Các nhà khoa học làm việc với kính thiên văn không gian James Webb đã phát hiện ba đối tượng thiên văn bất thường vào đầu năm 2025, những đối tượng có thể là ví dụ về các sao tối. Khái niệm sao tối đã tồn tại một thời gian và có thể làm thay đổi hiểu biết của các nhà khoa học về cách các sao thông thường hình thành. Tuy nhiên, tên gọi này phần nào gây hiểu nhầm.
“Sao tối” là một trong những tên gọi thiếu may mắn bởi thuật ngữ đó không mô tả chính xác các đối tượng mà nó đại diện. Sao tối không thực sự là sao, và chúng chắc chắn không “tối”.
Tuy vậy, tên gọi này vẫn nêu bật được bản chất của hiện tượng. “Tối” trong tên gọi không ám chỉ độ sáng của các đối tượng này, mà đề cập đến quá trình khiến chúng phát sáng - được vận hành bởi một dạng vật chất bí ẩn gọi là vật chất tối. Kích thước khổng lồ của chúng khiến việc phân loại chúng như các ngôi sao trở nên khó khăn.
Là một nhà vật lý, tôi bị cuốn hút bởi vật chất tối, và tôi đã cố gắng tìm cách nhận ra dấu vết của nó bằng cách sử dụng các máy gia tốc hạt. Tôi tự hỏi liệu sao tối có thể đem lại một phương thức thay thế để phát hiện vật chất tối hay không.
Điều gì khiến vật chất tối trở nên “tối”?
Vật chất tối, chiếm khoảng 27% vũ trụ nhưng không thể quan sát trực tiếp, là ý tưởng cốt lõi đứng sau hiện tượng sao tối. Các nhà vật lý thiên văn đã nghiên cứu dạng vật chất bí ẩn này gần một thế kỷ, vậy nhưng chúng ta chưa từng quan sát được bất kỳ bằng chứng trực tiếp nào ngoài các tác động hấp dẫn của nó. Vậy điều gì khiến vật chất tối trở nên “tối”?
Mặc dù các nhà vật lý không biết nhiều về nó, vật chất tối chiếm khoảng 27% vũ trụ. Nguồn ảnh: Getty Images.
Con người chủ yếu quan sát vũ trụ bằng cách phát hiện các sóng điện từ phát ra hoặc phản xạ lại trên các đối tượng khác nhau. Chẳng hạn, Mặt Trăng có thể nhìn thấy bằng mắt thường vì nó phản xạ ánh sáng Mặt Trời. Các nguyên tử trên bề mặt Mặt Trăng hấp thụ các photon - những hạt ánh sáng - phát ra từ Mặt Trời, khiến các electron trong nguyên tử dịch chuyển và gửi một phần ánh sáng đó trở lại phía chúng ta.
Các kính thiên văn tiên tiến hơn phát hiện các sóng điện từ nằm ngoài vùng khả kiến, như tử ngoại, cận hồng ngoại hoặc sóng vô tuyến. Chúng hoạt động theo nguyên tắc giống nhau: các thành phần mang điện của nguyên tử phản ứng với các sóng điện từ này. Nhưng làm sao chúng có thể phát hiện một dạng vật chất (vật chất tối) vốn không chỉ không mang điện mà còn không có bất kỳ thành phần mang điện nào?
Mặc dù các nhà khoa học chưa biết chính xác bản chất của vật chất tối, nhiều mô hình cho rằng nó được cấu tạo từ các hạt trung hòa điện - tức là không mang điện tích. Đặc tính này khiến việc quan sát vật chất tối theo cách chúng ta quan sát vật chất thông thường trở nên bất khả thi.
Người ta cho rằng vật chất tối được cấu tạo từ các hạt vốn là phản hạt của chính chúng. Phản hạt là phiên bản “phản chiếu” của các hạt: chúng có cùng khối lượng nhưng mang điện tích và một số thuộc tính khác ngược lại. Khi một hạt gặp phản hạt của nó, cả hai sẽ hủy lẫn nhau trong một vụ nổ năng lượng.
Nếu các hạt vật chất tối là phản hạt của chính chúng, chúng sẽ hủy nhau khi va chạm, và có thể giải phóng một lượng lớn năng lượng. Các nhà khoa học dự đoán rằng quá trình này đóng vai trò then chốt trong sự hình thành sao tối, miễn là mật độ hạt vật chất tối bên trong các sao này đủ cao. Mật độ vật chất tối quyết định tần suất các hạt vật chất tối gặp nhau và hủy lẫn nhau. Nếu mật độ vật chất tối bên trong các sao tối cao, các vụ hủy này sẽ diễn ra thường xuyên.
Điều gì làm sao tối phát sáng?
Khái niệm sao tối xuất phát từ một câu hỏi cơ bản nhưng chưa được giải quyết trong vật lý thiên văn: Các ngôi sao hình thành như thế nào? Theo quan điểm được chấp nhận rộng rãi, các đám mây hydro và heli nguyên thủy - những nguyên tố hình thành trong vài phút đầu tiên sau Big Bang khoảng 13,8 tỷ năm trước - đã sụp đổ dưới tác động của lực hấp dẫn. Chúng nóng lên và khởi động phản ứng nhiệt hạch, tạo ra các nguyên tố nặng hơn từ hydro và heli. Quá trình này dẫn đến sự xuất hiện của thế hệ sao đầu tiên.
Trong quan điểm tiêu chuẩn về sự hình thành sao, vật chất tối được xem là yếu tố thụ động, chỉ đơn thuần tạo lực hấp dẫn lên tất cả những gì xung quanh, bao gồm hydro và heli nguyên thủy. Nhưng điều gì xảy ra nếu vật chất tối đóng vai trò tích cực hơn? Đó chính là câu hỏi mà một nhóm các nhà vật lý thiên văn đặt ra vào năm 2008.
Trong môi trường đậm đặc của vũ trụ sơ khai, các hạt vật chất tối sẽ va chạm và hủy nhau, giải phóng năng lượng trong quá trình đó. Năng lượng này có thể làm nóng khí hydro và heli, ngăn chúng tiếp tục sụp đổ và làm chậm, hoặc thậm chí ngăn cản, quá trình khởi động nhiệt hạch thông thường.
Kết quả sẽ là một đối tượng giống sao, nhưng được vận hành bởi năng lượng từ sự nung nóng của vật chất tối thay vì nhiệt hạch. Khác với các sao thông thường, những sao tối này có thể sống lâu hơn nhiều vì chúng tiếp tục phát sáng miễn là chúng còn đủ vật chất tối. Đặc điểm này khiến chúng khác biệt với các ngôi sao thông thường, do nhiệt độ thấp hơn dẫn đến việc phát ra ít hạt hơn.
Chúng ta có thể quan sát sao tối không?
Một số đặc điểm độc đáo giúp các nhà thiên văn xác định các ứng viên sao tối tiềm năng. Trước hết, các đối tượng này phải rất cổ xưa. Khi vũ trụ giãn nở, tần số ánh sáng đến từ các vật thể ở xa Trái Đất giảm, dịch về phía vùng hồng ngoại trong phổ điện từ (dịch chuyển đỏ). Những vật thể cổ nhất xuất hiện có mức dịch chuyển đỏ lớn nhất đối với người quan sát.
Vì sao tối được hình thành từ hydro và heli nguyên thủy, chúng được kỳ vọng chứa rất ít hoặc hầu như không có các nguyên tố nặng hơn như oxy. Chúng sẽ rất lớn và có bề mặt lạnh hơn, nhưng lại cực kỳ sáng do kích thước khiến diện tích phát sáng bù lại độ sáng bề mặt thấp.
Chúng cũng được dự đoán là khổng lồ, với bán kính vào khoảng vài chục đơn vị thiên văn (đơn vị đo khoảng cách tương đương khoảng cách trung bình từ Trái Đất đến Mặt Trời). Một số sao tối siêu nặng được cho là đạt khối lượng từ khoảng 10.000 đến 10 triệu lần Mặt Trời, tùy vào lượng vật chất tối và khí hydro hoặc heli mà chúng thu nhận trong quá trình phát triển.
Vậy các nhà thiên văn đã quan sát được sao tối chưa? Có thể. Dữ liệu từ kính thiên văn không gian James Webb đã tiết lộ một số đối tượng có mức dịch chuyển đỏ rất lớn, có vẻ sáng hơn - và có thể nặng hơn - so với những gì các nhà khoa học kỳ vọng ở các thiên hà hoặc ngôi sao sơ khai thông thường. Những kết quả này khiến một số nhà nghiên cứu đề xuất rằng sao tối có thể giải thích các đối tượng này.
Hình minh họa kính thiên văn không gian James Webb. Nguồn: Northrup Grumman/NASA.
Đặc biệt, một nghiên cứu gần đây phân tích dữ liệu từ James Webb đã xác định ba ứng viên phù hợp với các mô hình sao tối siêu nặng. Các nhà nghiên cứu kiểm tra lượng heli trong những đối tượng này để nhận diện chúng. Vì chính sự hủy vật chất tối làm nóng các sao tối này - thay vì phản ứng nhiệt hạch biến heli thành các nguyên tố nặng hơn - sao tối được kỳ vọng chứa nhiều heli hơn.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng một trong những đối tượng này thực sự cho thấy một tín hiệu hấp thụ heli được xem là “bằng chứng quyết định”: một lượng heli cao hơn rất nhiều so với mức dự đoán trong các thiên hà sơ khai thông thường.
Sao tối có thể giải thích các lỗ đen thời kỳ đầu
Điều gì xảy ra khi một sao tối cạn kiệt vật chất tối? Điều đó phụ thuộc vào kích thước của sao tối. Đối với các sao tối có khối lượng nhỏ nhất, sự cạn kiệt vật chất tối đồng nghĩa với việc lực hấp dẫn sẽ nén phần hydro còn lại, kích hoạt phản ứng nhiệt hạch. Trong trường hợp này, sao tối sẽ dần trở thành một ngôi sao thông thường, nghĩa là một số ngôi sao có thể đã bắt đầu sự tồn tại của mình dưới dạng sao tối.
Các sao tối siêu nặng thậm chí còn gây tò mò hơn. Khi kết thúc vòng đời, một sao tối siêu nặng sẽ sụp đổ trực tiếp thành một lỗ đen. Lỗ đen này có thể trở thành hạt nhân ban đầu cho sự hình thành của một lỗ đen siêu nặng, giống với loại mà các nhà thiên văn học quan sát thấy ở trung tâm các thiên hà, bao gồm cả thiên hà Milky Way của chúng ta.
Sao tối cũng có thể giải thích cách mà các lỗ đen siêu nặng hình thành trong vũ trụ sơ khai. Chúng có thể làm sáng tỏ một số lỗ đen độc đáo được các nhà thiên văn học quan sát. Chẳng hạn, một lỗ đen trong thiên hà UHZ-1 có khối lượng gần 10 triệu lần khối lượng Mặt Trời và rất cổ xưa. Nó hình thành chỉ 500 triệu năm sau Big Bang. Các mô hình truyền thống gặp khó khăn trong việc giải thích cách những lỗ đen khổng lồ như vậy có thể hình thành nhanh đến thế.
Ý tưởng về sao tối không được tất cả các nhà khoa học chấp nhận. Những ứng viên sao tối này có thể hóa ra chỉ là những thiên hà bất thường. Một số nhà vật lý thiên văn lập luận rằng quá trình bồi tụ vật chất - trong đó các vật thể lớn hút vật chất xung quanh - tự nó đã có thể tạo ra các sao lớn, và rằng các nghiên cứu dựa trên quan sát của kính James Webb không thể phân biệt giữa các sao lớn thông thường và các sao tối ít đặc, lạnh hơn.
Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng họ sẽ cần nhiều dữ liệu quan sát hơn và các bước tiến lý thuyết mới để giải mã bí ẩn này.
Đặng Vũ Tuấn Sơn
Dịch từ bài của Alexey A. Petrov trên The Conversation
