Điều gì tiếp theo sau khi Betelgeuse nổ siêu tân tinh?

Ngôi sao gần nhất được biết đến sẽ sớm trải qua sự sụp đổ lõi là Betelgeuse, chỉ cách chúng ta 640 năm ánh sáng. Đây là những gì chúng ta sẽ quan sát được.

Các ngôi sao trên bầu trời đêm, như chúng ta thường cảm nhận, thường tĩnh lặng và không thay đổi trước mắt chúng ta. Tất nhiên, có những ngôi sao biến quang sáng lên và mờ đi, nhưng phần lớn chúng làm điều đó một cách đều đặn và tuần hoàn, với chỉ một vài ngoại lệ. Một trong những ngoại lệ nổi bật nhất là Betelgeuse, ngôi sao siêu khổng lồ đỏ tạo thành một trong các vai của chòm sao Orion. Trong năm năm qua, nó không chỉ thay đổi độ sáng mà còn có sự mờ đi vào cuối năm 2019 và đầu năm 2020, tiếp theo là sự sáng bất thường vào năm 2023, thể hiện sự biến đổi theo cách chưa từng được nhân loại chứng kiến.

Các quan sát nổi bật về Betelgeuse

Betelgeuse thường là ngôi sao sáng thứ 10 trên bầu trời của chúng ta, nhưng đã rơi ra khỏi top 20 trong thời điểm mờ nhất vào năm 2020 và tăng lên vị trí sáng thứ 7 vào năm 2023. Là một ngôi sao siêu khổng lồ đỏ, chỉ còn là vấn đề thời gian trước khi nó trải qua một vụ nổ siêu tân tinh do sụp đổ lõi, mặc dù không ai biết cách dự đoán chính xác khi nào điều đó sẽ xảy ra. Không có lý do khoa học nào để tin rằng Betelgeuse có nguy cơ nổ siêu tân tinh cao hơn vào hôm nay so với bất kỳ ngày ngẫu nhiên nào trong ~100.000 năm tới. Tuy nhiên, nhiều người trong chúng ta – bao gồm cả các nhà thiên văn học chuyên nghiệp và nghiệp dư – hy vọng sẽ được chứng kiến vụ siêu tân tinh bằng mắt thường đầu tiên trong thiên hà của chúng ta kể từ năm 1604. Dù không gây nguy hiểm cho chúng ta, nó sẽ vô cùng ngoạn mục. Đây là những gì chúng ta có thể quan sát được từ Trái Đất.

Mô phỏng bề mặt của một ngôi sao siêu khổng lồ đỏ, tua nhanh để hiển thị toàn bộ một năm tiến hóa chỉ trong vài giây, cho thấy cách một ngôi sao siêu khổng lồ đỏ bình thường tiến hóa trong thời kỳ yên tĩnh tương đối mà không có thay đổi rõ rệt trong các quá trình bên trong. Sự khổng lồ của bề mặt và tính dễ biến động của các lớp ngoài mỏng manh dẫn đến sự biến đổi lớn trong thời gian ngắn nhưng không đều.

Hiện tại, Betelgeuse:

– Cực kỳ khổng lồ,

– Có hình dạng không đều,

– Và có nhiệt độ bề mặt không đồng nhất.

Cách chúng ta khoảng 640 năm ánh sáng, nó mát hơn Mặt Trời của chúng ta hơn 2.000 °C, nhưng cũng lớn hơn nhiều, với bán kính khoảng 900 lần bán kính của Mặt Trời và chiếm thể tích lớn hơn khoảng 700.000.000 lần. Nếu thay thế Mặt Trời bằng Betelgeuse, nó sẽ bao phủ cả Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, Sao Hỏa, vành đai tiểu hành tinh và thậm chí cả Sao Mộc!

Tuy nhiên, xung quanh Betelgeuse cũng có những sự phát xạ mở rộng khổng lồ từ vật chất đã bị thổi bay trong vài chục nghìn năm qua: vật chất và khí lan xa hơn cả quỹ đạo của Sao Hải Vương xung quanh Mặt Trời của chúng ta. Qua thời gian, khi siêu tân tinh không thể tránh khỏi đến gần, Betelgeuse sẽ tiếp tục mất khối lượng, mở rộng thêm, sáng lên và mờ đi hỗn loạn, đồng thời đốt các nguyên tố nặng dần trong lõi của nó.

Tinh vân vật chất bị Betelgeuse đẩy ra, với vòng tròn đỏ bên trong thể hiện tỷ lệ kích thước. Cấu trúc này, giống như những ngọn lửa phát ra từ ngôi sao, được hình thành vì ngôi sao khổng lồ này đang phóng vật chất của nó vào không gian. Sự phát xạ mở rộng vượt xa quỹ đạo tương đương với quỹ đạo của Sao Hải Vương quanh Mặt Trời. Theo thống kê, có khoảng 1/4000 cơ hội rằng Betelgeuse đã nổ tung, và chúng ta chỉ đang chờ ánh sáng của nó đến.

Ngay cả khi nó chuyển sang các giai đoạn tiên tiến hơn trong lõi của mình, từ đốt carbon sang neon, oxy, và cuối cùng là tổng hợp silicon, chúng ta cũng sẽ không có bất kỳ dấu hiệu quan sát trực tiếp nào về các sự kiện này. Tốc độ tổng hợp trong lõi và sản lượng năng lượng sẽ thay đổi, nhưng hiểu biết của chúng ta về cách điều này ảnh hưởng đến quang quyển và sắc quyển của ngôi sao – phần mà chúng ta có thể quan sát – còn quá nghèo nàn để đưa ra dự đoán cụ thể. Phổ năng lượng của các neutrino sinh ra trong lõi, điều quan sát được duy nhất mà chúng ta biết sẽ thay đổi, chỉ trở nên quan trọng trong giai đoạn đốt silicon, và ngay cả lúc đó, chúng ta cũng chỉ có vài ngày để dự đoán vụ nổ siêu tân tinh.

Giai đoạn lõi của Betelgeuse sụp đổ

Vào một thời điểm quan trọng trong quá trình tiến hóa của ngôi sao, quá trình đốt cháy silicon trong lõi bên trong Betelgeuse sẽ hoàn tất, và áp suất bức xạ sâu bên trong ngôi sao sẽ giảm mạnh. Vì áp suất này là thứ duy nhất giữ cho ngôi sao không bị sụp đổ do lực hấp dẫn, nên lõi bên trong, chứa các nguyên tố như sắt, cobalt và nickel, sẽ bắt đầu sụp đổ vào bên trong.

Hình (bên trái) mô tả nội thất của một ngôi sao lớn trong giai đoạn cuối cùng trước khi nổ siêu tân tinh, khi đốt silicon vẫn đang diễn ra. (Trong giai đoạn này, các nguyên tố như sắt, nickel và cobalt hình thành trong lõi.) Một hình ảnh từ kính viễn vọng Chandra (bên phải) về tàn dư siêu tân tinh Cassiopeia A ngày nay cho thấy các nguyên tố như sắt (màu xanh), lưu huỳnh (màu xanh lá cây), và magiê (màu đỏ). Betelgeuse dự kiến sẽ đi theo con đường tương tự như các siêu tân tinh do sụp đổ lõi đã được quan sát trước đó.

Thật khó để hình dung quy mô của sự kiện này: một vật thể với tổng khối lượng khoảng 20 lần khối lượng Mặt Trời, trải rộng trên thể tích tương đương quỹ đạo của Sao Mộc, với lõi bên trong so sánh được với (và nặng hơn) Mặt Trời, đột ngột bắt đầu sụp đổ nhanh chóng. Mặc dù lực hấp dẫn kéo mọi thứ vào trong là rất lớn, nó trước đây vẫn được cân bằng bởi áp suất bức xạ từ sự tổng hợp hạt nhân bên trong. Giờ đây, quá trình tổng hợp đó (và áp suất hướng ra ngoài) đột ngột biến mất, khiến sự sụp đổ tiến triển mà không bị cản trở.

Các hạt nhân nguyên tử bên trong cùng – một tập hợp dày đặc của sắt, nickel, cobalt và các nguyên tố tương tự – bị ép chặt lại với nhau và hợp nhất thành một quả cầu neutron khổng lồ. Các lớp bên trên cũng sụp đổ nhưng dội lại từ lõi sao neutron, kích hoạt một vụ nổ tổng hợp hạt nhân đáng kinh ngạc. Khi các lớp vật chất tích tụ, chúng dội lại, tạo ra các sóng tổng hợp hạt nhân, bức xạ và áp suất lan rộng khắp ngôi sao.

Cấu tạo của siêu tân tinh do sụp đổ lõi. Trong các vùng bên trong của một ngôi sao trải qua siêu tân tinh sụp đổ lõi, một sao neutron bắt đầu hình thành trong lõi, trong khi các lớp bên ngoài va chạm và trải qua các phản ứng tổng hợp không kiểm soát. Neutron, neutrino, bức xạ, và một lượng năng lượng khổng lồ được tạo ra, với neutrino và phản neutrino mang phần lớn năng lượng của siêu tân tinh ra ngoài. Việc phần tàn dư trở thành sao neutron hay lỗ đen cuối cùng phụ thuộc vào lượng khối lượng còn lại trong lõi trong quá trình này.

Các phản ứng tổng hợp này diễn ra trong một khoảng thời gian cực ngắn, chỉ khoảng 10 giây, và phần lớn năng lượng được mang đi dưới dạng neutrino, vốn hiếm khi tương tác với vật chất. Các hạt mang năng lượng còn lại, bao gồm neutron, hạt nhân, electron, và photon, dù có năng lượng lớn đến đâu, vẫn phải truyền năng lượng qua toàn bộ các lớp ngoài của ngôi sao.

Neutrino: Dấu hiệu đầu tiên

Do điều này, neutrino trở thành tín hiệu đầu tiên thoát ra và đến Trái Đất. Với năng lượng mà các siêu tân tinh truyền cho các hạt này – khoảng ~10 – 50 MeV mỗi lượng tử năng lượng – các neutrino sẽ di chuyển với tốc độ không thể phân biệt được với tốc độ ánh sáng. Khi siêu tân tinh xảy ra (hoặc đã xảy ra, có thể từ thế kỷ 14 trở đi), các neutrino sẽ là tín hiệu đầu tiên đến Trái Đất, sau khoảng 640 năm.

Sự kiện neutrino, nhận biết qua các vòng bức xạ Cherenkov xuất hiện dọc theo các ống nhân quang lót tường của bộ dò, minh họa phương pháp thành công của ngành thiên văn học neutrino. Hình ảnh này cho thấy nhiều sự kiện và là một phần của loạt thí nghiệm mở đường cho sự hiểu biết lớn hơn về neutrino. Neutrino được phát hiện vào năm 1987 đánh dấu bình minh của ngành thiên văn học neutrino và sự chuyển đổi của các thí nghiệm phân rã nucleon thành các thí nghiệm dò neutrino.

Năm 1987, một siêu tân tinh cách 168.000 năm ánh sáng đã tạo ra tín hiệu của hơn 20 neutrino qua ba bộ dò neutrino nhỏ hoạt động vào thời điểm đó. Hiện nay, có nhiều đài quan sát neutrino lớn hơn và nhạy hơn rất nhiều so với 37 năm trước. Với Betelgeuse chỉ cách chúng ta 640 năm ánh sáng, tín hiệu này dự kiến mạnh hơn khoảng 70.000 lần trên Trái Đất nhờ khoảng cách gần.

Nếu Betelgeuse nổ siêu tân tinh vào cuối năm 2024, dấu hiệu chắc chắn đầu tiên sẽ là sự tràn ngập neutrino năng lượng cao trong các máy dò neutrino trên toàn thế giới, diễn ra trong khoảng 10–15 giây. Sẽ có hàng triệu, thậm chí hàng chục triệu neutrino được phát hiện cùng một lúc bởi các đài quan sát.

Vài giờ sau, khi các gợn sóng năng lượng đầu tiên từ vụ nổ này đến được các lớp ngoài của ngôi sao, một bùng nổ photon sẽ xuất hiện: một đợt tăng đột ngột khiến độ sáng của Betelgeuse tăng lên đáng kể.

Năm 2011, một ngôi sao trong một thiên hà xa xôi, tình cờ nằm trong tầm quan sát của sứ mệnh Kepler của NASA, đã tự phát và tình cờ nổ siêu tân tinh. Đây là lần đầu tiên một vụ siêu tân tinh được ghi nhận trong quá trình chuyển từ trạng thái sao bình thường sang sự kiện siêu tân tinh, với một đợt bùng nổ tạm thời làm độ sáng của ngôi sao tăng khoảng 7.000 lần so với giá trị trước đó.

Bất ngờ, độ sáng của Betelgeuse sẽ tăng lên khoảng 7.000 lần so với giá trị ổn định trước đó. Từ một trong những ngôi sao sáng nhất trên bầu trời đêm, nó sẽ sáng ngang với ánh trăng lưỡi liềm mỏng – tức khoảng 40 lần sáng hơn hành tinh Sao Kim. Độ sáng đỉnh điểm này chỉ kéo dài vài phút trước khi giảm xuống mức sáng gấp khoảng 5 lần so với trước đây, nhưng sau đó quá trình tăng độ sáng truyền thống của siêu tân tinh sẽ bắt đầu.

Trong khoảng thời gian 10 ngày, độ sáng của Betelgeuse sẽ dần tăng lên, cuối cùng trở nên sáng ngang với Mặt Trăng tròn. Độ sáng của nó sẽ vượt qua tất cả các ngôi sao và hành tinh sau khoảng một giờ, đạt mức sáng của nửa Mặt Trăng sau ba ngày, và đạt độ sáng tối đa sau khoảng 10 ngày. Với những người quan sát bầu trời trên toàn thế giới, Betelgeuse sẽ trông còn sáng hơn cả Mặt Trăng tròn, bởi vì thay vì tỏa sáng trên diện tích nửa độ như Mặt Trăng, toàn bộ ánh sáng sẽ tập trung vào một điểm duy nhất, cực kỳ sáng.

Chòm sao Orion nếu Betelgeuse nổ siêu tân tinh trong tương lai gần. Ngôi sao sẽ sáng ngang với Mặt Trăng tròn, nhưng tất cả ánh sáng sẽ tập trung vào một điểm thay vì lan tỏa trên một đĩa có đường kính khoảng nửa độ. Độ sáng đỉnh điểm dự kiến đạt được khoảng hai tuần sau vụ nổ ban đầu.

Giai đoạn sáng rực rỡ

Là một siêu tân tinh loại II, ánh sáng từ Betelgeuse sau vụ nổ sẽ duy trì độ sáng trong một khoảng thời gian khá dài, mặc dù có sự khác biệt lớn giữa các loại siêu tân tinh về mức độ sáng tối đa và cách chúng duy trì độ sáng này trong thời gian dài. (Khi sự kiện như vậy xảy ra trong thiên hà của chúng ta lần tới, nó sẽ dạy chúng ta rất nhiều về mối quan hệ giữa ngôi sao tiền thân và vụ nổ siêu tân tinh mà nó tạo ra!) Sau khi đạt độ sáng tối đa, siêu tân tinh sẽ dần mờ đi trong khoảng một tháng, trở nên tối ngang với nửa Mặt Trăng sau 30 ngày.

Trong hai tháng tiếp theo, độ sáng của nó sẽ duy trì gần như không đổi, đến mức chỉ các thiết bị chuyên dụng và các nhà nhiếp ảnh thiên văn mới có thể phát hiện sự giảm sáng rất nhỏ; mắt thường không thể nhận thấy sự thay đổi này. Tuy nhiên, sau giai đoạn này, độ sáng sẽ giảm mạnh và đột ngột trong tháng thứ tư kể từ khi vụ nổ xảy ra: nó sẽ chỉ sáng hơn Sao Kim một chút vào cuối giai đoạn này. Cuối cùng, trong một hoặc hai năm tiếp theo, độ sáng sẽ mờ dần cho đến khi biến mất khỏi tầm nhìn của mắt thường, với tàn dư siêu tân tinh chỉ có thể nhìn thấy qua kính thiên văn.

Đường cong độ sáng của siêu tân tinh theo thời gian (tính bằng ngày kể từ vụ nổ), với các giai đoạn khác nhau được đánh dấu. Nó so sánh dữ liệu từ một số siêu tân tinh với các mô hình được biểu thị bằng các đường và ngôi sao.

Tại đỉnh điểm độ sáng, Betelgeuse sẽ tỏa sáng tương đương với khoảng 10 tỷ Mặt Trời tập trung lại; nhưng sau vài năm, nó sẽ quá mờ để mắt thường có thể nhìn thấy. Lý do siêu tân tinh giữ được độ sáng trong khoảng ba tháng đầu tiên không phải từ vụ nổ chính, mà là từ sự kết hợp của quá trình phân rã phóng xạ (ví dụ từ cobalt) và khí mở rộng trong tàn dư siêu tân tinh.

Trong ba tháng đầu tiên, Betelgeuse sẽ sáng đến mức có thể nhìn thấy rõ ràng vào cả ban ngày lẫn ban đêm; chỉ sau khoảng tháng thứ tư, nó mới trở thành một đối tượng chỉ có thể nhìn thấy vào ban đêm. Khi độ sáng của nó dần mờ đi và trông giống một ngôi sao bình thường, các cấu trúc mở rộng sẽ vẫn được chiếu sáng qua kính thiên văn trong hàng thập kỷ, thế kỷ và thậm chí thiên niên kỷ. Nó sẽ trở thành tàn dư siêu tân tinh gần nhất trong lịch sử được ghi nhận, và sẽ là một cảnh tượng ngoạn mục (và đối tượng nghiên cứu thiên văn học) cho nhiều thế hệ sau.

Tàn dư siêu tân tinh SN 1987A trong sáu bước sóng ánh sáng khác nhau. Mặc dù đã 37 năm kể từ khi vụ nổ xảy ra, và dù nó nằm ngay trong vùng sân sau của chúng ta, vật liệu xung quanh động cơ trung tâm vẫn chưa được dọn sạch đủ để lộ ra phần tàn dư sao. Ngược lại, các đối tượng giống Cow (còn được gọi là các chuyển tiếp quang học xanh nhanh) có lõi được lộ gần như ngay lập tức.

Sự kiện thiên văn lịch sử

Bất cứ khi nào Betelgeuse (hoặc một ngôi sao siêu khổng lồ đỏ gần đó) cuối cùng nổ siêu tân tinh – và điều này có thể xảy ra vào đêm nay, thập kỷ tới, hoặc 100.000 năm nữa – nó sẽ trở thành sự kiện thiên văn được chứng kiến nhiều nhất trong lịch sử nhân loại, có thể nhìn thấy bởi gần như toàn bộ cư dân Trái Đất.

Tín hiệu đầu tiên đến sẽ không phải là ánh sáng mà là các neutrino, một loại hạt thường rất khó phát hiện, sẽ tràn ngập các máy dò trên Trái Đất với số lượng hàng triệu.

Vài giờ sau đó, ánh sáng sẽ đến trong một đợt bùng nổ đầu tiên, tiếp theo là sự tăng sáng dần trong hơn một tuần, và sau đó giảm dần qua các giai đoạn trong vài tháng trước khi mờ dần trong nhiều năm. Tàn dư, bao gồm các lớp khí bên ngoài được chiếu sáng hàng nghìn năm, sẽ tiếp tục làm say mê con cháu chúng ta trong nhiều thế hệ. Chúng ta không biết chính xác khi nào buổi trình diễn này sẽ bắt đầu, nhưng ít nhất chúng ta biết cần tìm kiếm và kỳ vọng gì khi nó thực sự xảy ra!