KỲ 2: Thuở trời đất nổi cơn gió bụi

Những ngôi sao khối lượng lớn như Betelgeuse chết trong một vụ nổ sáng chói. Khi áp lực hướng ngoại không còn chống cự trọng lực hướng nội được nữa, phần lõi lập tức sụp về phía trong, sinh ra một lượng năng lượng khổng lồ xé tan các lớp ngoài cùng của ngôi sao.

Sao Betelgeuse. Nguồn: Adam Block/Steward Observatory, University of Arizona

Thiên văn học gọi đây là một siêu tân tinh loại II (type II supernova), và cho dù đây là loại siêu tân tinh được miêu tả nhiều nhất trên phương tiện đại chúng, nhiều câu hỏi vẫn cần được giải đáp, vì chúng ta vẫn chưa biết rõ một ngôi sao sẽ như thế nào trước khi trở thành siêu tân tinh loại II. Vào mùa đông năm 2019, Betelgeuse – một ngôi sao được cho là sẽ trở thành siêu tân tinh loại II – bỗng tối đi một cách bất thường, khiến nhiều người tự hỏi: phải chăng ngôi sao này đã hết năng lượng và chuẩn bị nổ tung?

Sao ơi, sao hỡi, nhớ ai sao mờ?

Vào ngày 23 tháng 12 năm 2019, ba nhà thiên văn học Edward Guinan, Richard Wasatonic và Thomas Calderwood thông báo thông qua dịch vụ The Astronomer’s Telegram rằng họ đã nhận thấy một sự thay đổi độ sáng bất ngờ ở Betelgeuse. Dù họ đã quá quen với việc Betelgeuse thay đổi độ sáng rồi, sự thay đổi lần này rất khác biệt: Betelgeuse đã rời khỏi vị trí một trong mười ngôi sao sáng nhất bầu trời đêm và xuống tận vị trí thứ 21. Đến cuối tháng 1/2020, cùng thời điểm Tổ chức Y tế Thế giới ban bố Tình trạng Khẩn cấp Y tế Công cộng Quốc tế về dịch virus Covid-19, Guinan và Wasatonic ghi nhận được độ sáng của Betelgeuse ở cấp sao biểu kiến thấp kỉ lục là +1.614. Theo hai nhà thiên văn học này, đây là độ sáng thấp nhất mà họ từng ghi nhận được ở Betelgeuse trong suốt 25 năm họ theo dõi ngôi sao này. 
Chứng kiến sự thay đổi độ sáng lạ lùng của Betelgeuse, cả cộng đồng thiên văn học lẫn công chúng đều không khỏi ngạc nhiên, và một giả thuyết bắt đầu lan rộng trên các phương tiện truyền thông trên khắp thế giới rằng ngôi sao này sắp phát nổ. Một bài báo của CNN (Mỹ) ngày 26/12/2019 có tiêu đề: “Một ngôi sao khổng lồ đang hành xử lạ lùng và các nhà khoa học nghĩ rằng nó sắp phát nổ.” Nửa tháng sau đó, báo Dân Trí (Việt Nam) cũng đưa tin: “Ngôi sao sáng nhất trên bầu trời đêm sắp phát nổ.” Một tít báo trên tờ Le Figaro (Pháp) thì đặt câu hỏi: “Có phải ngôi sao siêu khổng lồ Betelgeuse sắp phát nổ?” Vô số kênh thông tin khoa học phổ thông khắc họa bức tranh về một cộng đồng thiên văn học hoặc là hoàn toàn chắc chắn, hoặc là nhận được rất ít ý kiến trái chiều khi cho rằng Betelgeuse sắp sửa trở thành một siêu tân tinh loại II. Song trên thực tế, viễn cảnh siêu tân tinh không những chỉ là một giả thuyết, mà còn ít được giới thiên văn học coi trọng. Quả thật là sự tối đi của Betelgeuse có thể được giải thích bằng viễn cảnh siêu tân tinh, trong đó ngôi sao bị cạn kiệt năng lượng, khiến vật chất của nó sớm muộn cũng sụp hết về phía lõi để rồi bùng nổ, phá tung các lớp ngoài cùng của ngôi sao. Tuy nhiên, Betelgeuse vẫn còn một chặng đường dài phía trước: theo mô hình tiến hóa sao của Dolan và cộng sự (2016), phải đến khoảng 100,000 năm nữa thì Betelgeuse mới có thể trở thành một siêu tân tinh loại II. Nói theo cách khác, có lẽ siêu tân tinh không phải câu trả lời thỏa đáng cho hiện tượng đầu năm 2020. Các nhà thiên văn học cần tìm ra một lời giải thích khác, trong bối cảnh một bệnh dịch mới đang bắt đầu lan rộng trên chính hành tinh của họ.

Vật đổi sao dời

Tháng 12 năm 2019, nghe tin về hiện tượng lạ lùng của Betelgeuse, nhóm nghiên cứu của nhà thiên văn học trẻ tuổi Miguel Montargès đã quan sát ngôi sao này bằng thiết bị nghiên cứu ngoại hành tinh với độ tương phản cao bằng quang phổ-phân cực kế (Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research – SPHERE) ở Chile. Tình cờ làm sao, chính thiết bị SPHERE cũng đã chụp ảnh Betelgeuse vào tháng 1/2019, nghĩa là giờ đây, đội của Montargès có thể so sánh tình trạng của ngôi sao này trước và sau khi nó bắt đầu tối đi. Kết quả cho thấy: nửa phía trên của Betelgeuse không có sự thay đổi gì, song nửa bên dưới trong bức ảnh chụp cuối năm 2019 không những tối hơn rất nhiều mà còn có hình dạng khác. 

Biểu đồ độ sáng của Betelgeuse từ năm 2018 đến tháng 2 năm 2020. Nguồn: AAVSO

Khi phát hiện này đến tai hai nhà thiên văn học Emily Levesque và Philip Massey, họ nhanh chóng đo nhiệt độ hiệu dụng (effective temperature) của Betelgeuse và nhận ra rằng ngôi sao này đã nguội đi, song sự chênh lệch về nhiệt độ vẫn còn quá nhỏ để quy cho một thay đổi ở bản thân ngôi sao. Trong nghiên cứu xuất bản vào tháng 2 năm 2020, Levesque và Massey cho rằng có lẽ Betelgeuse đã sinh ra một đám mây bụi khổng lồ, vừa làm giảm nhiệt độ, vừa chắn ánh sáng chiếu đến Trái đất từ nửa dưới của ngôi sao, dẫn đến “hình dạng khác” mà thiết bị SPHERE chụp được.

Đến ngày 17/2, Betelgeuse bắt đầu ngừng tối đi, rồi từ từ sáng trở lại. Với diễn biến mới này, giả thuyết siêu tân tinh đã bị dập tắt hoàn toàn, nhưng các nhà thiên văn học vẫn tiếp tục chú ý tới Betelgeuse với hy vọng giải thích được hiện tượng vừa qua. Ngày 21/2, từ đài quan sát thiên văn O’Brien của Đại học Minnesota, Robert Gertz và cộng sự nhận thấy độ sáng của Betelgeuse vẫn ổn định khi quan sát ở bước sóng hồng ngoại, một điều mà Emily Levesque và Philip Massey cũng xác nhận khi bài báo nghiên cứu của họ được xuất bản chỉ ba ngày sau đó. Dần dần, những phân tích mới càng chỉ ra rằng sự tối đi bất thường vừa rồi của Betelgeuse không liên quan gì tới sự sụp lõi hay là một sự thay đổi chóng vánh ở bản thân ngôi sao, mà thay vào đó chỉ là một quá trình nào đó mà các nhà thiên văn học vẫn còn chưa hiểu được rõ. Tuy nhiên, trong khi mọi người đang nỗ lực theo dõi và nghiên cứu một ngôi sao trên trời, tình hình dịch virus Covid-19 trên Trái đất đã bắt đầu có chuyển biến tiêu cực và gây ra những hệ lụy nghiêm trọng.

Ngày 11/3/2020, Tổ chức Y tế Thế giới tuyên bố gọi Covid-19 là một đại dịch toàn cầu. Ngày 18/ 3, Trung tâm Hàng không và Vũ trụ Đức (DLR) thông báo rằng họ đang sử dụng một chiếc máy bay Boeing 747 được cải tiến thành đài quan sát thiên văn Hồng ngoại ở tầng bình lưu (SOFIA) để theo dõi sự tối đi của Betelgeuse. Họ dẫn lại phát hiện của đội của Miguel Montargès, và hy vọng rằng nhờ việc đưa SOFIA lên cao, họ sẽ loại bỏ được ít nhiều lượng bức xạ hồng ngoại từ Trái đất và ghi nhận được một sự khác biệt ở bước sóng hồng ngoại từ phía Betelgeuse. Nhưng chỉ một ngày sau, tất cả các chuyến bay của SOFIA đều bị hủy do Covid-19. Ở bán cầu bên kia, vào ngày 20/3, ban điều hành Đài thiên văn phương Nam châu Âu (ESO) tạm hoãn mọi hoạt động khoa học tại các cơ sở của họ ở bán cầu Nam, bao gồm cả thiết bị SPHERE ở Chile. Trong một bài phỏng vấn với tạp chí Science News cuối năm 2020, Miguel Montargès cho biết rằng anh cũng có kế hoạch sử dụng Dãy kính thiên văn lớn bước sóng milimét Atacama (ALMA) để quan sát Betelgeuse vào tháng sáu và tháng bảy, khi bầu trời mùa đông của bán cầu Nam ở điều kiện ổn định nhất. Tuy nhiên, đến tháng chín, ALMA vẫn còn đóng cửa vì Covid-19. Montargès nói: “Khi tôi nhận ra ALMA sẽ không mở cửa vào tháng sáu, tôi đã nghĩ rằng chúng ta sẽ chẳng bao giờ tìm được lời giải đáp. Có lẽ ta sẽ chẳng bao giờ biết chắc được, chỉ vì Covid”.

Hai bức ảnh chụp Betelgeuse của thiết bị SPHERE vào tháng 1 và tháng 12 năm 2019. Trong bức ảnh tháng 12, nửa dưới của ngôi sao đã thay đổi về độ sáng và hình dạng. Nguồn: ESO/M. Montargès et al.

Năm gió bụi

Giữa một đại dịch toàn cầu, những người nghiên cứu Betelgeuse buộc phải xoay sở bằng tất cả những gì có sẵn. Ngày 31/3, ba tuần sau khi Chính phủ Ý bắt đầu lệnh phong tỏa toàn quốc, nhà vật lý thiên văn Costantino Sigismondi công bố thông qua dịch vụ The Astronomer’s Telegram những quan sát bằng mắt thường của riêng mình từ thủ đô Roma. Ông nhận thấy độ sáng của Betelgeuse đang tăng lên một cách nhanh chóng: tối ngày 23, Betelgeuse mới chỉ sáng hơn sao Pollux (cấp sao biểu kiến +1.08), song đến tối ngày 31 đã đạt tới +0.93. 

Ở bờ bên kia Đại Tây Dương, nhà vật lý thiên văn Andrea Dupree đưa ra một lời giải thích mới dựa trên dữ liệu quan sát Betelgeuse bằng kính viễn vọng không gian Hubble từ năm 2019. Bản thân Dupree là một người rất quan tâm tới Betelgeuse: vào năm 1995, chính nhóm nghiên cứu của bà đã chụp bức ảnh trực tiếp đầu tiên của ngôi sao này. Tháng 8/2020, Dupree và cộng sự báo cáo rằng từ tháng 9 đến tháng 11 năm 2019, kính Hubble đã ghi nhận được một lượng vật chất nóng và dày đặc từ bề mặt Betelgeuse bay xuyên qua bầu khí quyển của ngôi sao. Theo họ, có lẽ lượng vật chất này chỉ là một trong những “quả bong bóng” plasma nóng thường thấy ở một ngôi sao có hoạt động dữ dội như Betelgeuse, song lần này quả bong bóng ấy lớn quá, tới mức nó thoát được khỏi bầu khí quyển ngôi sao. Tương tự như một xô nước nóng bị hắt ra ngoài trời lạnh, khi quả bong bóng gặp phải chân không, nó lập tức lạnh đi và trở thành một đám bụi che phủ một phần của Betelgeuse, gây ra cái “hình dạng khác” mà đội của Montargès chụp được. Bởi đám bụi này hình thành bên ngoài ngôi sao, nó vừa giải thích được sự giảm độ sáng có tính tạm thời, vừa khớp với kết luận của Levesque và Massey rằng sự giảm nhiệt độ của Betelgeuse còn quá nhỏ để quy cho một thay đổi ở bản thân ngôi sao. 

Lời giải thích của Dupree và cộng sự nhanh chóng được đăng lên trang chính thức của NASA. Tuy nhiên, nhiều mâu thuẫn vẫn cần được giải quyết. Một tháng trước đó, nhóm của Thavisha Dharmawardena vừa xuất bản một phân tích dữ liệu quan sát Betelgeuse ở bước sóng dưới milimét (submilimeter). Nếu Betelgeuse bị bụi che phủ, đám bụi đã phải hấp thụ và phản chiếu ánh sáng ở bước sóng này, khiến ngôi sao sáng hơn bình thường khi được quan sát. Song, Dharmawardena và cộng sự lại thấy Betelgeuse tối hơn mức bình thường ở bước sóng nói trên. Khi một nhóm nghiên cứu khác phân tích dữ liệu mà SOFIA thu thập được ngay trước khi bị cấm cất cánh, họ cũng chẳng tìm thấy dấu hiệu của đám bụi ở bước sóng hồng ngoại. Cụ thể hơn, SOFIA quan sát dòng chảy vật chất quanh sao (circumstellar flow) ở Betelgeuse, và nếu đúng là một quả bong bóng plasma lớn bất thường đã đâm qua bầu khí quyển ngôi sao, nó cũng đã phải làm dòng chảy này nóng lên, khiến bức xạ hồng ngoại ở đây tăng đột ngột. Song, lượng bức xạ hồng ngoại mà SOFIA đo được chẳng chênh lệch nhiều so với mức thường thấy. Làm cách nào mà một quả bong bóng nóng thoát khỏi bầu khí quyển Betelgeuse nhưng không làm tăng lượng bức xạ hồng ngoại của dòng chảy vật chất quanh sao, rồi khi quả bong bóng này hóa thành bụi, đám bụi đó cũng không làm ngôi sao sáng hơn ở bước sóng milimét?

Theo Edward Guinan – người đã quan tâm tới sao Betelgeuse lâu không kém Andrea Dupree, giả thuyết của Dupree có lý nhưng vẫn chưa đủ. Thật vậy, những mâu thuẫn giữa ý tưởng của Dupree và các kết quả đo đạc ở các bước sóng khác nhau là những mâu thuẫn nghiêm trọng và cần được giải quyết. Song, do đại dịch Covid-19, hầu như mọi đài quan sát trên thế giới đã bị đóng cửa để đảm bảo an toàn cho các nhà thiên văn học và đội ngũ nhân viên. Với tốc độ tăng độ sáng như Costantino Sigismondi đã ghi nhận, khi những đài quan sát đầu tiên được mở cửa trở lại vào mùa hè và mùa thu năm 2020, Betelgeuse đã trở về độ sáng thông thường, trước khi bắt đầu gia nhập bầu trời ban ngày và không thể quan sát được từ mặt đất nữa. Nếu những dữ liệu và giả thuyết ở thời điểm hiện tại là tất cả những gì chúng ta có, dường như sự tối đi của Betelgeuse vào những tháng đầu năm 2020 sẽ vẫn đang chờ một lời giải đáp khác.□
—
Dharmawardena, T.E. et al (2020), “Betelgeuse fainter in the submillimeter too: An analysis of JCMT and APEX monitoring during the recent optical minimum”, The Astrophysical Journal Letters 897 (1).
Dolan, M.M., Mathews, G.J., Lam, D.D., Lan, N.Q., Herczeg, G.J. and Dearborn, D.S. (2016), “Evolutionary tracks for Betelgeuse”, The Astrophysical Journal 819 (1).
Dupree, A.K. et al (2020), “Spatially Resolved Ultraviolet Spectroscopy of the Great Dimming of Betelgeuse”, The Astrophysical Journal 899 (1).
ESO (2020), ESO Telescope Sees Surface of Dim Betelgeuse. https://www.eso.org/public/usa/news/eso2003/
Harper, G.M. et al (2020), “SOFIA-EXES Observations of Betelgeuse during the Great Dimming of 2019/2020”, The Astrophysical Journal Letters 893 (1).
Levesque, E.M. and Massey, P. (2020), “Betelgeuse Just Is Not That Cool: Effective Temperature Alone Cannot Explain the Recent Dimming of Betelgeuse”, The Astrophysical Journal Letters 891 (2).
Sigismondi, C. (2020), “Fall and raise of Betelgeuse in 2020”, Gerbertus 13, pp. 45-50.