Siêu tân tinh được ví như một trong những “màn bắn pháo hoa” ngoạn mục nhất trong vũ trụ. Khi một ngôi sao đủ lớn để trút hơi thở cuối cùng trong một vụ nổ lớn đánh dấu sự hủy diệt của chính nó trở thành ánh sáng rực rỡ nhất trong toàn bộ Dải Ngân hà trong một phần giây, rồi trong vài tuần tới, hãy giữ nguyên như vậy và biến mất vào vũ trụ. Tinh vân kỳ vĩ rộng hàng trăm năm ánh sáng, các ngôi sao và siêu tân tinh kết thúc cuộc đời quá bi thảm, phải chăng đó là số phận của tất cả các ngôi sao? Siêu tân tinh có thể tạo ra lỗ đen trong vũ trụ? Vậy, phải chăng mặt trời của chúng ta sẽ “biến mất” một cách ngoạn mục sau hàng tỉ năm nữa? Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu qua bài viết sau.

Siêu tân tinh là gì?

Siêu tân tinh là một giai đoạn quan trọng trong quá trình “chết” của một số ngôi sao. Nó vừa là một đối tượng vừa là một quá trình. Có hai loại siêu tân tinh lớn, mỗi loại là sản phẩm của các quá trình và điều kiện khác nhau. Trước tiên hãy nói về siêu tân tinh loại 2. Đây là những gì hầu hết chúng ta nghĩ về một siêu tân tinh. Vụ nổ cổ điển của một ngôi sao “đang chết” là do “sự sụp đổ lõi”. Hầu hết các ngôi sao trải qua một số giai đoạn trong suốt cuộc đời của chúng và được liên kết với siêu tân tinh. Chúng ta đang nói về những ngôi sao dãy chính như mặt trời của chúng ta mà chúng ta vẫn có thể nhìn thấy.

Những ngôi sao này nằm dưới dãy chính, chẳng hạn như sao lùn đỏ, có thể cháy đều đặn từ các nguồn nhiên liệu hydro hạn chế cẩn thận trong hàng nghìn tỷ năm và các ngôi sao lớn hơn như mặt trời của chúng ta trong hàng tỷ năm. chính nó sau một năm hoặc ít hơn. Trong giai đoạn cuối của cuộc đời một ngôi sao dãy chính, siêu tân tinh có thể trở thành hiện thực. Mặc dù không phải mọi ngôi sao dãy chính đều trở thành siêu tân tinh, nhưng những ngôi sao này trước tiên trải qua giai đoạn “khổng lồ” sau khi cạn kiệt nguồn dự trữ hydro của chúng, sau đó bắt đầu trở thành siêu tân tinh. Bắt đầu hợp nhất các nguyên tố nặng hơn như helium và oxy, silicon và carbon thay vì hydro. Phản ứng tổng hợp hạn chế của các nguyên tố nặng hơn này cũng xảy ra ở các ngôi sao trẻ, nhưng các phản ứng tổng hợp chính của chúng không được xem xét.

Những phản ứng hạt nhân này sẽ duy trì giai đoạn khổng lồ của ngôi sao trong hàng tỷ năm sau khi nó xâm nhập vào ngôi sao. Nhưng cuối cùng, phản ứng tổng hợp diễn ra cho đến khi nó bắt đầu hợp nhất các nguyên tố nhỏ hơn thành sắt hoặc các nguyên tố nặng hơn như vàng. Một khi nó bắt đầu hợp nhất các nguyên tử thành sắt, quá trình này thực sự “hấp thụ” rất nhiều năng lượng thay vì tạo ra nó. Vì vậy, khi một ngôi sao bắt đầu hình thành lõi sắt nặng, các giai đoạn cuối cùng của nó sẽ tăng tốc khi phản ứng tổng hợp kim loại nặng hấp thụ bất kỳ năng lượng nào được tạo ra ở nơi khác.

超新星遗迹SNR 0509-67.5，位于17 万光年之hàng tỉ năm nữa. Các lớp khí và plasma nặng nề bên ngoài của nó, trước đây được giữ ở trên cao nhờ năng lượng được tạo ra bởi các phản ứng nhiệt hạch bên dưới, đột nhiên vượt qua một điểm mà chúng quá nặng để ngôi sao có thể tự giữ được. Những lớp khí này nhanh chóng bị hút về phía lõi của ngôi sao, bắt đầu quá trình siêu tân tinh.

Tiếp theo là siêu tân tinh Loại 1, ít được biết đến hơn và cũng được chia thành Loại 1a, 1b, 1c. Các nhà thiên văn học hài lòng với cơ chế của siêu tân tinh loại 1a, được cho là xảy ra trong các hệ sao đôi có ít nhất một sao lùn trắng và chúng tôi coi chúng là siêu tân tinh. Loại 1.

Khi một sao lùn trắng quay quanh một ngôi sao đồng hành, nó sẽ hút vật chất trong ngôi sao đồng hành vào đĩa bồi tụ xung quanh chính nó. Có một giới hạn khối lượng trên, được gọi là giới hạn Chandrasekhar, tại đó một sao lùn trắng có thể tích lũy vật chất mà không làm mất đi tính ổn định của nó (một sao lùn trắng có khối lượng gấp khoảng 1,44 lần Mặt trời). Trong trường hợp siêu tân tinh Loại 1a, sao lùn trắng tích lũy vật chất từ ​​ngôi sao đồng hành của nó, đẩy nó vượt qua giới hạn khối lượng này, nơi nó không còn có thể hỗ trợ khối lượng của chính mình. .

Không giống như tân tinh – sao lùn trắng tích lũy lượng vật chất nhỏ hơn dưới giới hạn này và tạo ra các vụ nổ năng lượng tương đối nhẹ từ khối lượng tăng thêm, nhưng nếu không thì vẫn nguyên vẹn – trong siêu tân tinh loại 1a , sao lùn trắng trở nên mất ổn định và tự bùng nổ hủy trong quá trình.

Siêu tân tinh loại 1b và 1c rất giống với siêu tân tinh. Các ngôi sao loại 2 chia sẻ chức năng co rút lõi của lõi của chúng sau khi các ngôi sao hết nhiên liệu để duy trì phản ứng tổng hợp hạt nhân. Trong trường hợp này, sự khác biệt thực sự duy nhất là học thuật. Siêu tân tinh loại 1b và 1c xảy ra trong sự kiện sụp đổ lõi của một ngôi sao, giải phóng hydro ở lớp ngoài cùng và hầu hết heli bên dưới.

Ngôi sao nào trong số những ngôi sao này đã trải qua một vụ nổ siêu tân tinh?

Eta Carinae, ngôi sao lớn nhất trong hệ sao đôi ở khoảng cách 7500 năm ánh sáng, sắp trở thành siêu tân tinh

Khối lượng của ngôi sao đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định liệu nó có tồn tại được hay không, sự sống đóng một vai trò quan trọng trong việc đạt đến siêu tân tinh ở giai đoạn cuối. Nhìn vào chúng, những ngôi sao có khối lượng gấp 8 lần mặt trời là ứng cử viên cho siêu tân tinh, mặc dù ngay cả với khối lượng lớn như vậy, nó có thể gây sốc cho mọi người theo cách này hay cách khác, tùy thuộc vào tình huống cụ thể.

Ví dụ, vào năm 2008, một ngôi sao có khối lượng gấp 25 lần Mặt trời đã hết nhiên liệu và được cho là đang hướng đến sự kiện siêu tân tinh cuối cùng của nó. Nhưng nó đã bay ra khỏi “sân khấu” của Dải Ngân hà và không thể ghi lại các hoạt động của nó.Các nhà thiên văn học dự đoán rằng nó có thể sụp đổ trực tiếp thành lỗ đen.

Các mô phỏng trên máy tính trước đây cũng đã cho các nhà nghiên cứu thấy rằng vụ nổ mà họ cho rằng ngôi sao lẽ ra đã không xảy ra, và vẫn chưa có lời giải thích rõ ràng tại sao. Các ngôi sao Một số ngôi sao có khối lượng từ 8 đến 30 lần khối lượng mặt trời phát nổ thành siêu tân tinh, những ngôi sao khác dường như tan biến vào hư vô.

Cuộc điều tra sâu hơn cho thấy sự suy sụp thành siêu tân tinh rất có thể xảy ra trong phạm vi khối lượng từ 8 đến 17 mặt trời, với các ngôi sao có khối lượng từ 17 đến 30 lần. Năng lượng mặt trời có xu hướng đi theo cái chết của những ngôi sao kém quyến rũ hơn. Nhưng thực tế dường như phức tạp hơn nhiều.

Siêu tân tinh có thể tạo ra lỗ đen không?

Hố đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà M87 được chụp vào năm 2019

Một ngôi sao có khối lượng gấp 30 đến 100 lần khối lượng của một mặt trời là quá lớn để duy trì khối lượng của nó trong quá trình co rút lõi, vì vậy nó sẽ tiếp tục co rút vào trong với mật độ vô hạn, do đó tạo ra một điểm kỳ dị.

Bán kính Schwarzschild được sử dụng để xác định vị trí của một chân trời sự kiện mới bao quanh điểm kỳ dị, sau đó tạo ra một lỗ đen. Tuy nhiên, những gì xảy ra trong khoảng từ 17 đến 30 lần khối lượng mặt trời thì phức tạp hơn nhiều, và có rất nhiều cuộc tranh luận học thuật về việc làm thế nào những ngôi sao có kích thước này trở thành siêu tân tinh, hoặc một số ngôi sao khác không trở thành siêu tân tinh. Có bằng chứng chắc chắn rằng ít nhất một số ngôi sao trong phạm vi này sụp đổ trực tiếp thành các lỗ đen sao, hoàn toàn bỏ qua thành phần siêu tân tinh.

Hơn nữa, khi ngôi sao sụp đổ, một lỗ đen không đồng nhất phải được tạo ra ngay lập tức. Một vụ nổ siêu tân tinh đôi khi xảy ra, đẩy một lượng lớn vật chất sao ra ngoài không gian, tuy nhiên, nó không đủ mạnh để đẩy nó ra khỏi ảnh hưởng hấp dẫn của lõi sao còn lại (thường là lõi sao, sao neutron).

Điều gì xảy ra trong siêu tân tinh?

Chính xác những gì xảy ra bên trong một ngôi sao trong vài giây cần thiết cho một vụ nổ siêu tân tinh. Cơ chế thực tế vẫn còn gây tranh cãi, nhưng trong trường hợp siêu tân tinh Loại 1, việc thiếu phản ứng tổng hợp tạo ra năng lượng trong lõi có nghĩa là bản thân lõi không còn có thể tự giữ được nữa, chứ đừng nói đến các lớp vật chất sao bên ngoài.

Một khi điều này xảy ra, lõi sẽ sụp đổ nhanh hơn các lớp bên ngoài.Nếu sai số nhỏ hơn khoảng 3 lần khối lượng mặt trời, thì sự sụp đổ sẽ tạo ra áp suất khiến vật liệu lõi sẽ lao vào trong, vượt qua lực lượng tử giữ các electron trên quỹ đạo quanh hạt nhân và chỉ đơn giản là đẩy các electron vào trong. các proton , kết hợp cả hai thành một neutron. Quá trình này xảy ra khắp lõi của ngôi sao cho đến khi còn lại một quả cầu neutron dày đặc, chỉ có đường kính khoảng 20 km và có khối lượng tương đương với một số mặt trời.

Tuy nhiên, cho đến nay siêu tân tinh mới chỉ hoàn thành một nửa. Vẫn có vật chất sao đang lao về phía lõi với tốc độ hàng trăm km/giây. Những thứ khủng khiếp này là những tập hợp dày đặc của các hạt, do đó phần lớn khối lượng của ngôi sao khổng lồ bật trở lại dữ dội giống như một quả bóng bí dội vào tường bê tông.

Nảy ra từ ngôi sao neutron bên trong là nguyên nhân gây ra vụ nổ khổng lồ của siêu tân tinh. Năng lượng được giải phóng trong quá trình—chỉ mất vài giây từ đầu đến cuối—nhiều hơn tất cả năng lượng do Mặt trời tạo ra trong suốt 10 tỷ năm. Tuy nhiên, không phải tất cả vật chất bên ngoài của ngôi sao đều chạm vào lõi và bật ra khỏi nó. Một lượng lớn vật chất sẽ vượt qua lõi và quay trở lại không gian với năng lượng hấp dẫn đáng kinh ngạc của sự sụp đổ vào lõi.

Giữa hiệu ứng âm vang và luồng vật chất, một làn sóng xung kích khổng lồ sẽ bùng phát từ trung tâm của Death Star, thổi bay các lớp bên ngoài vào không gian với tốc độ đáng kinh ngạc. Điều này, kết hợp với bức xạ giải phóng bởi vật chất bật ra khỏi sao neutron, là loại vụ nổ siêu tân tinh thực sự mà chúng ta có thể thấy.

Khoa học hiện đại đã có thể tái tạo chi tiết các vụ nổ siêu tân tinh

Các mẫu máy tính hiện tại vẫn chưa nhất quán trong việc tái tạo các vụ nổ kỳ lạ này. Một lý thuyết ngày càng được chấp nhận rộng rãi là mô hình siêu tân tinh điều khiển bằng neutrino. Tất cả các ngôi sao đều tạo ra neutrino một cách tự nhiên, nhưng trong một sự kiện sụp đổ lõi, hoạt động dữ dội của lõi đồng thời tạo ra một số lượng lớn neutrino và bắn chúng ra mọi hướng.

Neutrino là hạt gần như không có khối lượng và hiếm khi tương tác với các hạt thông thường. Tuy nhiên, sự đứt gãy lõi của một ngôi sao đặc biệt đến mức nó có thể tạo ra neutrino với số lượng lớn đến mức chúng thực sự hoạt động để duy trì sóng xung kích bùng nổ đã đẩy các lớp bên ngoài của ngôi sao đang suy sụp vào không gian, do đó làm phát tán tàn dư siêu tân tinh

Mặc dù chưa được chứng minh một cách thuyết phục nhất, nhưng một số người đã quan sát thấy thành phần hóa học của tàn dư siêu tân tinh rất phù hợp với mô hình định hướng neutrino . Các bong bóng titan và crom đậm đặc trong tàn dư siêu tân tinh giàu sắt sẽ được tạo ra bởi một số lượng lớn neutrino bị bẫy, tạo ra các chùm vật chất có entropy cao.

Các nhà nghiên cứu thiên văn học. Tài liệu cũng chỉ ra những loại “bong bóng” titan và crom này trong một số tàn dư siêu tân tinh, cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng neutrino đóng vai trò duy trì sóng xung kích cần thiết cho ít nhất một số vụ nổ siêu tân tinh Loại 2.

Đối với vụ nổ, quá trình này cũng phá hủy chính lõi sao. Áp suất tác động lên sao neutron ở trung tâm vụ nổ không được phân bố đều. Với áp suất liên quan, sự mất cân bằng này có thể lớn đến mức hạt nhân neutron thực sự có thể bị đẩy ra khỏi siêu tân tinh, giống như đạn từ súng. Nó có thể đạt tốc độ hàng triệu km/h, đủ nhanh để bắn lõi sao ra khỏi Dải Ngân hà bất chấp quỹ đạo của nó.

Vẫn còn nhiều điều ngạc nhiên khi nói đến sự sụp đổ của lõi siêu tân tinh. Việc nắm bắt một siêu tân tinh thực sự từ đầu đến cuối là vô cùng khó khăn và chỉ đến năm 2020, các nhà thiên văn học mới có thể theo dõi toàn bộ siêu tân tinh sụp đổ lõi xảy ra trên khắp vũ trụ trong thời gian thực. Nó thậm chí còn đáng sợ hơn các nhà nghiên cứu dự đoán.

Raffaella Margutti, phó giáo sư thiên văn học tại UC Berkeley và là tác giả chính của một bài báo năm 2022 mô tả sự kiện “Giống như bạn đang nhìn vào một quả bom hẹn giờ, nơi chúng ta thấy nó phát ra bức xạ sáng đến mức sau đó sụp đổ và bốc cháy.”

Cái chết của siêu sao đỏ đã dẫn đến siêu tân tinh SN 2020tlf, có khối lượng gấp 10 lần Mặt trời, bùng nổ bức xạ sáng và các vụ nổ khí dữ dội ngay trên bề mặt của nó. các quan sát làm sâu sắc thêm bí ẩn về những thay đổi cấu trúc khác nhau xảy ra bên dưới bề mặt của các ngôi sao đang chết.

Wynn Jacobson-Galán, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau đại học của NSF tại UC Berkeley, cho biết: “Tôi rất vui mừng về tất cả những ‘ẩn số’ mới đã được tiết lộ. Việc khám phá ra nhiều sự kiện hơn như các ngôi sao SN 2020tlf sẽ có tác động lớn đến cách chúng ta xác định các giai đoạn cuối cùng của quá trình tiến hóa sao, kết hợp các nhà quan sát và các nhà lý thuyết để làm sáng tỏ bí ẩn về cách các ngôi sao nặng trải qua những khoảnh khắc cuối cùng của chúng.”

Đối với Loại 1 A siêu tân tinh, các nhà thiên văn học vẫn chưa chắc chắn. Tuy nhiên, cũng có những nghi ngờ rằng khi sao lùn trắng vượt qua ngưỡng 1,44 khối lượng mặt trời, phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra thực sự bùng phát trở lại trong lõi, nơi sao lùn trắng bắt đầu tổng hợp carbon và oxy thành các nguyên tố nặng hơn.

Năng lượng do quá trình này tạo ra có thể kích hoạt phản ứng nhiệt hạch, có thể là phản ứng tổng hợp hạt nhân. Hiệu ứng này biến toàn bộ khối lượng của sao lùn trắng thành một quả bom nhiệt hạch, sau đó quả bom này sẽ tự phát nổ dưới dạng siêu tân tinh. Tương tự như vậy, sự hợp nhất của hai sao lùn trắng với tổng khối lượng vượt quá giới hạn 1,44 khối lượng Mặt Trời có thể tạo ra một siêu tân tinh như vậy.

Liệu mặt trời của chúng ta có trở thành siêu tân tinh khi nó chết đi không?

Mặt trời của chúng ta dự kiến ​​sẽ mở rộng thành một sao khổng lồ đỏ trong vòng 4 đến 5 tỷ năm tới trước khi lột bỏ các lớp bên ngoài

Những ai quan tâm đến không gian và thiên văn học có thể muốn xem To mặt trời của chúng ta mặt trời phát nổ theo cách tương tự vào cuối vòng đời của nó. Nhưng thật không may, điều đó sẽ không xảy ra vì nó không đủ lớn để trở thành siêu tân tinh. Những ngôi sao thuộc dãy chính có khối lượng nhỏ hơn tám lần khối lượng Mặt trời cuối cùng mở rộng thành sao khổng lồ đỏ. Khi những ngôi sao khổng lồ này cạn kiệt nhiên liệu heli, thay vì phát nổ dữ dội, chúng lặng lẽ nổ tung các lớp bên ngoài của chúng vào không gian, để lại các lõi sáng và ấm. Cực cao, được gọi là sao lùn trắng.

Lớp bên ngoài sau đó lan rộng thành cái mà chúng ta gọi là tinh vân hành tinh, với một sao lùn trắng ở trung tâm. Chính quá trình này đã tạo ra một số tinh vân nổi tiếng nhất trong vũ trụ. Vậy số phận của Mặt trời sẽ ra sao trong vài tỷ năm tới khi cạn kiệt nhiên liệu? Nó có thể không phải là đêm chung kết bùng nổ, nhưng nó vẫn sẽ rất “hoành tráng” theo đúng nghĩa của nó.

他最著名的超新星

Tinh vân Veil Tàn dư siêu tân tinh

Siêu tân tinh rất sáng và tràn đầy năng lượng, dễ nhìn thấy và trên thực tế, chúng ta đã quan sát thấy nhiều siêu tân tinh trong quá khứ và các nhà thiên văn học đã luôn quan sát trong nhiều thế kỷ được duy trì

Một trong những ngôi sao, trong đó nổi tiếng nhất là “ngôi sao khách” được các nhà thiên văn học Trung Quốc và Nhật Bản quan sát thấy vào năm 1181 sau Công nguyên, có cùng độ sáng với Sao Thổ và vẫn có thể nhìn thấy trên bầu trời đêm trong vài tháng Chỉ sau đó từ từ biến mất. Trong số tất cả các siêu tân tinh được ghi nhận trong 1.000 năm qua, chỉ có “ngôi sao khách” của Trung Quốc vẫn chưa được các nhà thiên văn học xác nhận, một bí ẩn kéo dài khoảng 900 năm.

Chúng tôi có thể phân loại nó là siêu tân tinh Loại 1ax (một loại phụ của 1a) liên kết với Star Parker, nhờ vào các ghi chép thiên văn chi tiết do các nhà thiên văn học Trung Quốc lưu giữ. Bằng cách quan sát vị trí của “ngôi sao khách” này trên bầu trời đêm, các nhà thiên văn học đã xác định được tinh vân Pa30, được cho là kết quả của một siêu tân tinh do sự hợp nhất của hai sao lùn trắng trong một hệ thống nhị phân.

Một siêu tân tinh rất quan trọng khác được gọi là Tycho (đặt theo tên của nhà thiên văn học người Đan Mạch Tycho Brahe). Năm 1572, ông quan sát thấy một vật thể sáng mới trong chòm sao Cassiopeia. Không giống như các vật thể khác, chẳng hạn như sao chổi, có thể bật lên trước khi biến mất đột ngột sau vài tuần, Tycho có thể chỉ ra rằng “nova” ở xa bầu trời đêm của mặt trăng như nhiều ngôi sao khác trên Trái đất.

Điều này cho thấy rằng các ngôi sao không phải là cấu trúc tĩnh cố định ban đầu do Chúa đặt, mà thực sự có thể thay đổi.Điều này có thể khiến nhiều người theo chủ nghĩa truyền thống khó chịu, nhưng vụ nổ siêu tân tinh của Tycho là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của cuộc cách mạng khoa học sơ khai ở châu Âu.

Gần đây, một hiện tượng được gọi là “tiếng vang ánh sáng” – ánh sáng dội lại từ bụi và các vật chất không gian khác – đã được quan sát thấy trong tàn dư theo cách tương tự như cách sóng âm dội lại từ các bức tường Trở lại Siêu tân tinh Tycho. Các nhà thiên văn học đã có thể xác định rằng ánh sáng phản xạ này thực sự là ánh sáng từ siêu tân tinh mà Tycho đã quan sát được vào năm 1572.

Nhà vật lý thiên văn. Nicholas Santsev của Đại học Texas A&M cho biết: “Tôi nghĩ thật tuyệt khi tôi có thể nhìn lên bầu trời mà vẫn thấy ánh sáng, giống như Tycho đã làm, vào thời điểm khám phá thực sự mang tính cách mạng của ông ấy”. Aristotle từng tin rằng trái đất là trung tâm của vũ trụ và mọi thứ khác nhau giữa trái đất và mặt trăng. Siêu tân tinh đã chứng minh lý thuyết này sai và nhanh chóng dẫn đến sự tự do tư tưởng khoa học. , đó là cốt lõi của cách thức hoạt động của khoa học ngày nay. “

Theo một cách nào đó, những ngôi sao siêu khổng lồ đã giúp bắt đầu cuộc cách mạng khoa học đầu tiên ở thời Trung cổ. Châu Âu. Từ những hành tinh khổng lồ giàu nguyên tố nặng cho đến cấu trúc vật chất của Dải Ngân hà, trong vũ trụ bao la này Nhiều điều đã được quan sát được trong vũ trụ. Tất cả các nguyên tố nặng trong cơ thể chúng ta, chẳng hạn như carbon, canxi và sắt, đều được tôi luyện trong lò của một ngôi sao khổng lồ đỏ nào đó đã phát nổ ở đâu đó trong vũ trụ hàng tỷ năm trước. Nếu không có sự thúc đẩy tốt, toàn bộ hệ mặt trời của chúng ta có thể sẽ không tồn tại và bất kỳ nguyên tố nào lớn hơn helium đều có thể tự trở lại thành siêu tân tinh vào một thời điểm nào đó.

Siêu tân tinh – thực sự là một sợi dây kết nối từ thời đại vũ trụ này sang thời đại vũ trụ tiếp theo, một yếu tố quan trọng quá trình trong đời sống của vũ trụ vừa ngoạn mục vừa đáng kinh ngạc. Con người sẽ không bao giờ ngừng bị chúng mê hoặc.

Nguồn interestingengineering

.