NGÔI SAO LÀ GÌ
Chúng đã mọc vào thời khủng long ngự trị, vào thời kỳ Đại Băng hà, vào thời đang xây dựng các kim tự tháp Ai Cập. Cũng vẫn những ngôi sao ấy đã chỉ đường cho các nhà hàng hải Phênixi và các tàu buồm của Côlông, đã từ trên trời cao lặng ngắm cuộc chiến tranh Trăm Năm và vụ nổ bom nguyên tử ở Hirôsima. Một số người nhìn thấy ở chúng các con mắt thần linh và chính thần linh, một số khác lại xem chúng là những chiếc đinh bạc đóng vào vòm trời phalê, một số khác nữa lại bảo đó là những lỗ thủng để ánh sáng trời rọi qua.
Tính bất biến và bất khả tri (không nhận biết được) của các sao được cha ông chúng ta coi là những điều kiện tất yếu của sự tồn tại của thế giới . Người Ai Cập cổ đại cho rằng khi nào con người đoán ra được bản chất của các ngôi sao thì sẽ đến ngày tận thế. Các dân tộc khác lại tin rằng đời sống trên Trái Đất sẽ chấm dứt ngay khi chòm sao Chó Săn đuổi kịp Gấu Lớn. Hình như, đối với họ điều rất quan trọng là nhận thức được rằng trong thế giới đảo điên và luôn thay đổi này còn có một thứ gì đó không khuất phục thời gian.
Cho nên không có gì lạ khi bất cứ một thay đổi nào trong thế giới các ngôi sao từ xưa đều được coi là điềm báo những sự kiện lớn. Theo Kinh Thánh, một ngôi sao đột ngột bừng sáng đã báo cho nhân gian biết sự ra đời của Chúa Giêxu, còn một ngôi sao khác sẽ là dấu hiệu ngày tận thế.
Trong nhiều thiên kỷ các nhà chiêm tinh học đã lấy các ngôi sao để dự đoán cuộc đời của những con người riêng lẻ hay của cả một quốc gia, tuy nhiên họ có nhắc rằng vai trò của các sao trong việc định đoạt số phận là rất lớn, nhưng không tuyệt đối. Họ nói: các ngôi sao chỉ khuyên ta chứ không ra lệnh cho ta.
Thời gian trôi đi và người ta bắt đầu nhìn các ngôi sao với ít vẻ lãng mạn hơn. Angtoan đờ Xanh – Êcduypêri (Antoine de Saint - Exupéry) đã phải thốt lên: "Ôi, đáng thương thay cái giống các nhà nghiên cứu các vị làm phép tích phân quỹ đạo của một ngôi sao, thế thì ngôi sao đó đối với các vị không còn là một tinh tú sống động nữa rồi". Quả thật, các ngôi sao đã bắt đầu được xem là các vật thể mà để mô tả chúng thì chỉ cần biết các định luật của tự nhiên là đủ.
Tuy nhiên trên bước đường mô tả này còn vô vàn khó khăn đợi chờ các nhà khoa học. Lớp vỏ bí ẩn bao phủ các ngôi sao không tự nguyện bong ra và mỗi một thách đố được giải đáp lại đặt trước các trí tuệ ham hiểu biết hàng chục thách đố mới. Vả lại đôi khi còn phải chĩa tay với các quan niệm đã ăn sâu từ bao đời. Một số các sao thay đổi ánh sáng của chúng (biến quang) là điều mà người Hy Lạp cổ đại đã biết. Khoa học thời Cận đại đã chỉ ra rằng tính chất ấy ở mức độ nhiều ít khác nhau có ở rất nhiều sao. Hàng bao thế kỷ nay các sao được coi là bất động và được gọi là định tinh (tiếng Trung Quốc là hằng tinh) để phân biệt với các hành tinh. Chỉ đến năm 1718, nhà thiên văn Etmunđơ Halây người Anh mới phát hiện ra là ba ngôi sao sáng: Sirius, Procyon và Arcurus dịch chuyển chậm chạp so với các sao khác. Những quan sát tiếp theo đã xác nhận rằng tính chất này của các sao là quy tắc chứ không phải ngoại lệ. Một nhà thiên văn người Anh khác là Uyliam Hecsen vào cuối thế kỷ XVIII đã cho rằng tất có các sao đều phát ra một lượng ánh sáng như nhau và sự khác biệt về độ sáng biểu kiến (nhìn thấy được) chỉ là do chúng ở cách Trái Đất những khoảng cách khác nhau. Nhưng vào năm 1837 người ta đã đo khoảng cách đến các sao gần nhất thì hoá ra là điều khẳng định trên không phù hợp với thực tế.
Chúng ta có may mắn là được sống trong một vùng tương đối yên bình của Vũ Trụ và chính vì thế mà sự sống trên Trái Đất đã xuất hiện và tồn tại trong suốt một khoảng thời gian rất dài (theo thang đo của con người). Nhưng nếu xét từ quan điểm nghiên cứu các sao thì sự kiện này chỉ gợi lên cảm giác buồn bực. Trong vòng rất nhiều parsec (đơn vị đo khoảng cách sao bằng 3,26 năm ánh sáng tức là khoảng 30 tỉ km) xung quanh ta, chỉ có các tinh tú không sáng lắm và không có gì đặc sắc tương tự như Mặt Trời của chúng ta. Còn những loại sao hiếm gặp thì lại ở rất xa. Chính vì thế mà sự đa dạng của thế giới sao đã bị che khuất khỏi con mắt của loài người một thời gian khá lâu.
Chỉ khi phát minh ra các dụng cụ thiên văn mới thì người ta mới biết rằng các ngôi sao khác nhau đến mức nào. Có lẽ chính khi đó, câu hỏi ngôi sao là gì?" mới hiện lên đầy đủ trước các nhà khoa học. Ban đầu, câu hỏi này chỉ nhằm vào một ngôi sao mà do vị trí rất gần chúng ta nên dễ quan sát hơn những ngôi sao khác: đô là Mặt Trời.
| Vũ Trụ này là một đối với tất cả chúng ta và không do ai trong các đấng thần linh, cũng không do ai trong con người tạo ra cả. Nó vẫn luôn luôn đã, đang và sẽ là ngọn lửa sống vĩnh cửu, đều đặn bừng lên, đều đặn lụi đi. (Hêraclit xứ Êphêđơ, nhà triết học Hy Lạp cổ đại) Toà lâu đài Vũ Trụ với sự hùng vĩ vô cùng của nó, với sự đa dạng và vẻ đẹp toả sáng khắp nơi và vô tận của nó làm ta kinh ngạc không thốt lên lời. Nhưng nếu như cảnh tượng về toàn bộ sự hoàn thiện này kích thích trí tưởng tượng của chúng ta thì mặt khác, lý trí lại hân hoan theo cách khác, khi thấy rằng bao nhiêu sự tráng lệ, bao nhiêu sự hùng vĩ lại bắt nguồn từ một quy luật phổ quát theo một trật tự nghiêm ngặt và vĩnh cửu. (Immanuen Kant. "Lịch sử tự nhiên phổ quát và lý thuyết bầu trời, năm 1775) |
Người Hy Lạp cổ đại đã gắn Mặt Trời với ngọn lửa vĩnh cửu. Các nhà khoa học thời Cận đại gắng sức tìm hiểu cái gì là nguồn năng lượng để đốt lên ngọn lửa ấy. Mặt Trời lấy năng lượng từ đâu ra?
Cho đến giữa thế kỷ XIX người ta vẫn cho rằng lớp ngoài của Mặt Trời nóng, còn bên dưới ẩn giấu bề mặt lạnh, thỉnh thoảng lộ ra qua các vết đen: các chỗ tối trên các đám mây Mặt Trời nóng đỏ. Để giải thích cho nhiệt độ cao của các đám mây này đã tồn tại giả thuyết về các sao chổi và thiên thạch rơi liên tiếp xuống Mặt Trời và truyền động năng cho nó. Nhưng về sau người ta phải từ bỏ giả thuyết này. Người ta đã thử giải thích sự tỏa năng lượng của Mặt Trời giống như ngọn lửa đơn giản, quen thuộc trên Trái Đất là nhiệt thoát ra từ các phản ứng hoá học. Nhưng rồi giả thuyết này cũng không đứng vững. Toàn bộ dự trữ "củi" Mặt Trời lẽ ra chỉ đủ đốt vài nghìn năm, mà theo số liệu của các nhà địa chất thì ngay từ giữa thế kỷ XIX, người ta đã biết rằng Trời Đất tồn tại lâu hơn nhiều và trong suốt thời gian ấy, nó luôn được Mặt Trời chiếu sáng.
Năm 1853, nhà vật lý người Đức Hecman Hemhônxơ đã đề xuất rằng nguồn năng lượng của Mặt Trời và các sao khác là sự co lại của chúng. (Khi bị co lại thì khí nóng lên, điều này những ai hay bơm xe đạp đều biết). Thêm nữa không phải toàn bộ năng lượng thoát ra đều tiêu vào việc làm cho khí nóng lên. Một phần năng lượng dành cho bức xạ. Sự co lại là nguồn năng lượng lớn hơn nhiều so với sự đốt cháy vật chất thông thường. Mặt Trời co lại có thể chiếu sáng hàng chục triệu năm. Nhưng thế vẫn chưa đủ. Nguồn năng lượng Mặt Trời hoạt động đã mấy tỉ năm. Các nhà khoa học đã thử tìm mọi cách giải thích thoát khỏi sự bế tắc này!
Nhiệm vụ càng phức tạp hơn sau khi các ngôi sao hiện ra trước các nhà nghiên cứu với toàn bộ sự đa dạng trong các tính chất của chúng.
Các đặc tính chủ yếu của một ngôi sao, mà người ta có thể xác định được từ các quan sát bằng cách này hay cách khác, là công suốt phát xạ của nó (trong thiên văn nó được gọi là độ trưng), khối lượng bán kính, nhiệt độ và thành phần hoá học của khí quyển. Biết được các tham số đã cho có thể tính ra tuổi của ngôi sao. Điều thú vị là theo tất cả các đặc tính nói trên thì Mặt Trời chiếm vị trí trung bình, không có gì đặc biệt so với các sao khác. Các tham số liệt kê ở trên biến thiên trong một phạm vi rất rộng. Ngoài ra chúng còn ràng buộc với nhau. Các sao có độ trưng cao nhất, theo lệ thường có khối lượng lớn nhất và ngược lại các sao có khối lượng nhẹ sáng rất yếu. Tất cả các tham số của sao phụ thuộc vào tuổi tác, khối lượng và thành phần hoá học của nó. Các nhà thiên văn không có khả năng theo dõi được cuộc đời của một ngôi sao từ đầu đến cuối. Ngay cả những ngôi sao yểu mệnh nhất cũng sống được hàng triệu năm, dài hơn cuộc đời không chỉ của một con người, mà của cả nhân loại. Tuy nhiên, các nhà bác học có thể quan sát nhiều sao đang ở các giai đoạn phát triển khác nhau nhất kể cả vừa mới sinh ra hay đang hấp hối. Dựa theo chân dung của vô số ngôi sao, họ cố gắng tái hiện con đường tiến hoá của mỗi ngôi sao và viết ra tiểu sử của nó.
Đường đời của sao khá phức tạp. Trong suốt lịch sử tiến hóa của mình, nó nóng lên đến nhiệt độ rất cao rồi nguội đi đến mức mà trong khí quyển của nó bắt đầu hình thành các hạt bụi nhỏ. Ngôi sao nở ra đến khi kích thước khổng lồ có thể so với kích thước quỹ đạo sao Hoả rồi lại co lại chỉ còn vài chục kilômet. Độ trưng của sao tăng lên đến các giá trị rất lớn rồi lại giảm đi gần như xuống số không.
Cuộc đời của sao không phải bao giờ cùng trôi qua êm ả. Bức tranh tiến hoá của nó còn phức tạp thêm bởi chuyển động quay đôi khi rất nhanh, tới tận giới hạn bền vững (khi quay rất nhanh các lực li tâm có xu hướng xé vụn ngôi sạo). Một số sao có vận tốc quay trên bề mặt 500 - 600 km/s. Đối với Mặt Trời đại lượng này chỉ vào khoảng 2 km/s. Mặt Trời là một ngôi sao tương đối yên bình, nhưng ngay cả nó cũng chịu các dao động có chu kỳ khác nhau, trên bề mặt của nó xảy ra các vụ nổ và vật chất bắn ra. Mức độ hoạt động của một số ngôi sao khác còn cao hơn rất nhiều. Có những giai đoạn trong sự tiến hoá, ngôi sao có thể trở thành sao biến quang, tức là thay đổi đều đặn độ sáng của nó, co vào rồi lại giãn ra. Đôi khi trên các sao xuất hiện những vụ nổ mạnh. Khi những ngôi sao nặng nhất nổ, độ sáng của chúng trong khoảng thời gian ngắn có thể vượt độ sáng của tất cả các sao còn lại trong Thiên Hà cộng lại.
Vào đầu thế kỷ XX chủ yếu nhờ vào các công trình của nhà vật lý thiên văn người Anh Athơ Eđinhtơn mà người ta đã xây dựng hoàn chỉnh được quan niệm rằng các sao là các quả cầu lửa nóng rực chứa trong lòng chúng nguồn năng lượng có từ sự tổng hợp nhiệt hạt nhân hyđrô. Về sau người ta còn biết rằng trong các sao có thể tổng hợp nên cả các nguyên tố hoá học nặng hơn. Vật chất tạo nên cuốn sách này cũng đã trải qua "lò đốt nhiệt hạch" và bị ném ra khoảng không vũ trụ khi ngôi sao sinh ra nó bị nổ.
Theo các quan niệm hiện nay, đường đời của một ngôi sao đơn lẻ được xác định bởi khối lượng ban đầu và thành phần hoá học của nó. Khối lượng tối thiểu có thể có của một ngôi sao bằng bao nhiêu thì chúng ta không dám nói chắc. Số là các ngôi sao nhẹ là những thiên thể sáng rất yếu và quan sát chúng khá khó khăn. Lý thuyết tiến hoá sao khẳng định rằng trong các vật thể có khối lượng nhỏ hơn 7 - 8% khối lượng Mặt Trời thì phản ứng nhiệt hạch không thể diễn ra lâu dài. Giá trị này gần với khối lượng tối thiểu của các ngôi sao quan sát được độ trưng của chúng nhỏ hơn độ trưng của Mặt Trời vào cỡ hàng vạn lần. Nhiệt độ trên bề mặt của những ngôi sao như vậy không vượt quá 2000 - 3000 độ. Một trong những sao trắt màu đỏ mờ nhạt như vậy là ngôi sao Proxima trong chòm sao [Bán] Nhân Mã ở gần Mặt Trời nhất.
Ở những sao khối lượng lớn thì ngược lại các phản ứng này diễn ra với tốc độ cao. Nếu khối lượng của sao sinh ra vượt quá 50 - 70 lần khối lượng Mặt Trời thì sau khi đốt hết nhiên liệu hạt nhân sự phát xạ cực mạnh có thể ném ra phần khối lượng thừa do áp suất của nó. Các ngôi sao có khối lượng gần giá trị tới hạn đã được phát hiện, chẳng hạn như trong tinh vân Nhện Sói (Tarantula nebula) ở Thiên Hà Mây Magienlăng Lớn láng giềng với chúng ta. Chúng cũng có ở trong Thiên hà của chúng ta. Sau vài triệu năm, mà cũng có thể là sớm hơn, các ngôi sao này có thể nổ như các sao siêu mới (supernoval tên gọi các sao bùng nổ với năng lượng lớn).
Lịch sử nghiên cứu thành phần hoá học của các sao bắt đầu từ giữa thế kỷ XIX, Ngay từ năm 1835 nhà triết học Pháp Ôguytxta Côngtơ (Auguste Comte) đã viết rằng thành phần hoá học của các sao đối với chúng ta vẫn sẽ là điều bí ẩn. Nhưng ít lâu sau phương pháp phân tích phổ được áp dụng cho phép biết được không chỉ Mặt Trời và các ngôi sao ở gần, mà cả các Thiên Hà xa xôi nhất và quada cấu tạo từ những chất gì. Phân tích phổ cho ta những chứng cứ không thể bác bỏ về sự thống nhất vật lý của vũ trụ. Trên các sao không phát hiện ra một nguyên tố hoá học nào chưa biết trên Trái Đất. Nguyên tố duy nhất là hêli được phát hiện trước tiên trên Mặt Trời rồi sau đó mới được phát hiện trên Trái Đất. Nhưng các trạng thái vật lý của vật chất chưa được biết đến trên Trái Đất ion hoá mạnh, sự suy biến) lại quan sát được trong khí quyển và trong lòng các sao.
Nguyên tố dồi dào nhất trong các sao là hyđrô. Hêli thì tồn tại ở các sao ít hơn hyđrô khoảng ba lần. Có điều khi nói về thành phần hoá học của các sao thì người ta ngụ ý nói đến các nguyên tố nặng hơn hêli. Tỉ lệ các nguyên tố nặng hơn hêli không lớn (khoảng 2%), nhưng chúng, theo cách diễn đạt của nhà vật lý thiên văn người Mỹ Đavit Grây, cũng giống như dúm muối bỏ vào đa xúp, tạo ra ý vị đặc biệt cho công tác của nhà nghiên cứu sao. Kích thước nhiệt độ và cả độ trưng của sao phụ thuộc rất nhiều vào số lượng các nguyên tố này.
Sau hyđrô và hêli thì các nguyên tố phổ biến nhất trên các sao cũng chính là các nguyên tố chiếm ưu thế trong thành phần hoá học của Trái Đất: ôxy cacbon, nitơ, sắt. . . Hóa ra, các ngôi sao có tuổi tác khác nhau thì thành phần hoá học cũng khác nhau. Ở những ngôi sao già nhất tỉ lệ các nguyên tố nặng hơn hêli ít hơn so với Mặt Trời tới hàng trăm hoặc hàng nghìn lần. Còn số sao có các nguyên tố này nhiều so với Mặt Trời thì không nhiều lắm. Các sao này (trong số đó nhiều sao là sao đôi) theo thông lệ là những sao khác thường xét cả về các tham số khác như nhiệt độ cường độ từ trường, vận tốc quay. Một số sao tách biệt ra xét về tỉ lệ một nguyên tố hoặc nhóm nguyên tố nào đó. Ví dụ có các sao bari hoặc sao thuỷ ngân - mangan. Nguyên nhân của những bất thường như vậy hiện nay chưa rõ lắm.
Thoạt đầu có thể tưởng rằng việc nghiên cứu cái lượng chất thêm thắt quá ít ấy không giúp gì nhiều cho việc hiểu biết sự tiến hoá của các sao. Nhưng thực ra lại không phải như vậy. Các nguyên tố hoá học nặng hơn hêli đã được hình thành do các phản ứng hạt nhân và nhiệt hạch trong lòng các sao rất nặng về khối lượng, khi có các vụ nổ các sao mới và siêu mới của các thế hệ trước. Nghiên cứu sự phụ thuộc của thành phần hoá học vào tuổi sao giúp ta soi sáng lịch sử hình thành chúng và các thời kỳ khác nhau, soi sáng sự tiến hoá về hoá học của Vũ Trụ nói chung.
Từ trường của sao đóng vai trò quan trọng trong đời sống của nó. Hầu như tất cả các biểu hiện của sự hoạt động của Mặt Trời đều gắn với từ trường: các vết đen, các vụ nổi các đốm sáng. . . Trên các sao mà từ trường mạnh hơn từ trường Mặt Trời, các quá trình này diễn ra với cường độ mạnh hơn hẳn. Nói riêng, sự biến thiên độ sáng của một số sao được giải thích bằng sự xuất hiện các vết đen tương tự như các vết Mặt Trời, nhưng bao phủ hàng chục phần trăm bề mặt sao. Tuy nhiên các cơ chế vật lý tạo ra tính hoạt động của các sao còn chưa được nghiên cứu đến nơi đến chốn. Từ trường có cường độ lớn nhất đạt được trên các sao tàn co chặt lại: các sao lùn trắng và đặc biệt là sao nơtrôn.
Chỉ trong khoảng thời gian hơn hai thế kỷ quan niệm về các ngôi sao đã thay đổi ghê gớm. Từ những chấm sáng xa xôi và lãnh đạm trên trời chúng đã trở thành đối tượng nghiên cứu vật lý toàn diện. Như để trả lời cho sự trách cứ của Xanh - Êcduypêri, nhà vật lý Mỹ Risớt Phâynơman đã bày tỏ quan điểm của các nhà khoa học về vấn đề này: "Các nhà thơ bảo rằng khoa học làm mất đi vẻ đẹp của các ngôi sao. Đối với khoa học, các ngôi sao chỉ đơn giản là những quả cầu khí. Hoàn toàn không đơn giản như vậy. Tôi cũng ngắm các ngôi sao và cũng cảm thấy vẻ đẹp của chúng. Chỉ có điều ai trong chúng ta nhìn thấy nhiều hơn?"
Nhờ sự phát triển của kỹ thuật quan sát mà các nhà thiên văn đã có khả năng nghiên cứu không chỉ sự phát xạ nhìn thấy được, mà cả sự phát xạ vô hình đối với mắt người của các sao. Bây giờ người ta đã biết nhiều điều về cấu tạo và sự tiến hoá của chúng tuy vẫn còn không ít điều chưa hiểu được. Thời gian vẫn còn ở phía trước để ước mơ của người tạo lập nền khoa học hiện đại về các ngôi sao Atho Eđinhtơn trở thành hiện thực và rốt cuộc chúng ta "có thể hiểu được cái điều đơn giản như thế: ngôi sao".
