Sao tối là những đối tượng lý thuyết được cho là hoạt động nhờ vật chất tối và có thể đã tồn tại trong giai đoạn sớm của vũ trụ. Nếu chúng tồn tại, những con quái vật bí ẩn này sẽ không chỉ là những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ, chúng còn có thể giải thích cho sự xuất hiện của các lỗ đen siêu nặng.
Cháy sáng nhờ vật chất tối
Các sao thông thường đều hoạt động theo cùng một cách: nhiệt hạch. Các sao là những vật thể nặng tới mức chúng luôn có nguy cơ sụp đổ vào chính mình. Nhưng trong khi lực hấp dẫn siết chặt một ngôi sao lại, nó tạo ra lượng nhiệt trong lõi sao nhiều tới mức nghiền nát các nguyên tử và giải phóng ra năng lượng. Năng lượng này gây ra áp suất hướng ra ngoài đủ lớn để cân bằng với sự sụp đổ do hấp dẫn của ngôi sao.
Nhưng với các sao tối, câu chuyện có khác đôi chút.
Lý thuyết gợi ý rằng các sao tối (*) được tạo thành hầu hết bởi vật chất tương tự như ở sao bình thường - chủ yếu là hydro và heli. Nhưng bởi các sao tối về lý thuyết thì hình thành trong vũ trụ sơ khai, khi mà vũ trụ đặc hơn nhiều, chúng cũng có thể chứa một phần nhỏ vật chất tối dưới dạng các hạt nặng tương tác yếu (viết tắt là WIMP) - loại hạt được cho là thành phần chính của vật chất tối.
Những hạt WIMP này được cho là có thể tương tác với nhau như với phản hạt của chính chúng, tức là một hạt có thể tương tác với hạt khác và hủy lẫn nhau để sinh ra năng lượng. Trong một sao tối, năng lượng khổng lồ từ sự tiêu hủy của các hạt WIMP có thể cung cấp một áp suất hướng ra ngoài đủ lớn để ngăn sự co lại mà không cần tới quá trình nhiệt hạch ở lõi.
Theo nhà nghiên cứu sao tối Katherine Freese ở UT-Austin (Đại học Texas đặt tại Austin - Mỹ), các hạt WIMP chỉ chiếm khoảng 0,1% tổng khối lượng của sao. Nhưng chỉ một phần nhỏ như vậy cũng có thể giữ cho sao tối giữ được trạng thái như vậy trong hàng triệu hay thậm chí có thể là hàng tỷ năm.
Các sao tối trông ra sao?
Sao tối không chỉ hành xử khác với sao bình thường mà hình dạng của chúng cũng khác.
Vì các sao tối không phụ thuộc vào nhiệt hạch ở lõi để chống lại sự sụp đổ hấp dẫn, chúng không bị nén chặt như các sao bình thường. Thay vào đó, sao tối giống như những đám mây khổng lồ, phồng to và rất sáng. Theo Freese, vì đặc điểm đó, các sao tối thậm chí có thể có đường kính lên tới 10 đơn vị thiên văn (10 AU) - tức là bằng 10 lần khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời.
"Chúng sẽ tiếp tục lớn lên chừng nào vẫn còn nhiên liệu vật chất tối," Freese nói. "Chúng tôi cho rằng chúng có thể đạt tới 10 triệu lần khối lượng Mặt Trời và sáng gấp Mặt Trời 10 tỷ lần. Nhưng chúng tôi không biết chắc. Về nguyên lý thì không có giới hạn nào cả."
Hình vẽ mô tả của Astronomy.com về va chạm và tiêu hủy lẫn nhau của các WIMP (trái) và hình dạng cơ bản của sao tối (phải).
Tìm kiếm sao tối
Một trong những rào cản trong việc chứng minh sự tồn tại của sao tối là chúng sống phụ thuộc vào sự tiêu hủy vật chất tối. Tuy nhiên, sự tiêu hủy này chủ yếu xảy ra trong giai đoạn rất sớm của vũ trụ, khi mà các hạt vật chất tối còn ở rất gần nhau. Vì vậy, để tìm kiếm sao tối, chúng ta cần những kính thiên văn đủ mạnh để nhìn vào quá khứ rất xa.
Theo Freese, điều may mắn là kính thiên văn không gian James Webb sắp đi vào hoạt động có thể đủ khả năng phát hiện các sao tối.
"Chúng sẽ hoàn toàn khác với các sao nóng," Freese nói. "Các sao tối rất lạnh (khoảng 9.700 độ C). Vì thế, về tần số của ánh sáng thì chúng sẽ giống với những sao như Mặt Trời hơn, dù chúng sáng hơn nhiều. Sự kết hợp của lạnh và sáng như vậy rất khó giải thích đối với các thiên thể khác."
"Thật là một viễn cảnh thú vị khi mà một loại sao hoàn toàn mới có thể sẽ được khám phá ra trong dữ liệu sắp có," Freese và các đồng nghiệp của bà viết trong một bài báo.
Hạt giống của các lỗ đen siêu nặng
Nếu các nhà nghiên cứu có thể tìm ra bằng chứng về sự tồn tại của sao tối, điều đó sẽ thay đổi cách mà chúng ta nghĩ về những giai đoạn sớm của vũ trụ. Các sao tối sẽ nhanh chóng trở thành ứng cử viên hàng đầu cho thế hệ sao đầu tiên khi mà chúng hình thành vào thời điểm chỉ khoảng 200 triệu năm sau Big Bang.
Các sao tối cũng có thể giải thích một trong những câu hỏi hóc búa nhất trong vũ trụ học: Các lỗ đen siêu nặng hình thành như thế nào?
"Nếu một sao tối có khối lượng hàng triệu lần Mặt Trời được tìm thấy (bởi kính James Webb) ở thời điểm rất sớm, thì rõ ràng một vật thể như thế sẽ trở thành một lỗ đen," Freese nói. "Sau đó, những thứ này có thể hợp nhất với nhau và tạo thành các lỗ đen siêu nặng. Một kịch bản rất hợp lý!"
Bryan
Dịch từ Astronomy
(*) Sao tối là thuật ngữ dịch ra từ "dark star", ý là sao hoạt động nhờ vật chất tối, mặc dù nó vẫn rất sáng.
Các bài nên đọc để nắm rõ hơn về các khái niệm và cơ chế có nêu trong bài:
- Sao: cấu tạo và tiến hóa
- Lỗ đen, lỗ trắng và lỗ sâu
- Vật chất tối và năng lượng tối
- Phản hạt và phản vật chất
