phá vỡ chúng thành các mảnh nhỏ. Cơ chế mới này có thể xảy ra trong trường có cường độ bức xạ thấp hơn nhiều và do đó hiệu quả cao hơn so với cơ chế thăng hoa nhiệt. Mặc dù từ lâu mọi người đã biết rằng trường bức xạ có thể làm quay các hạt bụi, song thật ngạc nhiên là tốc độ quay có thể phá hủy được các hạt bụi và các hệ quả của cơ chế đó có thể giúp giải thích nhiều điều bí ẩn trong vũ trụ.

Khám phá đã góp phần lý giải nhiều bí ẩn tồn tại hàng vài thập kỷ. Việc tạo ra các hạt bụi có kích thước nanomet bằng cách phá vỡ các hạt lớn thông qua cơ chế RATD trong một thời gian ngắn (dưới vài tuần), có thể giải thích thành công các tính chất bất thường của bụi vũ trụ quan sát được ở xung quanh những siêu tân tinh loại Ia. Sự xuất hiện của các hạt nano cũng làm sáng tỏ nguồn gốc bí ẩn của sự phát xạ mạnh ở bước sóng hồng ngoại gần đến bước sóng hồng ngoại trung bình của các vùng bị ion hóa xung quanh các ngôi sao có khối lượng lớn. Cơ chế mới được phát hiện này có thể giúp giải thích sự gia tăng của tia cực tím trong các đường cong suy giảm đo được từ các thiên hà đang có quá trình hình thành sao mạnh mẽ cũng như những thiên hà ở xa, và sự suy giảm của bức xạ Lyman α thoát ra từ các vùng khí ion hydro xung quanh các cụm sao có khối lượng lớn.

Với ý nghĩa như vậy, công trình này còn mở ra một hướng nghiên cứu mới về cấu trúc bên trong, thành phần và phân bố kích thước của bụi vũ trụ thông qua quan sát.

Những vấn đề mở

Không chỉ là sự giải thích thuần túy về mặt lý thuyết, cơ chế phá hủy bụi vũ trụ đã được chúng tôi kiểm chứng thông qua một vài số liệu quan sát để so sánh. Mặc dù kết quả ban đầu phù hợp với lý thuyết đề xuất nhưng trong thời gian tới, chúng tôi sẽ tiếp tục cộng tác với các nhà quan sát để thu thập thêm nhiều dữ liệu nhằm kiểm chứng đầy đủ hơn.

Bên cạnh đó, chúng tôi còn đã áp dụng cơ chế này để giải quyết một số bài toán trong thiên văn học, chẳng hạn như giải thích sự hình thành và bay hơi của các phân tử hữu cơ từ bụi đá, nghiên cứu cấu trúc và thành phần của hạt bụi vũ trụ.□

———

* Bài viết với sự đóng góp nội dung của TS Lê Ngọc Trẫm.

Tài liệu tham khảo:

^1. Thiem Hoang, 2017, The Astrophysical Journal, 836, 13, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/836/1/13/meta

^2. Thiem Hoang, Tram Le Ngoc, HS Lee, Ahn S-H, 2019, Nature Astronomy, https://www.nature.com/articles/s41550-019-0763-6