Nốt nhạc lệch trong bản trường ca bụi vũ trụ

Cát bụi lại trở về với cát bụi.
Luân hồi sinh diệt rồi lại sinh.
Đến từ đâu, hãy về nơi ấy.
Cứ hỗn độn rồi lại thái bình.

Từ Đông sang Tây, mỗi tôn giáo hay triết học đều có những góc nhìn riêng về sự vận hành của vạn vật, dù là con người, xã hội hay cả vũ trụ bao la. Dưới góc nhìn đó, không có gì sinh ra từ hư vô, cũng không có gì mất đi vĩnh viễn, mà tất cả chỉ đang chuyển hóa trong một chu trình nối tiếp.

Con người và sự sống nói chung sinh ra từ Trái Đất. Mà Trái Đất cùng hệ Mặt Trời lại được nhào nặn từ tro tàn của những vì sao đã qua đời trước đó. Lõi của những ngôi sao chết hất văng vật chất vào không gian, cung cấp nguyên liệu để thai nghén nên một thế hệ sao và hành tinh tiếp theo. Thật thú vị khi nghĩ rằng từ chiếc cốc thủy tinh ta cầm trên tay cho đến dòng nước mát bên trong, tất cả đều mang cội nguồn xa xôi từ những hạt bụi và phân tử từng lang thang giữa các vì sao hàng tỷ năm về trước.

Thế nhưng, trước khi nhân loại hiểu được kịch bản luân hồi kỳ diệu này, từng có một nghi án bí ẩn kéo dài suốt nhiều thế kỷ trên bầu trời đêm.

"Hố tối" của vũ trụ

Số là, vào cuối thế kỷ 18, khi nhà thiên văn học tài ba William Herschel hướng kính thiên văn vào dải Ngân Hà, ông đã kinh ngạc khi phát hiện ra giữa đại dương lấp lánh của vô vàn tinh tú, đột nhiên xuất hiện một vùng đen ngòm, sâu hun hút và hoàn toàn trống rỗng - tựa như ai đó đã dùng chiếc tẩy khổng lồ xóa sạch mọi ngôi sao ở vùng trời đó.

Herschel đã phải thốt lên: "Hier ist wahrhaftig ein Loch im Himmel!" (Nơi đây thực sự có một cái hố trên bầu trời!) [1].

Vũ trụ bị thủng ư? Hay tồn tại những "vùng đất chết" nơi không vì sao nào có thể mọc lên? Suốt hơn một thế kỷ sau đó, giới thiên văn vẫn ngộ nhận những "hố tối" ấy là khoảng hư vô rỗng tuếch [2].

Phải chờ đến đầu thế kỷ 20, nhờ kỹ thuật chụp ảnh thiên văn tiên tiến, nhà thiên văn học Edward Barnard mới tạo ra một cú xoay chuyển lịch sử. Ông chứng minh được rằng thứ đang đánh lừa thị giác của cả nhân loại suốt hàng trăm năm qua không phải là các khoảng trống rỗng, mà lại là một cấu trúc cực kỳ đặc quánh. Đó chính là bụi! [3] Những đám mây khổng lồ của bụi và khí nằm lơ lửng trong không gian đã chặn đứng và nuốt chửng toàn bộ ánh sáng từ các ngôi sao phía sau.

Bụi từng bị coi là "kẻ phá bĩnh" làm mờ mắt các nhà thiên văn, nhưng khi công nghệ quang phổ ra đời, thay vì bực bội, người ta bắt đầu đo xem lớp bụi này đã nuốt mất những dải màu ánh sáng nào. Chúng trở thành sứ giả mang theo thông tin về nhiệt độ, độ đậm đặc và cả thành phần hóa học của những vùng không gian xa xăm[3].

Phút cuối đời của một ngôi sao

Vậy bụi vũ trụ từ đâu ra? Trên Trái Đất, bụi là vô số hạt nhỏ từ đất cát, lông chó mèo, tơ vải hay phấn hoa bốc lên theo gió. Còn ở ngoài không gian bao la, bụi chính là tàn tích từ các ngôi sao già chết đi.

Khi đi đến cuối đời, một ngôi sao sẽ phồng to ra. Bụi được sinh ra từ các lớp khí lạnh dần bên ngoài rồi bị thổi tung vào vũ trụ qua những làn gió sao (stellar wind) mạnh mẽ, hay từ các cú nổ siêu tân tinh (supernova) dữ dội.

Sau khi bị hất văng vào hư không, bụi sao không chỉ trôi dạt vô định. Chúng bắt đầu một hành trình hội tụ dài hàng tỷ năm, từ hỗn độn đến trật tự để chuẩn bị cho một chu trình tái sinh mới.

Ban đầu, bụi và khí phân tán trên một không gian mênh mông, tạo thành những đám mây khuếch tán. Giống như một màn sương mỏng manh trôi lơ lửng giữa các vì sao, vùng mây này rất loãng. Ánh sáng gay gắt từ các ngôi sao lân cận dễ dàng xuyên qua đám mây, xé rách các liên kết hóa học vừa mới nhen nhóm, khiến vật chất ở đây chỉ có thể tồn tại dưới dạng những nguyên tử đơn lẻ. Đây có thể coi là "trạm dừng chân" đầu tiên của bụi sau khi thoát khỏi cái chết của sao mẹ.

Nhưng vũ trụ không bao giờ ngừng chuyển động. Những cơn gió không gian và lực hấp dẫn âm thầm gom góp, nén những màn sương loãng ấy lại gần nhau hơn. Khi tích tụ đủ dày, khối bụi tự trở thành một tấm lá chắn để bảo vệ chính nó khỏi các tác động bên ngoài

Lớp bụi dày phía ngoài chắn sạch những tia sáng độc hại, tạo ra một mái nhà an toàn, tối đen và lạnh giá ở bên trong. Giữa không gian trú ẩn bình yên đó, các nguyên tử bắt đầu tìm thấy nhau, nắm lấy nhau để kết hợp thành các phân tử phức tạp. Màn sương loãng ban đầu chính thức biến thành những đám mây phân tử đậm đặc và đen ngòm - chính là những hố tối bí ẩn từng làm đau đầu các nhà thiên văn suốt hàng trăm năm.

Tại trái tim tối đen và lạnh lẽo của những đám mây phân tử ấy, lực hấp dẫn tiếp tục gom dồn vật chất đến mức giới hạn. Khi chiếc tổ bụi khí sụp đổ dưới chính trọng lực của mình, nhiệt độ tăng vọt, khởi sinh ra những phôi sao đầu tiên. Các ngôi sao sơ sinh cất tiếng khóc chào đời, kéo theo chiếc đĩa bụi còn sót lại xoay tròn xung quanh để nhào nặn nên những thế giới mới. Từ một hố tối câm nín, nơi đây vụt biến thành một tinh vân phát xạ tráng lệ. Vòng luân hồi của vũ trụ lại bắt đầu một nhịp quay mới, ngay từ chính những hạt bụi từng trôi dạt vô danh.

Và chính trên hành trình giải mã bụi bặm, khoa học lại vấp phải một nghịch lý mới - một câu đố gặm nhấm suốt gần 5 năm làm nghiên cứu của chúng tôi, trước khi tìm được câu trả lời trọn vẹn trên Tạp chí Thiên văn học MNRAS [6].

"Gờ" hấp thụ

Khi phân tích dải quang phổ hồng ngoại chiếu qua những đám mây phân tử - nơi chứa tàn dư bụi từ các ngôi sao đã chết, giới thiên văn đã nhận ra dấu vết đặc trưng của silicate (SiO3 và SiO4), các loại khoáng vật tạo nên đá, cát, đất sét hay gốm sứ và thủy tinh quen thuộc trên Trái Đất.

Các nghiên cứu kinh điển, tiêu biểu như của Kemper và các cộng sự (2004), đều đi đến một kết luận rằng toàn bộ silicate trong môi trường giữa các vì sao đều tồn tại ở dạng vô định hình, hoàn toàn thiếu đi cấu trúc tinh thể trật tự [4]. Về mặt cấu trúc, chất vô định hình giống như một đống gạch ngổn ngang, trong khi tinh thể lại liên kết chặt chẽ và trật tự như một bức tường được xây hoàn chỉnh.

Sở dĩ Kemper đi đến kết luận trên là vì 'dấu vân tay ánh sáng' của bụi vũ trụ - tức các đỉnh hấp thụ ở bước sóng hồng ngoại 10 μm - trùng khớp hoàn toàn với biểu đồ hấp thụ của silicate vô định hình trong phòng thí nghiệm.[5]

Tuy vậy, điều khó hiểu là ngay khi các ngôi sao chết đi, bụi silicate xung quanh chúng vẫn có tỷ lệ tinh thể rất cao, nhưng sau khi lang thang trong không gian và tập hợp lại trong các đám mây phân tử, chúng lại hoàn toàn biến thành vô định hình. Cơ chế nào đã gây ra hiện tượng kỳ quặc như vậy?

Để tìm câu trả lời cho điều này, các nhà khoa học đã làm nhiều thí nghiệm, chạy mô phỏng và tính toán lý thuyết. Theo nhận thức chung thì môi trường không gian giữa các vì sao rất lạnh, nhiệt độ xuống tới -270 độ C và cực loãng. Vì thế, các hạt bụi chịu tác động từ rất nhiều tác nhân: bị nhiệt độ khắc nghiệt cày xới liên tục, bị sóng xung kích từ các vụ nổ siêu tân tinh sàng lọc và các tia vũ trụ năng lượng cực cao bắn phá không ngừng.

Theo các tính toán và mô hình hiện đại, chỉ cần từ 10-70 triệu năm là bụi silicate hoàn toàn có thể bị các tác nhân vũ trụ phá hủy cấu trúc tinh thể. Trong khi đó, bụi phải trải qua cả tỷ năm du hành từ khi rời ngôi sao chết đến lúc tham gia hình thành sao mới; cho nên gần như không có cơ hội nào cho tinh thể silicate tồn tại trong môi trường giữa các vì sao.

Ở chiều ngược lại, để chuyển từ dạng vô định hình sang tinh thể, bụi cần môi trường có nhiệt độ trên 700°C và mật độ bụi đủ cao - những điều kiện không thể có trong các đám mây phân tử loãng và lạnh. Các mô hình lý thuyết và thí nghiệm đã khớp hoàn hảo với quan sát này, khiến giới thiên văn xem đây là câu chuyện đã có hồi kết.

Tuy nhiên, có một chi tiết khá kỳ lạ mà suốt nhiều năm ít ai để ý, ngay trong vùng hấp thụ bước sóng hồng ngoại có một "gờ" hấp thụ rất nông, ở bước sóng 11,1 μm, mờ nhạt đến mức phần lớn giới quan sát thường bỏ qua, hoặc vội vã gán cho các hợp chất khác có dạng tinh thể, ví dụ như hydrocacbon thơm đa vòng (PAH), tinh thể băng hay Silicon Carbide (SiC).

Khi tiến hành đo đạc hơn 100 quang phổ hấp thụ của các đám mây phân tử trong dải Ngân Hà, cùng với lớp vỏ của các ngôi sao sơ sinh vừa mới chập chững hình thành và so sánh cường độ giữa các dải bước sóng khác nhau, nhóm chúng tôi phát hiện một điều kinh ngạc, rằng "gờ" này là một hằng số không đổi với bụi silicate ở bất kỳ vùng không gian giữa các vì sao nào được nghiên cứu. Và ở lớp vỏ của các ngôi sao mới hình thành, gờ này sâu hơn đáng kể. [6]

Thật kỳ lạ. Nếu "gờ" hấp thụ này đến từ PAH hay các tạp chất ngẫu nhiên, tỷ lệ của nó không thể lúc nào cũng "khóa chặt" một cách hoàn hảo với bụi silicate vô định hình trên khắp vũ trụ như vậy. Thêm vào đó, dạng phổ tín hiệu của những tạp chất ấy hoàn toàn mâu thuẫn với dữ liệu thực tế. Điều này khẳng định dấu vết mờ nhạt kia phải xuất phát từ chính bản thân hạt bụi silicate. Tức là, thực sự tồn tại một tỷ lệ silicate tinh thể – dù rất nhỏ – phân bố đồng nhất khắp Dải Ngân Hà.

Nhóm chúng tôi xác định tỷ lệ này trong không gian giữa các vì sao đạt trung bình khoảng 1,5% với biên độ sai số rất nhỏ. Trong khi đó, ở lớp vỏ các ngôi sao sơ sinh, con số này lại cao hơn hẳn – một dấu hiệu cho thấy silicate tinh thể tiếp tục được "sản xuất" thêm ngay trong giai đoạn tiến hóa sơ khai này. [6]

Cú lật ngược vấn đề này đặt ra một dấu hỏi lớn "Điều gì đã thực sự xảy ra?". Chúng tôi cho rằng có hai khả năng.

Khả năng thứ nhất là các hạt bụi không bị phá hủy hoàn toàn nên vẫn còn sót lại một lượng tinh thể nhỏ. Tình huống này đòi hỏi chúng ta phải tính toán lại khoảng thời gian cần thiết để tia vũ trụ phá hủy hoàn toàn bụi sao - dài hơn con số hàng chục triệu năm mà ta vẫn tưởng, và như thế, các mô hình về môi trường giữa các vì sao, bao gồm các tác nhân như nhiệt độ, nồng độ bụi hay mật độ tia vũ trụ sẽ rất khác so với hiện nay. Hoặc phải tồn tại một lớp bảo vệ nào đó bao phủ bên ngoài để che chở cho hạt bụi khỏi bị bắn phá.

Khả năng thứ hai là nếu các tính toán và mô hình hiện tại là đúng thì phải tồn tại một cơ chế hóa-lý đặc biệt nào đó chưa từng được biết đến, cho phép tinh thể tự tái thiết từ các hạt vô định hình ngay trong môi trường loãng và lạnh giá.

Dù kịch bản nào xảy ra, các mô hình lý thuyết và thực nghiệm hiện tại về bụi vũ trụ cũng cần phải được xem xét và chỉnh sửa lại để phản ánh đúng tự nhiên.

Rõ ràng, sự tồn tại của một "gờ" hấp thụ ở bước sóng 11,1 μm không chỉ nói với chúng ta rằng bức tranh về vũ trụ mà nhân loại biết suốt hai thập niên qua vẫn còn khuyết mất một mảnh ghép quan trọng, mà còn mở ra một cửa sổ cơ hội mới cho khoa học: Nương theo dải quang phổ mờ nhạt này, ta có thể hồi truy lại lịch sử tiến hóa, quá trình bị tàn phá và tái tạo của vật chất từ lúc ngôi sao chết đi cho đến khi một hệ mặt trời mới chuẩn bị khai sinh.

Cát bụi hình thành nên các vì sao, các hành tinh, và có thể là cả sự sống, trước khi lại trở về với cát bụi. Rồi vòng lặp ấy cứ luân hồi hàng tỷ năm nay. Nhưng trước khi trở về, các hạt bụi vũ trụ đã kịp khắc gửi vào dải quang phổ vũ trụ một bản trường ca âm thầm về những lần sinh và diệt, "hỗn độn và hài hòa", như tên cuốn sách mà GS Trịnh Xuân Thuận từng viết. Nhiệm vụ của những nhà vật lý thiên văn như chúng tôi là kiên nhẫn đọc ra từng nốt nhạc bị lệch nhịp trong tổng phổ mênh mông ấy.

---

Tài liệu tham khảo:

[1]. Lubbock, C. A. (Biên soạn, 1933). The Herschel Chronicle: The Life-Story of William Herschel and His Sister Caroline. Cambridge University Press. [Ghi lại nhật ký quan sát đêm 23/05/1784 và câu nói nổi tiếng của W. Herschel: "Hier ist wahrhaftig ein Loch im Himmel!"].

[2]. Herschel, W. (1785). "On the Construction of the Heavens." Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 75, 213–266. [Ghi nhận phát hiện đầu tiên về các "hố tối" trên bầu trời].

[3]. Barnard, E. E. (1919). "On the Dark Markings of the Sky, with a Catalogue of 182 such Objects." The Astrophysical Journal, 49, 1–14. [Công trình chứng minh bản chất của hố tối là các đám mây bụi che khuất].

[4]. Kemper, F., Vriend, W. J., & Tielens, A. G. G. M. (2004). "The Degree of Crystallinity of the Interstellar Silicate Dust." The Astrophysical Journal, 609(2), 826–837. [Nghiên cứu bản đệm đặt giới hạn mức độ tinh thể hóa của bụi silicate giữa các vì sao dưới 1.1%, nhưng coi đó chỉ là nhiễu đo đạc, từ đó khẳng định silicate giữa các vì sao hoàn toàn tồn tại ở dạng vô định hình]

[5]. Molster, F. J., & Kemper, F. (2005). "Crystalline Silicates in Space." Space Science Reviews, 119(1-4), 3–28. [Tổng quan nghiên cứu về cấu trúc mạng nguyên tử và chữ ký quang phổ hồng ngoại của silicate tinh thể so với vô định hình trong môi trường liên sao].

[6] Tho Do-Duy, T., Wright, C. M., Fujiyoshi, T., Glasse, A., Siebenmorgen, R., Smith, R., Stecklum, B., & Sterzik, M. (2020). "Mid-infrared spectropolarimetry of the silicate feature in interstellar dust." Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 493(3), 4463–4517. https://doi.org/10.1093/mnras/staa396 [Công trình phân tích phổ biến cực hồng ngoại trung, phát hiện dải hấp thụ 11,1 μm, khẳng định sự hiện diện của tinh thể silicate trong môi trường giữa các vì sao.]