Kỳ 3: Chiếc áo mơ phai của Betelgeuse

Dù sự kiện tối đi của Betelgeuse đầu năm 2020 không phải là dấu hiệu của một vụ nổ siêu tân tinh, các chủ đề như tuổi già và cái chết vẫn tiếp tục nhuốm màu cho những hiểu biết của con người về ngôi sao này. Điều này hoàn toàn dễ hiểu: nếu Betelgeuse vẫn còn nằm đâu đó trên dãy chính của biểu đồ Hertzsprung-Russell, nó sẽ không có màu đỏ cam như bây giờ, và ánh sáng của nó cũng sẽ không biến động bất thường như các nhà quan sát đã ghi nhận hàng trăm năm nay. Ngôi sao Betelgeuse mà con người biết đến là một ngôi sao khổng lồ đã cạn kiệt hydro trong lõi từ lâu, và những đặc tính quan sát được của nó đều liên quan ít nhiều tới sự cạn kiệt hydro này.

Sao Betelgeuse chụp ở bước sóng hồng ngoại. Nguồn: ESO/P. Kervella

Hai lần thắm lại

Khi John Herschel ghi nhận sự biến quang của Betelgeuse ở thế kỉ XIX, các nhà thiên văn học trên thực tế cũng chẳng lấy làm ngạc nhiên. Bỏ qua các quan sát thời cổ đại, những ngôi sao biến quang đầu tiên đã được ghi nhận từ giữa thế kỉ XVII, và một lượng lớn các sao trong số đó được các nhà thiên văn học ở thế kỉ XX xác định là đã cạn kiệt hydro trong lõi và phình to ra hệt như Betelgeuse. Đây không phải là một sự trùng hợp ngẫu nhiên, bởi một khi một ngôi sao đã đốt sạch hydro ở lõi, lớp ngoài cùng của nó sẽ buộc phải phình to ra để làm giảm nhiệt độ ở phần lõi nay đã bắt đầu co lại. Một khi nhiệt độ đã được cân bằng, lớp ngoài cùng lại co lại, để rồi khi lõi bắt đầu nóng lên thì lại phình to ra cho lõi bớt nóng. Sự phình ra rồi co lại liên tục như vậy được gọi là sự xung động sao (stellar pulsation), và nó khiến cho ánh sáng của một ngôi sao cứ tăng rồi giảm rồi tăng trở lại. Sự xung động sao có thể diễn ra trong một khoảng thời gian đoán trước được, gây ra sự biến quang đều đặn. Mặt khác, một ngôi sao cũng có thể có xung động thất thường, khiến sự biến quang cũng thiếu đều đặn theo. 

Tuy nhiên, Betelgeuse đặc biệt ở chỗ ngôi sao này có nhiều chu kì dao động. Biểu đồ độ sáng theo thời gian của Betelgeuse không phải là một đồ thị hình sin lên xuống đều đặn và có biên độ ổn định, mà là một sóng phức hợp (complex wave) có thể được tách thành các sóng sin (sine wave) riêng biệt với các chu kì khác nhau. Tận từ năm 1987, nhà vật lý thiên văn Margarita Karovska đã sử dụng giải tích Fourier (Fourier analysis) để tách biểu đồ độ sáng của Betelgeuse thành một dao động có chu kì một năm, và một dao động khác có chu kì 20 năm. Nhiều thập kỉ sau, một phân tích chính xác hơn của Richard B. Stothers đã kết luận rằng Betelgeuse có ít nhất hai chu kì dao động rõ rệt: một chu kì chính dài xấp xỉ 400 ngày, và một chu kì thứ yếu (secondary period) dài xấp xỉ 2100 ngày. Hai chu kỳ này ảnh hưởng trực tiếp lên nhau: dù chu kì 400 ngày có đẩy độ sáng lên giá trị cao nhất, nhưng ở cùng mốc thời gian đó, chỉ có mình chu kì 400 ngày đạt cực đại còn chu kì 2100 ngày đang hướng tới điểm cực tiểu, cái “giá trị cao nhất” ở trên nghiễm nhiên sẽ bị kéo xuống. 

Ngày nay, nhiều nhà thiên văn học cho rằng chu kì dao động 400 ngày của Betelgeuse là do quá trình xung động thường thấy ở các ngôi sao đã về già, song nguồn gốc của chu kì thứ hai – chu kì dài đến tận 2100 ngày – vẫn là một câu hỏi cần lời giải đáp. Khi Edward Guinan và cộng sự phát hiện ra sự tối đi bất thường của Betelgeuse vào mùa đông năm 2019, họ cũng nhận thấy khoảng thời gian này chính là lúc cả hai chu kì dao động 400 ngày và 2100 ngày cùng đạt cực tiểu, khiến độ tối của ngôi sao bị khuếch đại tới một mức mà chưa ai ghi nhận được. Chính vì thế, một giả thuyết hoàn chỉnh dành cho hiện tượng tối đi của Betelgeuse không được phép chỉ đi tìm nguyên nhân tại sao Betelgeuse lại tối đi từ đầu tháng 12/2019 đến tháng 3/2020, mà buộc phải giải thích được toàn bộ chu kì biến quang dài 2100 ngày của ngôi sao. Có lẽ đây chính là lý do khiến Guinan nhận xét rằng giả thuyết của Andrea Dupree và cộng sự vẫn còn chưa đủ.

Mô phỏng hệ sao đôi Betelgeuse trước và trong khi Betelgeuse xé tan ngôi sao đồng hành của nó. Nguồn: Chatzopoulos và cộng sự (2020)

Ta là Một, là Riêng, là Thứ Nhất

Ngoài sự biến quang không đều đặn, tuổi già của Betelgeuse còn gây ra ở ngôi sao này những hoạt động kỳ lạ làm cản trở các nỗ lực đo đạc của con người. Vào tháng 6/1997, Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) xuất bản Danh mục Hipparcos ghi lại khoảng cách chính xác giữa Trái đất và hơn 118,200 ngôi sao lân cận, nhưng Betelgeuse lại là một trường hợp cá biệt mà các nhà khoa học không tài nào đo được khoảng cách chính xác. Lý do là bởi vì Betelgeuse nằm gần Trái đất, và phép đo khoảng cách hiệu quả nhất cho những ngôi sao nằm gần như thế đòi hỏi việc theo dõi sự thay đổi vị trí của ngôi sao theo thời gian trên một nền trời cố định. Tuy nhiên, những thiết bị đo đạc sự thay đổi vị trí của các ngôi sao khác lại chẳng thể áp dụng được với Betelgeuse. Nếu như ánh sáng của các ngôi sao được phát ra từ lớp vỏ ngoài gọi là quang cầu (photosphere), và quang cầu của Mặt trời mỏng đến nỗi nó tạo thành một đường bao sắc nét quanh Mặt trời khi ta quan sát từ Trái đất, thì ở Betelgeuse, quang cầu khuếch tán rộng ra ngoài, khiến ngôi sao này trông giống một đám mây đỏ mờ ảo hơn là một hình cầu rõ rệt. Thậm chí, mỗi lần một quả bóng plasma hay một đám mây bụi hình thành rồi tan biến trên bề mặt ngôi sao, hình dạng của quang cầu còn bị bóp méo, ngăn cản việc theo dõi chính xác sự dịch chuyển của ngôi sao trên nền trời. Trong Danh mục Hipparcos, khoảng cách của Betelgeuse được đo ở khoảng từ 352 đến 544 năm ánh sáng. Một phép tính toán khác của Harper và cộng sự (2008) lại đưa Betelgeuse ra xa hơn, ở khoảng từ 495 đến 789 năm ánh sáng. Đến năm 2017, đích thân Harper lại công bố thêm một kết quả khác ở khoảng từ 613 đến 880 năm ánh sáng. Nếu sự tăng dần của các con số tưởng chừng như gợi ý ra một xu hướng nào đó thì một nghiên cứu năm 2020 lại dập tắt tất cả: theo Joyce và cộng sự (2020), Betelgeuse chỉ nằm trong khoảng từ 499 đến 636 năm ánh sáng!

Việc khó xác định được khoảng cách chính xác của Betelgeuse cũng gây ra những hệ lụy nghiêm trọng cho việc truy lại nguồn gốc của ngôi sao. Theo các lý thuyết về sự hình thành sao, một ngôi sao không chào đời một cách riêng lẻ, mà được sinh ra cùng rất nhiều ngôi sao khác trong một đám mây khí và bụi, rồi dần dần phá hủy đám mây khí và bụi này để “đường ai nấy đi”. Hàng tỉ năm sau khi những ngôi sao đồng hương rời xa nhau, chúng vẫn sẽ mang các điểm tương đồng về thành phần hóa học, về vận tốc chuyển động, hay về khoảng cách so với Trái đất, và các nhà thiên văn học có thể dùng các điểm tương đồng đó để xác định xem những ngôi sao nào đã chào đời ở cùng một chỗ với nhau. Tuy nhiên, quá trình xác định này không hề đơn giản khi thực hiện với Betelgeuse, vì như chúng ta đã biết, các hoạt động của ngôi sao này ngăn cản các phép đo đạc có độ chính xác cao. Tính đến thời điểm hiện tại, Betelgeuse vẫn được xếp loại là một ngôi sao chạy trốn (runaway star), không rõ quê quán ở đâu, hay họ hàng bao gồm những ngôi sao nào. Một mô hình của Chatzopoulos và cộng sự (2020) gợi ý rằng có thể Betelgeuse đã từng là một hệ sao đôi (binary star system), tức là hai ngôi sao bị ràng buộc với nhau bằng lực hấp dẫn, nhưng ở một thời điểm nào đó trong quá khứ, ngôi sao nhỏ hơn đã đến quá gần Betelgeuse, khiến Betelgeuse nuốt chửng toàn bộ vật chất của nó rồi lớn phổng lên cả về kích thước lẫn tuổi tác. Nếu giả thuyết này đúng, các nhà thiên văn học vẫn cần phải tìm xem hai ngôi sao này được sinh ra ở đâu. Song việc Betelgeuse “ăn thịt” bạn đồng hành của mình cũng sẽ lý giải được phần nào bản chất hỗn loạn của ngôi sao màu đỏ cam đứng trơ trọi ngày nay.

Một phút huy hoàng rồi chợt tối

Như đã đề cập ở Kỳ 1 và Kỳ 2, mô hình tiến hóa sao của Dolan và cộng sự (2016) đã ước tính được rằng Betelgeuse sẽ trở thành một siêu tân tinh trong vòng 100,000 năm nữa. Cụ thể hơn, vào thời điểm hiện tại, lõi của Betelgeuse đang đốt các nguyên tử heli của mình trong chuỗi các phản ứng hạt nhân gọi là quá trình ba-alpha (triple-alpha process), sinh ra sản phẩm cuối cùng là các nguyên tử carbon và đôi khi là cả nguyên tử oxy. Càng nhiều heli bị đốt, càng nhiều carbon và oxy được sinh ra trong lõi, buộc quá trình ba-alpha phải di chuyển dần dần ra ngoài, trong khi phần lõi dần trở thành một cái lõi trơ (inert core) bởi vì ngôi sao vẫn chưa đạt tới mức nhiệt cần thiết để bắt đầu tổng hợp lượng cacbon và oxy nói trên. Sớm muộn, Betelgeuse cũng sẽ cạn kiệt heli, và khi đó, nhiệt độ ở lõi của ngôi sao này sẽ đủ cao để bắt đầu tổng hợp các nguyên tử carbon, rồi hết carbon thì đến oxy và cuối cùng là silicon. Trong suốt các quá trình tổng hợp nguyên tử như vậy, ngôi sao sẽ càng ngày càng sáng hơn, cho tới khi lõi của nó chỉ còn toàn các nguyên tử sắt không tổng hợp theo cách thông thường được. Trọng lực sẽ thắng thế và làm sụp lõi, sản sinh ra một lượng năng lượng khổng lồ thổi bay tất cả vật chất của ngôi sao trong một vụ nổ siêu tân tinh loại II. 

Mô phỏng vụ nổ siêu tân tinh của Betelgeuse bên cạnh các ngôi sao khác trong chòm sao Lạp Hộ (Orion). Nguồn: HeNRyKus/Wikimedia Commons; Celestia.

Khi Betelgeuse phát nổ, nó sẽ tạo ra siêu tân tinh gần Trái đất nhất trong suốt lịch sử quan sát của nhân loại, với cấp sao biểu kiến trung bình là -12.4, sáng ngang ngửa với trăng rằm. Siêu tân tinh SN 1054, thứ mà theo Tống sử đã làm các vật đổ bóng trên mặt đất, cũng sẽ chẳng là gì so với siêu tân tinh đánh dấu cái chết của Betelgeuse. Một vụ nổ kinh hoàng như vậy sẽ sinh ra một lượng tia X và tia gamma khổng lồ đe dọa tới các thiên thể xung quanh, song Dolan và cộng sự tính toán được rằng các tia này sẽ không gây hại gì cho hành tinh của chúng ta, vì chúng không đủ mạnh để đâm xuyên qua bầu khí quyển. Ngay cả cơn sóng xung kích (shock wave) mà siêu tân tinh của Betelgeuse gây ra cũng sẽ không có khả năng tác động trực tiếp tới Trái đất, và càng không thể tưới vật chất của ngôi sao đã chết lên bầu khí quyển của hành tinh chúng ta. Nói theo cách khác, sao Betelgeuse sẽ ra đi trong một ánh sáng huy hoàng mà chớp nhoáng, và chúng ta đủ gần để quan sát được toàn bộ cái chết của nó, nhưng vẫn còn quá xa và được bảo vệ quá tốt để bị cái chết ấy ảnh hưởng trực tiếp. 

Vậy rốt cuộc ngôi sao này sẽ để lại được những gì sau khi chết? Ở vị trí hiện tại của ngôi sao, Dolan và cộng sự cho rằng tất cả những gì còn lại sẽ là cái lõi đã sụp thành sao neutron (neutron star) nặng gấp 1.5 lần khối lượng Mặt trời. Còn về những thứ bay đi, ước tính một lượng năng lượng lên đến 2 x 1046 joule sẽ được giải phóng dưới dạng các hạt neutrino bay tứ tung ra xung quanh, thắp sáng tất cả các máy dò neutrino mà con người đã xây dựng được vào thời điểm đó. Những nguyên tử được ngôi sao tổng hợp trước và trong khi chết cũng sẽ được giải phóng ra ngoài, và có thể một số đám mây bụi lân cận sẽ được thừa hưởng một lượng lớn các kim loại của Betelgeuse, khiến cho những ngôi sao sau này chui ra từ các đám mây đó có thành phần hóa học riêng biệt. Có thể người Kokatha 100,000 năm nữa sẽ chỉ thấy gã Nyeeruna đê tiện mất phép thuật lửa trong tay, có thể người Việt Nam 100,000 năm nữa sẽ chỉ thấy thửa ruộng xung quanh sao Cày thiếu hụt mất một góc, nhưng đâu đó trong vũ trụ, dấu ấn của Betelgeuse vẫn sẽ còn đó, không ít thì nhiều, không phải là các hạt thấm nhuần vào da thịt những ngôi sao mới sinh thì sẽ là những hạt bay mãi mãi trong khoảng không vô tận.□
—
Chatzopoulos, E., Frank, J., Marcello, D.C. and Clayton, G.C. (2020), “Is Betelgeuse the Outcome of a Past Merger?”, The Astrophysical Journal 896 (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).
Joyce, M. et al (2020), “Standing on the shoulders of giants: New mass and distance estimates for Betelgeuse through combined evolutionary, asteroseismic, and hydrodynamical simulations with MESA”, The Astrophysical Journal 902 (1).
Karovska, M. (1987), “Multiperiodicity in the light curve of Alpha Orionis”, in Stellar Pulsation: Proceedings of a Conference Held as a Memorial to John P. Cox at the Los Alamos National Laboratory Los Alamos, New Mexico, USA, August 11–15, 1986, Springer, pp. 260-263.
Harper, G.M., Brown, A. and Guinan, E.F. (2008), “A new VLA-Hipparcos distance to Betelgeuse and its implications”, The Astronomical Journal 135 (4).
Harper, G.M., Brown, A., Guinan, E.F., O’Gorman, E., Richards, A.M.S., Kervella, P. and Decin, L. (2017), “An updated 2017 astrometric solution for Betelgeuse”, The Astronomical Journal 154 (1).
Stothers, R.B. (2010), “Giant Convection Cell Turnover as an Explanation of the Long Secondary Periods in Semiregular Red Variable Stars”, The Astrophysical Journal 725 (1).