Những ngôi sao lùn trắng đói khát: Giải quyết câu đố về nhiễm kim loại sao

Chúng phổ biến trong thiên hà của chúng ta, với 97% các ngôi sao là sao lùn trắng. Vì các ngôi sao chạm đến cuối vòng đời của mình, lõi của chúng suy sụp thành một quả bóng đậm đặc của sao lùn trắng, khiến cho thiên hà của chúng ta giống như một nghĩa địa vũ trụ.

Bất chấp sự phổ biến của mình, hóa chất tạo thành các tàn tích sao là một câu hỏi hắc búa với các nhà thiên văn học trong nhiều năm. Sự hiện diện của các nguyên tố kim loại nặng – như silicon, magnesium, và calcium – trên bề mặt của nhiều vật thể compact là một gợi mở khám phá thách thức những kỳ vọng của chúng ta về hành xử của sao.

“Chúng ta biết là nếu các nguyên tố nặng hiện diện trên bề mặt của sao lùn trắng thì sao lùn trắng sẽ trở nên đậm đặc đủ để cho các kim loại nặng đó hướng một cách rất nhanh chóng vào lõi sao”, học viên cao học JILA Tatsuya Akiba giải thích. “Vì vậy, anh không thể thấy bất kỳ kim loại nào trên bề mặt của một sao lùn trắng trừ khi nó đang nhai ngấu nghiến thứ gì đó”.

Trong khi các sao lùn trắng có thể tiêu hóa vô số vật thể ở gần, như sao chổi hoặc tiểu hành tinh, những phức tạp của quá trình này vẫn chưa được khám phá một cách đầy đủ. Tuy nhiên, hành xử này có thể nắm giữ một yếu tố quan trọng để khám phá bí ẩn của thành phần hóa học sao lùn trắng, có tiềm năng dẫn đến những phát hiện đầy kích thích về động lực của sao lùn trăng.

Trong bài báo, xuất bản trên The Astrophysical Journal Letters, Akiba, cùng với JILA Fellow và giáo sư Ann-Marie Madigan, học viên Selah McIntyre, tin là họ đã tìm ra một nguyên nhân giải thích tại sao các ngôi sao “xác sống” lại ăn thịt các tiểu hành tinh gần mình. Sử dụng các mô phỏng tính toán, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng việc sao lùn trắng đón một “cú hích khởi sinh” trong suốt quá trình hình thành của mình (điều đã được quan sát) có nguyên nhân từ việc mất khối lượng phi đối xứng, thay đổi chuyển động của mình và động lực của bất kỳ vật chất nào xung quanh.

Trong 80% lần chạy thử của mình, các nhà nghiên cứu quan sát thấy, từ cú hích đó, quỹ đạo của các sao chổi và tiểu hành tinh ở phạm vi 30 đến 240 AU của sao lùn trắng (tương đương khoảng cách giữa mặt trời và Neptune và xa hơn thế) trở thành kéo dài và thẳng hàng. Hơn thế, khoảng 40% tiểu hành tinh bị chúng ăn thịt sau đó đến từ các quỹ đạo quay ngược (nghịch dòng).

Các nhà nghiên cứu cũng đã mở rộng các mô phỏng của mình để kiểm tra động lực của sao lùn trắng sau 100 triệu năm như thế nào. Họ phát hiện ra là các tiểu hành tinh gần sao lùn trắng như vậy vẫn có các quỹ đạo kéo dài và chuyển động như một bộ phận cố kết của nó, một kết quả chưa từng thấy trước đây.

“Đó là một thứ mà tôi nghĩ là độc đáo của lý thuyết của chúng tôi: chúng tôi có thể giải thích tại sao các sự kiện bồi tụ lại tồn tại lâu”, Madigan nói. “Trong khi các cơ chế khác có thể giải thích một sự kiện bồi tụ nguyên thủy, mô phỏng của chúng tôi với cú hích chứng tỏ tại sao nó vẫn tiếp tục hàng trăm triệu năm sau đó”.

Các kết quả này giải thích tại sao các nguyên tố kim loại nặng được tìm thấy trên bề mặt của một ngôi sao lùn trắng, khi ngôi sao đó tiếp tục ăn các vật thể nhỏ trên đường đi của nó.

Đó là hấp dẫn

Khi nhóm nghiên cứu của Madigan ở JILA tập trung vào động lực hấp dẫn, nhìn vào hấp dẫn xung quanh sao lùn trắng như một tập trung tự nhiên về nghiên cứu này. “Các mô phỏng giúp chúng tôi hiểu động lực của các vật thể thiên văn khác nhau”, Akiba nói. “Vì vậy, trong mô phỏng này, chúng tôi ném vào đó nhiều tiểu hành tinh và sao chổi xung quanh sao lùn trắng, vốn đã trở nên lớn hơn một cách đáng kể, và xem cách mô phỏng tiến hóa và những tiểu hành tinh, sao chổi nào mà sao lùn trắng ăn”.

Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ đưa các mô phỏng của mình tới quy mô lớn hơn trong những dự án tương lai, nhìn vào cách các sao lùn trắng tương tác với các hành tinh lớn hơn.

Như Akiba giải thích thêm, “Những nghiên cứu khác đã đề xuất là những tiểu hành tinh, sao chổi, các vật thể nhỏ, có thể không phải là nguồn nhiễm kim loại duy nhất trên bề mặt sao lùn trắng vì sao lùn trắng có thể ăn thứ gì đó lớn hơn, ví dụ như một hành tinh”.

Khám phá nhiều hơn về sự hình thành hệ mặt trời

Các phát hiện mới tiết lộ thêm về sự hình thành của sao lùn trắng, cơ sở quan trọng để hiểu về cách các hệ mặt trời thay đổi ở khung thời gian hàng triệu năm. Chúng cũng rọi ánh sáng vào nguồn gốc và tiến hóa tương lai của hệ mặt trời của chúng ta, tiết lộ nhiều hơn về hóa học tham gia vào quá trình này.

“Các hành tinh chiếm đa số trong vũ trụ của chúng ta cuối cùng sẽ kết thúc vòng đời của mình trong các ngôi sao lùn trắng”, Madigan nói. “Có thể là 50% các hệ ấy ăn các ngôi sao của mình, bao gồm cả hệ mặt trời của chúng ta. Giờ thì chúng tôi có một cơ chế để giải thích vì sao điều đó xảy ra”.

“Các tiểu hành tinh có thể trao cho chúng ta cái nhìn thấu suốt vào các hệ mặt trời khác và các thành phần hành tinh nằm ngoài nơi chúng ta sống trong vùng mặt trời của chúng ta”, McIntyre cho biết thêm. “Sao lùn trắng không chỉ là một lăng kính nhìn vào quá khứ mà chúng còn hướng tới cả tương lai”.

Nguồn: https://phys.org/news/2024-05-hungry-white-dwarfs-puzzle-stellar.html

https://www.theguardian.com/science/2024/apr/09/study-sheds-light-on-the-white-dwarf-star-likely-destroyer-of-our-solar-system

——————————-

1.https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad394c