Nội dung

BỤI GIỮA CÁC SAO

Nếu nhìn lên dải Ngân Hà vào một đêm đẹp trời không trăng thì ngay bằng mắt thường cũng có thể nhìn thấy dải sáng cũng vắt ngang bầu trời nhưng không hoàn toàn liền một khối. Trên nền màu sữa của nó có rất nhiều dải và đốm đen. Một trong những đốm đen nổi rõ nhất trong chòm sao Cung Thủ đã được biết đến từ lâu dưới tên gọi Bao Than. Hai thế kỷ trước người ta đã đưa ra giả thuyết ròng những cái "lỗ nhỏ" trên trời chính là những đám mây vật chất hấp thụ ánh sáng. Sự phát triển của kỹ thuật quan sát thiên văn đã cho nhưng bằng chứng xác đáng để khẳng định điều đó.

Ban đầu, chưa có ý kiến thống nhất về bản chất của vật chất hấp thụ. Chẳng hạn, có người cho rằng đó là những manh thiên thạch nhỏ hình thành từ những tiểu hành tinh lớn bị phá vỡ. Việc nghiên cứu các đặc tính của sự hấp thụ ánh sáng giữa các sao cho phép xác định rằng chính các hạt bụi bé nhỏ nhất chất đầy không gian Vũ Trụ đã gây ra sự hấp thụ ấy. Kích thước của những hạt bụi này bằng một phần trăm nghìn xăngtimet.

Những hạt bụi trong dải Ngân Hà của chúng ta chủ yếu dồn vào mặt phẳng của của Thiên Hà, do đó phần lớn các vết đen tập trung trên nền dải Ngân Hà. Bụi giữa các sao che khuất hoàn toàn nhân (lõi) của Thiên Hà chúng ta. Nếu không có hiện tượng này thì chắc là sẽ có một đốm sáng khổng lồ không rõ rìa mép trên bầu trời đêm giữa hai chòm sao Cung Thủ và Bọ Cạp mà về độ sáng chắc gì nó đã thua ông Trăng.

Bụi giữa các sao hiện ra trước mặt các nhà quan sát không chỉ dưới dạng những tinh vân. Nếu có một ngôi sao ở gần đám mây bụi và chiếu sáng nó thì lúc đó đám mây sẽ được nhìn thấy như một tinh vân sáng. Trong trường hợp này nó có tên gọi là tinh vân phản chiếu.

Thời gian đầu, khi mới phát hiện ra bụi giữa các vì sao, nó chỉ được xem như kẻ gây nhiễu thật khó chịu cho các nghiên cứu thiên văn. Bụi chặn giữ gần một nửa tổng số bức xạ của tất cả các sao trong Thiên Hà. Trong một số khu vực có mật độ lớn hơn phần ánh sáng bị hấp thụ chiếm hơn 90%, còn trong những đám mây phân tử, nơi hình thành các sao trẻ, nó đạt tôi mức gần như 100%.

Mật độ bụi trong Vũ Trụ vô cùng nhỏ bé so với khí loãng giữa các sao. Chẳng hạn trong vùng ngoại vi của Mặt Trời, trung bình một xăngtimet khối không gian có chứa một nguyên tử khí và cứ một trăm tỉ nguyên tử mới có một hạt bụi con! Nói cách khác khoảng cách giữa các hạt bụi được đo bằng hàng chục mét. Khối lượng bụi trong dải Ngân Hà chiếm khoảng l% khối lượng khí và một phần vạn khối lượng đầy đủ của Thiên Hà. Tuy nhiên một số lượng bụi như vậy cũng đủ để làm cho ánh sóng yếu đi đáng kể.

Những tia sáng xanh chàm (xanh nước biển) bị hấp thụ mạnh hơn cả sự hấp thụ giảm dần khi chuyển sang tia đỏ và tia hồng ngoại. Ánh sáng của một số màu nào đó bị hấp thụ manh hơn những màu khác. Có như vậy là do một số chất hấp thụ đặc biệt có hiệu quả bức xạ ở những bước sóng nhất định. Sự nghiên cứu các tính chất hấp thụ ánh sáng trên những bước sóng khác nhau cho thấy rằng trong thành phần cửa bụi giữa các sao có các hợp chất của cacbon, silic, các chất khí đóng băng nước và các chất hữu cơ khác.

Sự phân cực ánh sáng giúp cho việc nghiên cứu các đặc tính của bụi vũ trụ. Ánh sáng là những dao động của trường điện từ, là các sóng điện từ.

Trong bức xạ thông thường của sao có các sóng dao động theo tất cả các hướng. Khi trên đường đi của mình luồng ánh sáng gặp phải hạt bụi hình cầu, thì tất cả các sóng đó đều bị hấp thụ như nhau. Nhưng nếu hạt bụi bị kéo dài ra dọc theo một trục thì những dao động song song với trục đó bị hấp thụ mạnh hơn những dao động vuông góc với trục. Trong dòng ánh sáng chạy qua đám mây bụi kéo dài có định hướng như nhau, không còn đủ tất cả các hướng dao động nữa, tức là bức xạ trở thành phân cực. Do mức độ phân cực của  ánh sáng sao cho phép phán đoán về

hình dạng và kích thước của các hạt bụi. Và đôi lúc thông qua loại hình phân cực mà có thể xác định được cả các tính chất điện của bụi giữa các sao.

Sự so sánh các số liệu quan trắc cho thấy bụi giữa các sao có hai loại hạt: graphit (cacbon) và silicat (túc là có các họp chất silic). Kích thước các hạt bụi không đồng đều, vả lại số hạt bé lại nhiều hơn hạt to một cách đáng kể. Nói chung, kích thước của các hạt bụi dao động trong khoảng từ một phần triệu đến một phần vạn xăngtimet.

Các hạt graphit và silicat được tạo thành các lớp vỏ ngoài của các sao già lạnh. Khái niệm sao lạnh" dĩ nhiên hoàn toàn có tính quy ước.

Nhiệt độ vỏ sao còn khá cao và tất cả các vật chất ở trong trạng thái khí. Càng già ngôi sao càng mất dần khối lương. Vật chất chảy từ vỏ của nó bay xa dần sao và nguội đi khi nhiệt độ của khí xuống thấp hơn nhiệt độ nông chảy của vật chất trong hạt bụi những phần tử khí bắt đầu tập hợp lại thành nhóm tạo ra những phôi của các hạt thụi. Lúc đầu chúng phát triển chậm, nhưng khi nhiệt độ giảm chúng lớn rất nhanh. Quá trình này kéo dài vài chục năm. Vật chất tách khỏi sao càng nở rộng ra thì không những nhiệt độ mà cả mật độ của nó cũng giảm. Khi khí trở nên rất loãng thì các hạt bụi cũng ngùng lớn.

Tốc độ hình thành và phá huỷ của các hạt bụi phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và mật độ của vật chất nơi chúng ở. Song không gian giữa các sao không đồng nhất. Khí và bụi ngưng tụ thành mây mà mật độ có thể gấp hàng triệu lần mật độ không gian giữa các đảm mây. Áp suất của bức xạ sao và dòng chảy của khí trong Thiên Hà có thể đưa hạt bụi vào các vùng có những điều kiện thuận lợi để chúng lớn lên hoặc bị phá huỷ.

Thành phần hoá học của bụi phụ thuộc vào việc nguyên tố nào có nhiều hơn - oxy hay cocbon – trong vỏ ngôi sao. Vì trong khi làm nguội vật chất của vỏ, cacbon và ở xy tạo thành những phân tử rất bền vững của khí ôxit cacbon. Nếu sau đó vẫn còn thừa cacbon thì trong sao sẽ hình thành những hạt graphit. Trong trường hợp ngược lại toàn bộ cacbon sẽ nhập vào thành phần của ôxit cacbon, còn oxy dư thừa sẽ kết hợp với silic để tạo thành ôxit silic và từ những phân tử này về sau sẽ xuất hiện những hạt bụi silicat.

Cấu trúc của hạt bụi "mới sinh" khá đơn giản. Nó đồng nhất về thành phồn hoá học và cơ cấu. Các điều kiện trong môi trường giữa các đám mây không cho phép cấu trúc hạt bụi thay đổi lớn. Tinh hình trong những đám mây khí giữa các sao mà mật độ đạt tới hàng nghìn nguyên tử trên một xăngtimet khối lại hoàn toàn khác. Nhiệt độ thấp và mật độ cao đảm bảo những điều kiện cần thiết cho việc hình thành trên bề mặt hạt bụi graphit hay silicat một lớp "áo" (lớp cùi) từ những vật chất dễ nóng chảy như nước đóng băng, formanđêhit và amôniac. Hỗn hợp các hợp chất ấy thông thường được gọi bằng một từ "băng". Các phần tử băng không bền vững. Sự tác động của bức xạ bên ngoài và sự va chạm của các hạt bụi với nhau làm cho nó biến đổi thành những hợp chất bền vững hơn và những hợp chất này tạo thành một màng đặc biệt bao quanh bề mặt hạt bụi.

Trong các vùng mây phân tử dày đặc nơi mà bức xạ các sao không thể lọt vào bên trong (cũng chỉ vì bụi), băng trên bề mặt các hạt bụi không còn bị phả huỷ. Vậy là trong lòng của những đám mây này, hạt bụi có thể có cấu trúc ba tầng: nhân khó nóng chảy, vỏ từ những hợp chất hữu cơ và lớp cùi ở giữa bằng băng. Có giả thuyết cho rằng nhân sao chổi - những tàn tích được lưu lại từ thời xa xưa khi bản thân hệ Mặt Trời của chúng ta mới chỉ là một vùng mây đục dày đặc - được cấu tạo từ những hạt bụi dính chặt vào nhau thành cục lớn.

Nhờ có các kính thiên văn vô tuyến lớn mà các nhà khoa học đã khám phá ra rằng trong mây phân tử  ngoài các nguyên tử đơn lẻ thông thường đối với khí giữa các sao như các nguyên tử hyđrô, hêli và một số nguyên tố hoá học khác còn có cả một số lượng lớn những phân tử khá phức tạp. Các phân tử trong không gian Vũ Trụ được tạo thành trong quá trình gồm vô số những phản ứng hoá học. Nhưng phản ứng chính yếu nhất mà không có nó sẽ không có các phản ứng khác - phản ứng tạo ra các phân tử hyđrô - chỉ diễn ra một cách có hiệu quả trên bề mặt các hạt bụi. Không có sự tham gia của bụi giữa các sao thì chắc quá trình hình thành các đám mây phân tử và sao đã đi theo con đường khác.

Ngày nay nhờ sự hoàn thiện kỹ thuật quan trắc và sự sử dụng tích cực các kính thiên văn vũ trụ, có thể quan sát bụi không chỉ trong Thiên Hà của chúng ta mà còn trong các thiên hà xoắn ốc thiên hà có các nhân phát xạ và trong các quada. Các quan sát cho thấy các tính chất của bụi trong Vũ Trụ và của bụi trong dải Ngân Hà không khác nhau mấy. Bụi trong các thiên hà xoắn ốc cũng như ở Thiên Hà chúng ta tập trung gần mặt phẳng đối xứng của những hệ sao này và bằng những dải tối hẹp gạch xoá đi những hình ảnh chói sáng của các thiên hà.

Đã đi vào quá khứ những quan niệm về bụi như là một tấm màn che khuất nhiều bí ẩn của Vũ Trụ. Ngày nay, người ta đã rõ là bụi đóng một vai trò tích cực và tham gia vào các quá trình vật lý đang xảy ra trong Vũ Trụ như một thành tố cơ bản.