Tìm dấu vết ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ

Ánh sáng từ một chuẩn tinh chiếu xuyên qua đám mây đã giúp các nhà thiên văn học tìm hiểu thành phần của khí cấu thành nó. Họ phát hiện đám mây cổ này có tỷ lệ rất nhỏ các nguyên tố nặng, dấu tích còn vương lại của những ngôi sao thế hệ đầu.

Để kết luận đám mây này mang dấu tích của ngôi sao cổ, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kính thiên văn siêu lớn tại đài quan sát phía nam của châu Âu, đặt tại Chile để tìm hiểu về một đám khí gas cổ, xuất hiện khoảng 1,8 tỉ năm sau vụ nổ Big Bang - vụ nổ mà từ đó vũ trụ được hình thành khoảng 13,8 tỉ năm trước.

“Chúng tôi quan tâm tới các vì sao đầu tiên trong vũ trụ bởi nó liên quan tới nguồn không khí mà chúng ta đang hít thở hằng ngày. Thời vũ trụ còn sơ khai, chúng ta không có những nguyên tố nặng như ôxy tồn tại” - đồng tác giả nghiên cứu về nguồn gốc các ngôi sao đầu tiên - John O’Meara, Đại học Công nghệ Swinburne, Australia - cho hay.

Những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ thường có tuổi đời vô cùng ngắn. Do vậy để xác định thành phần của chúng, các nhà khoa học buộc phải nghiên cứu thành phần cấu thành của những ngôi sao thế hệ sau.

Các nghiên cứu trước đây về những ngôi sao cổ cho thấy chúng thường có kích thước rất lớn - ít nhất là gấp 8 lần Mặt trời, được tạo thành từ khí hidro và heli và quay quanh trục với tốc độ rất cao, không có nguyên tố nặng trong lõi. Trong khi đó, đám mây khí này lại chứa một lượng rất nhỏ nguyên tố nặng.

“Có thể nói, lịch sử hình thành vũ trụ chính là lịch sử hình thành của những nguyên tố nặng theo thời gian” - O’Meara nói.

Những ngôi sao mà chúng ta thấy có vòng đời khá khác biệt. Với sao cỡ lớn, các thành phần nặng đều bị nóng chảy ở lõi cho tới khi nó chạm tới phần sắt. Các hạt nhân của ngôi sao được bao bọc chặt chẽ tới mức nó hầu như chỉ tiêu tốn năng lượng thay vì giải phóng ra như các thành tố khác. Khi càng nhiều sắt được tạo ra, lõi của ngôi sao càng phình to tới mức nổ tung. Những vụ nổ siêu tân tinh này thường tạo năng lượng rất khủng khiếp, khiến các nguyên tố cấu thành ngôi sao bị văng ra ngoài - nơi chúng cuối cùng cũng tạo ra những ngôi sao mới hoặc thiên thể mới.

Trước kia, nhiều giả thuyết cho rằng những ngôi sao đầu tiên phát nổ theo cách tương tự, nhưng các nhà khoa học khẳng định chúng không theo quy luật đó. Vụ nổ của các ngôi sao nguyên thuỷ giải phóng nguồn năng lượng khá thấp. Trong khi các nguyên tố nhẹ hơn bị văng ra và có thể tạo thành một ngôi sao mới, các nguyên tố nặng hơn như sắt lại bị hố đen hút vào để hình thành siêu tân tinh.

Sao cổ càng lớn càng nhanh đốt cháy vật liệu cấu thành nó. Đây là nguyên nhân khiến nhiều nhà khoa học nhất trí rằng những ngôi sao cổ lớn đã không còn đến ngày nay. Theo nhà thiên văn học Wako Aoki - Đài thiên văn vũ trụ quốc gia Nhật Bản, những ngôi sao cổ nhỏ hơn có thể được tìm thấy.

Tuy nhiên, nhà khoa học Volker Bromm - Đại học Texas (Mỹ) - cho rằng, việc tìm thấy những ngôi sao cổ nhỏ này khá khó khăn bởi bức xạ của chúng có thể đã chuyển thành những tia hồng ngoại có bước sóng ngắn, đòi hỏi phải có thiết bị dò tìm ngoài không gian cực nhạy.

Bên cạnh đó, ánh sáng từ một chuẩn tinh đơn lẻ có thể xuyên qua rất nhiều đám mây. Theo nhà thiên văn học O’Meara, chính điều này đã khiến quá trình phân biệt các nguyên tố nặng trong đám mây trở nên khó khăn do tín hiệu bị chồng chéo.

Để khắc phục điều này, NASA đã quyết định đưa vào hoạt động kính thiên văn vũ trụ James Webb, trị giá khoảng 8,8 tỉ USD vào năm 2018. “Hoạt động của kính sẽ không chỉ bó hẹp vào các thiên tinh mà còn sử dụng các dải ngân hà làm nguồn sáng nền để tìm kiếm hàng trăm nghìn, thậm chí là hàng chục triệu vật thể” - O’Meara cho hay.

Để tìm kiếm những ngôi sao lớn, các nhà khoa học phải lần ngược về vùng vũ trụ cách xa Trái đất. Chẳng hạn, muốn quan sát một ngôi sao 13 tỉ năm tuổi họ phải vươn tới được khoảng cách 13 tỉ năm ánh sáng, điều đó đòi hỏi một kính thiên văn vô cùng nhạy và lớn - giống như những kính thiên văn sắp được trình làng là Thirty-Meter Telescope và Giant Magellan Telescope.

Để tìm được những ngôi sao mới, kính thiên văn James Webb phải có khả năng tìm các siêu tân tinh đang vào giai đoạn cuối của chu kỳ sống.

Việc tìm kiếm các vật chất trong các ngôi sao này sẽ vô cùng khó khăn. Do ít chứa kim loại nặng, các sao siêu lớn này thường có siêu tân tinh khác với sao hiện nay. Chúng cũng trải qua những vụ nổ siêu tân tinh điển hình, tạo ra nhiều lỗ đen, có thể là mầm mống của những hố đen siêu lớn ở trung tâm các dải ngân hà.