Siêu tân tinh là vụ nổ phát ra năng lượng khổng lồ và độ sáng làm lu mờ cả thiên hà với chứa vài trăm tỷ ngôi sao.
Nhà thiên văn học Walter Baade và Fritz Zwicky nghĩ ra cái tên siêu tân tinh để mô tả tàn tích của sao neutron vào năm 1933, theo Popular Mechanic. Trước đó, giới thiên văn học gọi mọi vật thể cổ xưa phát nổ trên bầu trời là "nova", có nghĩa là "mới" trong tiếng Latinh. Vụ nổ siêu tân tinh chia thành hai nhóm chính với điều kiện hoàn toàn khác nhau và cơ chế thúc đẩy lẫn nhau. Loại đầu tiên là siêu tân tinh loại II chuyên sụp đổ vào lõi. Chúng xảy ra khi ngôi sao khổng lồ tiến đến cuối vòng đời.
Mô phỏng vụ nổ siêu tân tinh SN2016aps sáng nhất ở thiên hà cách Trái đất 4,6 tỷ năm ánh sáng. (Ảnh: iStock)
Mỗi ngôi sao trong vũ trụ hợp nhất nguyên tố ở lõi trong suốt vòng đời, từ ngôi sao nhỏ nhất chỉ bằng 1/10 khối lượng Mặt trời tới ngôi sao lớn gấp 100 lần Mặt trời. Chúng kết hợp nguyên tử hydro thành heli trong phần lớn thời gian tồn tại. Các ngôi sao giống Mặt trời có thể tồn tại khoảng 10 tỷ năm trước khi tiến vào chu kỳ cuối cùng, mở rộng thành sao đỏ khổng lồ. Nhưng những ngôi sao lớn nhất với trọng lực cực lớn đè ép phần lõi, sẽ dùng hết nguồn dự trữ hydro chỉ sau vài triệu năm.
Sau khi dùng hết hydro, sao khổng lồ bắt đầu hợp nhất heli thành carbon và oxy, sau đó là silicon và magnesium. Cuối cùng, nó tạo ra khối cầu nickel và sắt ở lõi. Ngay trước thời khắc tử vong, ngôi sao giống như một quái vật phình to. Những lớp khí quyển ngoài cùng của nó tách ra hoàn toàn. Bên trong ngôi sao tương tự củ hành tây với lõi sắt bị bao bọc bởi nhiều lớp nguyên tố nhẹ hơn.
Mỗi giai đoạn trong vòng đời của ngôi sao đều ngắn hơn giai đoạn trước đó. Ngôi sao trải qua hàng triệu năm lặng lẽ đốt cháy hết hydro, và chưa đầy một triệu năm hợp nhất heli. Nó có thể duy trì phản ứng hợp nhất carbon trong 1.000 năm. Sản phẩm của phản ứng với sắt ở lõi tồn tại tổng cộng 15 phút. Tất cả ngôi sao khối lượng từ 8 đến 200 lần Mặt trời đều trải qua cùng quá trình.
Phản ứng với sắt không sản sinh bất kỳ năng lượng nào. Thay vào đó, phản ứng tiêu hao năng lượng để hợp nhất sắt thành nguyên tố nặng hơn. Phần còn lại của ngôi sao tiếp tục sụp đổ vào lõi, nhưng không có năng lượng giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch để cân bằng lại. Toàn bộ khối lượng của ngôi sao đè lên lõi chặt đến mức nguyên tử sắt tự sắp xếp lại, các electron chuyển vào bên trong proton, biến toàn bộ khối sắt thành quả cầu neutron khổng lồ.
Cho tới khi quả cầu neutron không thể chịu lực nén thêm nữa, tất cả vật chất còn lại của ngôi sao đập vào đó và bật trở lại, kích hoạt vụ nổ siêu tân tinh. Trong chưa đầy một giây, toàn bộ ngôi sao phát nổ từ trong ra ngoài, truyền sóng xung kích qua vật chất của chính nó ở tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng. Bức xạ kèm theo vụ nổ mang theo năng lượng cực lớn. Ví dụ, sao Betelgeuse ở cách Trái đất gần 650 năm ánh sáng sẽ trải qua vụ nổ siêu tân tinh trong vài triệu năm tới. Khi đó, nó sẽ đủ sáng để nhìn thấy vào ban ngày, sáng hơn cả trăng tròn.
Trái đất may mắn không ở gần ngôi sao khổng lồ nào với khí quyển bên ngoài kém ổn định. Bức xạ và hạt phát ra từ vụ nổ siêu tân tinh sụp đổ vào lõi sẽ xé mọi thứ trong phạm vi 100 năm ánh sáng thành nhiều mảnh.
Một loại vụ nổ siêu tân tinh khác là loại 1a cũng chết chóc không kém. Vụ nổ kiểu này không đến từ ngôi sao đơn độc chờ chết mà từ trường hợp sao ăn đồng loại. Phần lớn sao trong vũ trụ tồn tại theo cặp. Các thành viên trong hệ sao nhị phân không bao giờ có cùng khối lượng. Trên thực tế, chúng thường có khối lượng chênh lệch. Chúng sẽ trải qua chu kỳ ở tốc độ khác nhau, ngôi sao nặng hơn sẽ chết trước. Nếu ngôi sao đó có khối lượng tương đương Mặt trời, nó sẽ để lại một sao lùn trắng, lõi đặc chứa carbon và oxy chưa hợp nhất.
Đôi khi, ngôi sao cùng hệ tới giai đoạn phình to thành sao lùn đỏ. Một phần khí quyển của nó tràn sang bề mặt của sao lùn trắng. Khi mật độ khí quyển đó đạt ngưỡng tới hạn, phản ứng nhiệt hạch với hydro giải phóng một loại lóa gọi là regular nova.
Nhưng khi điều kiện phù hợp, sao khổng lồ đỏ liên tục rót khí quyển của chính nó sang bề mặt sao lùn trắng, khiến áp suất và nhiệt độ chậm rãi tăng lên. Khí quyển hydro dày kích hoạt phản ứng nhiệt hạch giải phóng tất cả năng lượng cùng lúc. Vụ nổ gây chấn động sao lùn trắng, ép carbon và oxy trải qua quản ứng nhiệt hạch không thể kiểm soát.
Siêu tân tinh là những quả bom nguyên tử lớn nhất trong vũ trụ, một vật thể có kích thước bằng Trái đất nhưng khối lượng nặng hơn cả Mặt trời, biến đổi toàn bộ khối lượng thành cầu lửa hạt nhân. Khi xảy ra, vụ nổ siêu tân tinh còn sáng hơn cả thiên hà vốn chứa vài trăm tỷ ngôi sao. Tuy nhiên, màn trình diễn ánh sáng không kéo dài mãi. Trong vòng vài tuần, siêu tân tinh mờ đi và lụi dần, không để lại gì ngoài tàn tích trôi nổi trong không gian liên sao.
Mỗi thiên hà như dải Ngân Hà chỉ có vài vụ nổ siêu tân tinh trong một thế kỷ, khoảng 1/3 trong số đó là vụ nổ loại 1a. Nếu xảy ra quá gần Trái đất, bức xạ và sóng xung kích của siêu tân tinh sẽ xóa sạch khí quyển hành tinh.