Các nguyên tố hóa học được tạo ra như thế nào trong vũ trụ của chúng ta? Các nguyên tố nặng như vàng và uranium đến từ đâu? Sử dụng mô phỏng máy tính, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm nghiên cứu ion nặng Helmholtz (GSI) ở Darmstadt, cùng với các đồng nghiệp đến từ Bỉ và Nhật Bản, đã cho thấy rằng sự tổng hợp các nguyên tố nặng là điển hình cho một số lỗ đen có tích tụ vật chất quay quanh, được gọi là đĩa bồi tụ.
Sự phong phú được dự đoán của các nguyên tố được tạo thành cung cấp cái nhìn sâu sắc về những loại nguyên tố nặng cần được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm trong tương lai - chẳng hạn như Cơ sở nghiên cứu phản proton và Ion (FAIR), hiện đang được xây dựng - để làm sáng tỏ nguồn gốc của các nguyên tố nặng. Kết quả đã được công bố trên Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (Báo cáo hàng tháng của Hội Thiên văn Hoàng gia - Anh).
Tất cả các nguyên tố nặng trên Trái Đất ngày nay đều được hình thành dưới những điều kiện khắc nghiệt trong môi trường vật lý thiên văn như: bên trong các ngôi sao, trong các vụ nổ sao và trong những vụ va chạm của các sao neutron. Các nhà nghiên cứu đang tò mò với câu hỏi rằng, trong những sự kiện vật lý thiên văn này, điều kiện nào thích hợp để hình thành nên các nguyên tố nặng nhất, chẳng hạn như vàng hoặc uranium. Quan sát ngoạn mục đầu tiên về cả sóng hấp dẫn và bức xạ điện từ bắt nguồn từ sự hợp nhất sao neutron vào năm 2017, cho thấy nhiều nguyên tố nặng có thể được sản sinh và giải phóng trong các vụ va chạm vũ trụ này. Tuy nhiên, câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ là, khi nào và tại sao vật liệu được phóng ra, và liệu có thể có các kịch bản khác trong việc hình thành các nguyên tố nặng hay không.
Các ứng viên đầy hứa hẹn cho việc sản xuất nguyên tố nặng là các lỗ đen được bao quanh bởi một đĩa bồi tụ của vật chất nóng và dày đặc. Một hệ như vậy được hình thành sau sự hợp nhất của hai sao neutron lớn hoặc trong một sự kiện sụp đổ vật chất, hoặc vụ nổ cuối đời của một ngôi sao. Thành phần bên trong của các đĩa bồi tụ như vậy cho đến nay vẫn chưa được hiểu rõ, đặc biệt là đối với các điều kiện dư thừa neutron. Một số lượng lớn neutron là một yêu cầu cơ bản để tổng hợp các nguyên tố nặng, vì nó cho phép quá trình bắt neutron hoặc "quá trình r" (một tập hợp các phản ứng hạt nhân chịu trách nhiệm về việc tạo ra khoảng một nửa số hạt nhân nguyên tử nặng hơn sắt) diễn ra nhanh chóng. Neutrino gần như không có khối lượng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này, vì chúng cho phép chuyển đổi giữa proton và neutron.
Tiến sĩ Oliver Just đến từ nhóm Vật lý thiên văn tương đối tính thuộc bộ phận nghiên cứu Lý thuyết của GSI giải thích: "Trong nghiên cứu của mình, lần đầu tiên chúng tôi đã kiểm tra một cách có hệ thống tỷ lệ chuyển đổi của neutron và proton đối với một số lượng lớn mô hình đĩa bồi tụ bằng các mô phỏng máy tính phức tạp, và chúng tôi nhận thấy rằng các đĩa này rất giàu neutron miễn là hội tụ đủ những điều kiện nhất định. Yếu tố quyết định ở đây là tổng khối lượng của đĩa. Đĩa càng lớn, càng có nhiều neutron được hình thành từ các proton thông qua việc bắt giữ các electron dưới sự phát xạ của neutrino, và có sẵn nguyên liệu để tổng hợp các nguyên tố nặng bằng quá trình r. Tuy nhiên, nếu khối lượng của đĩa quá lớn, phản ứng nghịch đảo sẽ tăng lên khiến nhiều neutrino bị neutron bắt lại trước khi chúng kịp rời khỏi đĩa.
Kết quả nghiên cứu cung cấp bằng chứng đáng tin cậy rằng sự hợp nhất sao neutron tạo ra các đĩa bồi tụ với khối lượng chính xác có thể là xuất phát điểm của phần lớn các nguyên tố nặng. Tuy nhiên, liệu các đĩa bồi tụ như vậy có xảy ra trong các hệ nhỏ hơn hay không và tần suất xảy ra như thế nào hiện vẫn chưa rõ ràng.
Ngoài quá trình tổng hợp nguyên tố nặng có thể xảy ra trong những vụ nổ giải phóng khối lượng, nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Andreas Bauswein đứng đầu cũng đang nghiên cứu các tín hiệu ánh sáng do vật chất được giải phóng tạo ra, sẽ được sử dụng để suy ra khối lượng và thành phần của vật chất phóng ra trong các quan sát tương lai. Nền tảng quan trọng để phân tích chính xác các tín hiệu ánh sáng này là kiến thức về khối lượng và đặc tính của các phần tử mới hình thành. Bauswein dự đoán: "Những dữ liệu này hiện không đủ. Nhưng với thế hệ máy gia tốc tiếp theo, chẳng hạn như FAIR, chúng tôi sẽ có thể đo đạc được với độ chính xác chưa từng có. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các mô hình lý thuyết, thí nghiệm và quan sát thiên văn sẽ cho phép chúng tôi xác minh sự hợp nhất sao neutron có phải là nguồn gốc của các nguyên tố nặng hay không”.
Minh Phương
Theo Science Daily
