Các vì sao cổ đại khởi sinh các nguyên tố nặng một cách phi thường
Một nguyên tố nặng có thể được hình thành như thế nào? Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã tìm ra các ngôi sao cổ đại có năng lực tạo ra các nguyên tố hóa học với nguyên tử khối lớn hơn 260, nặng hơn bất kỳ nguyên tố hóa học nào có trên bảng tuần hoàn và được hình thành một cách tự nhiên trên trái đất.
Phát hiện mới làm sâu sắc thêm hiểu biết của chúng ta về sự hình thành các nguyên tố trên các vì sao.
Trên thực tế, chúng ta được tạo ra từ bụi sao. Các vì sao là những công xưởng sản xuất nguyên tố hóa học, nơi các nguyên tố liên tục được hợp nhất hoặc tách rời thành từng phần để tạo ra những nguyên tố nặng hơn hoặc nhẹ hơn. Khi chúng ta nói đến các nguyên tố nặng hoặc nhẹ là chúng ta nói về khối lượng nguyên tử của nó. Nói rộng hơn, khối lượng nguyên tử được dựa trên số các proton và các neutron trong hạt nhân của một nguyên tử của nguyên tố đó.
Các nguyên tố nặng nhất chỉ được biết đến là được tạo ra trong các ngôi sao neutron thông qua quá trình bắt neutron nhanh. Đó là bức tranh một hạt nhân nguyên tử trôi nổi trong món xúp neutron. Nhưng đột nhiên, một chùm neutron đó tập hợp lại thành hạt nhân trong một quá trình cực ngắn – thông thường ít hơn một giây – sau đó trải qua những thay đổi kiểu như neutron thành proton! Một nguyên tố nặng như vàng, platinum hay uranium, đều được hình thành theo cách như vậy.
Các nguyên tố nặng nhất đều không bền hoặc có bức xạ, nghĩa là chúng phân rã theo thời gian. Một cách để chúng có thể làm điều này là phân tách, một quá trình mà người ta gọi là phân hạch.
“Quá trình bắt neutron nhanh vô cùng cần thiết, nếu anh muốn tạo ra các nguyên tố nặng hơn, ví dụ như chì hoặc bismuth”, Ian Roederer, phó giáo sư vật lý tại trường đại học Bắc Carolina và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu, nói. Roederer trước từng ở trường đại học Michigan.
“Anh phải cho thêm nhiều neutron vào đó một cách vô cùng nhanh chóng nhưng anh phải có rất nhiều năng lượng và nhiều neutron để làm được điều đó”, Roederer giải thích. “Và nơi tốt nhất để tìm được cả hai là tại thời khắc khởi sinh hay tàn lụi của một ngôi sao neutron, hoặc khi các sao neutron va chạm và tạo ra những nguyên liệu thô cho quá trình này”.
“Chúng tôi có một ý tưởng tổng thể về quá trình bắt neutron nhanh diễn ra như thế nào nhưng các điều kiện của quá trình này vô cùng cực đoan. Chúng tôi không biết có bao nhiêu dạng định xứ khác nhau trong vũ trụ có thể tạo ra quá trình bắt neutron nhanh, chúng tôi cũng không biết bắt neutron nhanh sẽ kết thúc như thế nào và chúng tôi cũng không thể trả lời dược những câu hỏi tương tự thế, như bao nhiêu neutron có thể được đưa vào? Hay một nguyên tố có thể nặng như thế nào? Vì vậy, chúng tôi quyết định nhìn vào các nguyên tố có thể được tạo ra bằng phản ứng phân hạch ở những ngôi sao cổ đã được nghiên cứu nhiều để xem là liệu mình có thể bắt đầu trả lời được một vài câu hỏi dạng đó hay không”.
Nhóm nghiên cứu đã có một cái nhìn mới vào số lượng các nguyên tố nặng trong 42 ngôi sao đã được nghiên cứu khá nhiều trong dải Ngân hà. Các ngôi sao được biết có các nguyên tố nặng được hình thành qua quá trình bắt neutron nhanh trong giai đoạn khởi sinh ban đầu của các ngôi sao. Bằng việc triển khai một cái nhìn rộng hơn về số lượng mỗi nguyên tố được tìm thấy trong các ngôi sao đó hơn là nhìn vào từng ngôi sao, họ đã nhận diện được các mẫu hình chưa từng được ghi nhận trước đây. Công trình được họ xuất bản trên tạp chí Science 1.
Những mẫu hình này báo hiệu, một số nguyên tố được ghi nhận ở gần giữa bảng tuần hoàn – như bạc và rhodium – dường như là tàn tích của phản ứng phân hạch của nguyên tố nặng. Nhóm nghiên cứu đã có thể xác quyết là quá trình bắt neutron nhanh có thể tạo ra các nguyên tố với một nguyên tử khối ít nhất là 260 trước khi chúng phân hạch.
“Con số 260 thật thú vị bởi vì chúng ta trước đây chưa từng dò được thấy thứ gì nặng như vậy trong vũ trụ hay trên trái đất một cách tự nhiên, ngay cả trong những thử nghiệm vũ khí hạt nhân cũng vậy”, Roederer nói. “Nhưng việc thấy chúng trong vũ trụ cũng trao cho chúng ta hướng dẫn về cách nghĩ về các mô hình và sự phân hạch – và có thể trao cho chúng ta cái nhìn sâu hơn vào sự đa dạng đến mức dồi dào mà các nguyên tố có thể hình thành”.
Thanh Lan tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-12-ancient-stars-extraordinarily-heavy-elements.html
—————————————
1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf1341
