Sự truyền khối lượng giữa các ngôi sao không phải là hiện tượng hiếm. Hầu hết các ngôi sao (bao gồm cả những ngôi sao khối lượng lớn) được sinh ra thành các cặp sao kép và đây là điều kiện thuận lợi để vật chất được truyền từ ngôi sao này sang ngôi sao kia. Vì các ngôi sao phồng to khi già đi và tiến hóa, những tương tác giữa các cặp sao gần như chắc chắn sẽ xảy ra.
Sự truyền khối lượng có thể tác động sâu sắc đến các ngôi sao. Chúng có thể sáp nhập hoặc thậm chí kích hoạt một vụ nổ supernova. Ngôi sao sống sót có thể trông như đã tồn tại đơn độc từ đầu, không có dấu hiệu rõ ràng cho thấy từng xảy ra quá trình truyền khối lượng. Cũng không có dấu hiệu rõ ràng cho thấy quá trình tiến hóa của nó đã bị thay đổi vĩnh viễn.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu từ các Viện Max Planck đã phát triển một phương pháp xác định những ngôi sao đơn lẻ từng nhận vật chất từ một sao đồng hành nay đã biến mất. Chìa khóa nằm ở độ kim loại của ngôi sao. Nhưng không phải độ kim loại tổng thể mà là hàm lượng của một số nguyên tố ở gần bề mặt ngôi sao.
Phương pháp mới này cùng những kết quả đầu tiên được trình bày trong nghiên cứu có tiêu đề "Dấu ấn hóa học của sự truyền khối lượng trong sao kép khối lượng lớn". Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Astronomy với các tác giả Harim Jin và Norbert Langer. Tác giả chính Jin đến từ Viện Vật lý thiên văn Max Planck còn Langer đến từ Viện Thiên văn vô tuyến Max Planck.
"Nó giống như tìm thấy dấu vân tay tại hiện trường vụ án. Một khi biết cần tìm gì, bạn có thể tái dựng toàn bộ chuỗi sự kiện, ngay cả khi những đối tượng ban đầu đã biến mất từ lâu." - Harim Jin, Viện Vật lý thiên văn Max Planck
"Các ngôi sao khối lượng lớn chủ yếu được sinh ra trong các hệ sao kép gần nhau," các nhà nghiên cứu giải thích. "Khi các ngôi sao phồng to ở giai đoạn cuối vòng đời, việc truyền khối lượng hoặc thậm chí sáp nhập với sao đồng hành là điều không thể tránh khỏi. Tuy nhiên, hầu hết các sản phẩm của tương tác sao kép đều xuất hiện dưới dạng những ngôi sao đơn lẻ, khiến phần lớn bằng chứng về quá khứ đặc biệt của chúng bị mất đi."
Khoảng 70% các ngôi sao khối lượng lớn có một sao đồng hành đủ gần để quá trình truyền khối lượng chắc chắn xảy ra. Nhưng quá trình truyền khối lượng diễn ra rất nhanh, trong thời gian chưa đến 0,1% tuổi thọ của một ngôi sao. Vì vậy, khả năng quan sát trực tiếp quá trình này là rất thấp. "Đồng thời, thời gian diễn ra quá dài để các mô hình thủy động lực học có thể đánh giá hoàn toàn quá trình này," Jin và Langer viết.
Các nhà vật lý thiên văn muốn tìm hiểu thêm về quá trình truyền khối lượng, bao gồm mức độ ổn định của nó. Họ cũng muốn biết hiệu suất của quá trình này, tức tỷ lệ vật chất bị tước khỏi ngôi sao cho vật chất thực sự được bồi tụ lên ngôi sao chính là bao nhiêu.
"Sự truyền khối lượng trong sao kép làm thay đổi mạnh mẽ quá trình tiến hóa và số phận của các ngôi sao liên quan, thậm chí thường dẫn đến sự sáp nhập của cả hai thành phần hoặc thay đổi việc các ngôi sao có phát nổ hay không, phát nổ như thế nào và tạo ra những tàn dư cuối cùng nào," các tác giả viết. Những thay đổi này ảnh hưởng đến hiểu biết tổng thể của chúng ta về hoạt động của các ngôi sao, bao gồm cả những tác động phản hồi từ các ngôi sao khối lượng lớn, vốn định hình quá trình tiến hóa của các thiên hà.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu khảo sát cái mà họ gọi là "một lưới toàn diện gồm các mô hình tiến hóa chi tiết của sao kép khối lượng lớn". Họ phát hiện những mô hình hoặc xu hướng trong lưới mô hình này, tập trung vào hàm lượng các nguyên tố như helium, carbon, nitrogen và oxygen ở bề mặt sao.
Ý tưởng cơ bản là thành phần nguyên tố bên trong ngôi sao khác với thành phần ở bề mặt. Các lớp ngoài của một ngôi sao còn tương đối nguyên thủy, trong khi thành phần của lõi bị chi phối bởi quá trình nhiệt hạch. Lõi giàu nitrogen và helium hơn, đồng thời bị suy giảm carbon và oxygen.
Khi quá trình truyền khối lượng xảy ra, ngôi sao nhận vật chất sẽ nhận vật chất từ cả lõi và bề mặt của ngôi sao cho vật chất. Tuy nhiên, những vật chất được bồi tụ này chỉ tích tụ ở bề mặt của ngôi sao nhận vật chất, khiến chúng có thể được quan sát. Các tác giả cho biết những ngôi sao từng nhận vật chất theo cách này tuân theo một mô hình có thể dự đoán trên biểu đồ hàm lượng CNO.
Biểu đồ CNO thể hiện hai tỷ số: nitrogen trên carbon và nitrogen trên oxygen. Trên biểu đồ, những ngôi sao nhận vật chất nổi bật so với các ngôi sao cho vật chất và các ngôi sao đơn lẻ.
Hình này chứa rất nhiều thông tin nhưng phần đáng chú ý là vị trí của những ngôi sao nhận vật chất. Hãy chú ý đến ngôi sao Gamma Columbae (γ Columbae) gần góc trên bên trái. Ngôi sao đặc biệt này từng khiến các nhà thiên văn đau đầu, nhưng phương pháp mới đã hé lộ bản chất thực sự của nó: một ngôi sao từng nhận vật chất. (Nguồn: Jin và Langer 2026, Nature Astronomy)
"Hóa học bề mặt của các ngôi sao khối lượng lớn không chỉ là sản phẩm phụ của quá trình tiến hóa mà nó là bản ghi câu chuyện của chúng," tác giả chính Jin cho biết trong một thông cáo báo chí. "Lần đầu tiên, chúng ta có thể đọc câu chuyện đó một cách chi tiết, ngay cả khi các ngôi sao dường như tồn tại đơn độc trên bầu trời."
Phương pháp của họ cho phép tái dựng lịch sử của một ngôi sao, bao gồm cả lượng vật chất mà ngôi sao nhận vật chất đã bồi tụ và thành phần của lượng vật chất đó. Từ đó, họ có thể xác định khối lượng của cả hai ngôi sao và hiệu suất bồi tụ vật chất.
"Phương pháp này mở ra cho chúng ta một cửa sổ trực tiếp vào cuộc đời ẩn giấu của các ngôi sao," Jin nói thêm. "Nó giống như tìm thấy dấu vân tay tại hiện trường vụ án - một khi biết cần tìm gì, bạn có thể tái dựng toàn bộ chuỗi sự kiện, ngay cả khi những đối tượng ban đầu đã biến mất từ lâu."
Hình này cho thấy ba giai đoạn của quá trình truyền khối lượng ở ngôi sao bồi tụ. Bên trái là trước khi bồi tụ vật chất, ở giữa là ngay sau khi bồi tụ vật chất nhưng ngay trước khi xảy ra quá trình trộn nhanh. Bên phải là trong quá trình trộn chậm ở giai đoạn tiến hóa tiếp theo theo thang thời gian hạt nhân. Hướng xuyên tâm của mỗi lát biểu thị khối lượng được bao quanh. (Nguồn: Jin và Langer 2026, Nature Astronomy)
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp này để giải mã bí ẩn về một ngôi sao có tên Gamma Columbae (γ Columbae). Ngôi sao này cách chúng ta khoảng 1.050 năm ánh sáng, có khối lượng khoảng 6 lần Mặt Trời và khoảng 24 triệu năm tuổi. Các nhà thiên văn từng cho rằng γ Columbae là phần lõi còn lại của một ngôi sao đã bị tước mất các lớp ngoài.
Nhưng theo Jin và Langer, điều đó không đúng. "Đối với γ Columbae, vốn được cho là một ngôi sao bị tước lớp vỏ bao quanh, chúng tôi cho thấy nó thực chất là một ngôi sao nhận vật chất, trong khi sao đồng hành của nó có lẽ đã tạo ra một supernova bị tước lớp vỏ," các tác giả viết. Hóa học bề mặt của ngôi sao cho thấy tỷ số nitrogen trên carbon cao, tỷ số nitrogen trên oxygen ở mức vừa phải và hàm lượng helium tăng cao. Đây chính xác là những đặc điểm mà nghiên cứu của nhóm dự đoán một ngôi sao nhận vật chất sẽ có.
Các nhà nghiên cứu cho rằng khoảng 17% vật chất của γ Columbae là vật chất bị tước đi. "... chúng tôi nhận thấy rằng, dựa trên dấu ấn CNO của nó, vật chất trong lớp bao thể hiện hàm lượng ở trạng thái cân bằng CN gần như không bị pha loãng," họ viết.
Nhưng sức mạnh của phương pháp này không chỉ giới hạn ở ngôi sao nhận vật chất mà còn có thể áp dụng cho ngôi sao cho vật chất. Nếu γ Columbae có khối lượng 6 lần Mặt Trời và đã bồi tụ 0,8 lần khối lượng Mặt Trời thì khối lượng ban đầu của nó không thể vượt quá 5,2 lần khối lượng Mặt Trời. Điều này có nghĩa là ngôi sao cho vật chất phải từng có 0,8 lần khối lượng Mặt Trời trong vùng gradient H/He. Đây là một vùng ranh giới hóa học đánh dấu sự chuyển tiếp giữa phần bên trong giàu helium và đã suy giảm hydrogen của ngôi sao với lớp ngoài còn nguyên thủy giàu hydrogen.
Theo các mô hình, điều này có nghĩa là ngôi sao cho vật chất không thể có khối lượng nhỏ hơn 14 lần khối lượng Mặt Trời.
Các kết quả cũng làm sáng tỏ những ngôi sao khối lượng lớn khác như các ngôi sao siêu khổng lồ và các ngôi sao trôi dạt. Phương pháp này cũng có thể áp dụng cho supernova và các nhà nghiên cứu đã khảo sát một supernova cụ thể trong nghiên cứu của họ.
SN 1987A đã phát nổ trong thiên hà Mây Magellan Lớn dưới dạng một supernova loại II. Đây là một supernova được nghiên cứu rất kỹ và là supernova đầu tiên được quan sát và nghiên cứu thiên văn một cách chuyên sâu. Quan điểm được chấp nhận rộng rãi từ lâu cho rằng nó là sản phẩm của một vụ sáp nhập.
"Giờ đây, chúng tôi có thể tự tin tái dựng khối lượng của cả hai ngôi sao trước khi sáp nhập và chứng minh rằng một lượng vật chất đáng kể đã bị phóng ra trong quá trình sáp nhập," Langer giải thích.
Hiểu được quá trình truyền khối lượng liên quan đến các ngôi sao khối lượng lớn trong các hệ sao kép sẽ giúp lấp đầy một số khoảng trống trong hiểu biết của chúng ta không chỉ về các ngôi sao mà còn về cách chúng định hình những thiên hà mà chúng cư trú. Hai chương trình khảo sát quy mô lớn - WEAVE và 4MOST - sẽ cung cấp dữ liệu chính xác về hàng nghìn ngôi sao khối lượng lớn.
Bằng cách sử dụng phương pháp này để tìm hiểu những ngôi sao đó, một bức tranh hoàn toàn mới về cách quá trình truyền khối lượng định hình các ngôi sao và thiên hà sẽ dần được hé lộ.
Nguyễn Đình Nam
Theo Universetoday
