Sau vụ nổ Big Bang xảy ra cách đây 13,8 tỷ năm trong vũ trụ chỉ có hydro (hydrogen), heli (helium) và lithium được tạo ra. Tất cả các nguyên tố nặng hơn đều được hình thành nhiều năm sau trong các ngôi sao.

Chúng ta biết rằng tính tới thời điểm hiện tại có 92 nguyên tố (element) có trong tự nhiên và 283 biến thể (variation),  hay còn được gọi là chất đồng vị (isotope).

Nhưng các nguyên tố nào đã được tạo ra đầu tiên?

Một nghiên cứu quốc tế mới do Giáo sư Alexander Heger, từ Khoa Vật lý và Thiên văn của Đại học Monash University (Úc) đồng dẫn đầu, được công bố trên tạp chíkhoa học Nature hôm 26-10-2022 cho thấy rằng canxi (calcium) có thể là nguyên tố nặng nhất (heaviest element) được tạo ra trong các ngôi sao đầu tiên.

Bức ảnh chụp lại quá trình ngọn núi Cận Bình (Jinping Mountain) che chắn phòng thí nghiệm JUNA khỏi bức xạ vũ trụ. Superimposed là một quả cầu lửa cách điệu của một vụ va chạm hạt nhân. Bức ảnh Dải Ngân hà (Milky Way) với những ngôi sao cổ trên bầu trời đêm được chụp bởi Kính thiên văn Không gian James Webb (James Webb Space Telescope). (Nguồn hình ảnh: JianJun He)

Theo Đại học Monash, về mặt lý thuyết, các nghiên cứu trước đây đã nhận diện nguyên tố canxi, nhưng đây mới là nghiên cứu đầu tiên khẳng định việc tạo ra canxi và quá trình hình thành trong những thế hệ ngôi sao khổng lồ đầu tiên. Canxi đầu tiên trong vũ trụ có thể được sinh ra từ từ, trong trái tim đang sôi của những ngôi sao đầu tiên, chứ không phải trong những cơn đau giãy chết khủng khiếp của chúng.

Giáo sư Heger cho biết nghiên cứu này đóng góp đáng kể vào việc nâng cao hiểu biết của cộng đồng về quá trình tiến hóa hóa học của thiên hà.

Giáo sư Heger chia sẻ: “Bản chất của những ngôi sao thế hệ đầu tiên – những ngôi sao lớn nhất và lâu đời nhất vẫn là một câu hỏi mở hấp dẫn nhất trong lĩnh vực vật lý thiên văn (astrophysics). Nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên mô tả cách phần lớn nguyên tố canxi được tạo ra: thông qua sự sôi sục chậm rãi của quá trình đốt cháy hydro thay vì thông qua những vụ nổ siêu tân tinh (supernova).”

Khi quá trình đốt cháy hydro trong lõi ngôi sao hoàn tất, hydro tiếp tục ở trong lớp vỏ trong khi lõi heli trải qua phản ứng nhiệt hạt nhân (nuclear burning phases) để tạo ra những sự thay đổi phong phú.

Hầu hết chất liệu bên dưới lõi heli thường biến mất trong mô hình các ngôi sao có kích thước lớn. Chất liệu bị đẩy ra ngoài sẽ trải qua các phản ứng nhiệt động lực học (thermodynamic reaction) và nhiều phản ứng khác. Quy trình đốt hydro ở vỏ thường nóng hơn, ít đặc hơn và diễn ra nhanh hơn quy trình đốt hydro ở lõi.

Để phân tích phạm vi đầy đủ của những tác động này và tỷ lệ sửa đổi ảnh hưởng đến kết luận, các nhà nghiên cứu đã tiến hành tính toán mô hình đầy đủ cho một ngôi sao khối lượng thành phần nguyên thủy 40 M (40 M star of primordial composition). Họ đã sử dụng giả thuyết KEPLER, một mạng lưới phản ứng hạt nhân thích nghi được ghép nối đầy đủ (fully coupled adaptive nuclear reaction network), để theo dõi chi tiết quá trình tiến hóa và tổng hợp nguyên tử.

Nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu các phản ứng hạt nhân trong phạm vi của chu trình Carbon-nitrogen-oxygen (CNO) nâng cao để hiểu được quá trình tổng hợp nguyên tử của những ngôi sao thế hệ đầu tiên và dựa vào dữ liệu quan sát hầu đưa ra kết luận duy nhất về bản chất của những ngôi sao đó trong vũ trụ sơ khai.

Bên trong ngôi sao chứa ít nguyên tố sắt nhất, SMSS0313-6708, cho thấy một dấu hiệu đáng chú ý của nguyên tố canxi, nhưng không thể phát hiện được nguyên tố sắt, dù đây là nguyên tố thường được tạo ra bởi các siêu tân tinh cùng với canxi. (Đây là một trong những ngôi sao già nhất vẫn đang còn sáng mà con người biết được, có tuổi thọ khoảng 13,6 tỷ năm và nằm cách Trái đất khoảng 6.000 năm ánh sáng).  

Một vùng gồm những ngôi sao và những đám mây khí. (Ảnh: NASA)

Giáo sư Heger nói rằng: “Các chuyên gia vẫn thường cho rằng nguyên tố canxi là hậu duệ trực hệ của những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ, hình thành từ vật chất còn sót lại sau vụ nổ Big Bang. Ngôi sao siêu nghèo kim loại (ultra-metal poor, UMP) này có tuổi thọ rất cao, và những gì chúng ta có thể thấy về thành phần của nó giống như một viên nang thời gian (time capsule) từ thời trước khi các thiên hà đầu tiên hình thành. Phát hiện này là đóng góp tuyệt vời giúp cho quy trình quan sát thú vị sẽ được thực hiện bởi kính thiên văn James Webb trong tương lai gần.”

• Tham khảo: Calcium may have been heaviest element in stars, study finds.

N.L.G.

Nguồn do Đại học Monash cung cấp.