Các nhà khoa học đo khối lượng một ngôi sao bằng cách nào?

Hầu như mọi thứ trong vũ trụ đều có khối lượng, từ các nguyên tử và các hạt hạ nguyên tử, cho đến các nhóm thiên hà khổng lồ.

Cho đến lúc này, những thứ duy nhất mà các nhà khoa học biết rằng không có khối lượng là các photon và gluon.

Ngôi sao siêu khổng lồ VY Canis Majoris, một trong những ngôi sao to nhất và nặng nhất từng được đo đạc bởi các nhà thiên văn học.

Việc biết được khối lượng là rất quan trọng, nhưng các vật thể trên trời ở cách chúng ta quá xa. Chúng ta không thể chạm vào chúng, và chắc chắn không thể cân chúng thông qua những phương thức truyền thống. Vậy làm sao các nhà thiên văn xác định được khối lượng của những thứ trong vũ trụ? Quả là phức tạp!

Khối lượng của các ngôi sao

Một ngôi sao thông thường có khối lượng khá lớn, hơn nhiều so với khối lượng của một hành tinh thông thường. Tại sao phải quan tâm đến khối lượng của nó? Thông tin này rất quan trọng bởi nó tiết lộ cho chúng ta những manh mối về quá trình tiến hóa trong quá khứ, hiện tại, và tương lai của ngôi sao đó.

Chòm sao R136, nơi có 9 ngôi sao quái vật với khối lượng gấp 100 lần Mặt trời

Các nhà thiên văn học có thể sử dụng nhiều phương pháp gián tiếp để xác định khối lượng các thiên thể. Một phương thức được gọi là "thấu kính hấp dẫn" sẽ đo đoạn đường của ánh sáng bị bẻ cong bởi lực hấp dẫn của một vật thể gần đó. Dù lượng ánh sáng bị bẻ cong là khá nhỏ, nhưng nếu đo đạc thật kỹ càng, chúng ta có thể tìm ra được khối lượng của lực hấp dẫn của vật thể đang "kéo" ánh sáng về phía nó.

Đo đạc khối lượng của một ngôi sao thông thường

Phải đến tận thế kỷ 21, các nhà thiên văn học mới biết cách áp dụng "thấu kính hấp dẫn" để đo đạc khối lượng các thiên thể. Trước đó, họ phải dựa vào việc đo đạc các ngôi sao xoay quanh một vật thể chung nằm ở trung tâm – các ngôi sao này được gọi là "sao nhị phân". Khối lượng của các ngôi sao nhị phân (gồm 2 ngôi sao xoay quanh một vật thể chung, có lực hấp dẫn, nằm ở trung tâm) có thể đo được khá dễ dàng.

Sirius A và B, hai ngôi sao nhị phân cách Trái đất 8,6 năm ánh sáng.

Đầu tiên, các nhà thiên văn học sẽ đo quỹ đạo của tất cả các ngôi sao trong hệ thống. Họ còn tính toán vận tốc quỹ đạo của các ngôi sao và sau đó xác định quãng thời gian cần thiết để một ngôi sao đi hết một vòng quỹ đạo. Đó được gọi là "chu kỳ quay" của ngôi sao đó.

Tính toán khối lượng

Một khi đã nắm rõ mọi thông tin, các nhà thiên văn học sẽ thực hiện một số tính toán để xác định khối lượng của các ngôi sao. Họ có thể sử dụng phương trình V(orbit) = SQRT(GM/R), trong đó SQRT là căn bậc hai, G là trọng lực, M là khối lượng, và R là bán kính của vật thể. Thông qua các phương pháp đại số, họ sẽ giải phương trình đó để tìm ra M.

Như vậy, không cần chạm vào một ngôi sao, các nhà thiên văn có thể sử dụng toán học và các định luật vật lý đã biết để tìm ra khối lượng của nó. Tuy nhiên, họ không thể làm điều đó với mọi ngôi sao. Còn có các phương pháp đo đạc khác có thể giúp tìm ra khối lượng của các ngôi sao không nằm trong hệ sao nhị phân hay hệ gồm nhiều sao. Ví dụ, họ có thể sử dụng độ sáng và nhiệt độ. Các ngôi sao với độ sáng và nhiệt độ khác nhau có khối lượng rất khác nhau. Thông tin đó, khi được đưa vào một biểu đồ, sẽ cho thấy các ngôi sao có thể được phân loại theo nhiệt độ và độ sáng.

Các ngôi sao thực sự lớn là những ngôi sao nóng nhất trong vũ trụ. Các ngôi sao có khối lượng thấp hơn, như Mặt trời, có nhiệt độ thấp hơn so với những người anh em khổng lồ của chúng. Biểu đồ nhiệt độ, màu sắc, và độ sáng của sao được gọi là Biểu đồ Hertzsprung-Russel, và nó còn thể hiện khối lượng của một ngôi sao tùy thuộc vào vị trí của nó trong biểu đồ. Nếu nó nằm dọc theo một đường cong dài, quanh co, gọi là Main Sequence (Dãy chính), thì các nhà thiên văn học sẽ biết rằng khối lượng của nó không thuộc loại khổng lồ, và cũng không phải nhỏ. Những ngôi sao có khối lượng lớn nhất và nhỏ nhất đều nằm ngoài Main Sequence.

Biểu đồ Hertzsprung-Russell

Sự tiến hóa sao

Các nhà thiên văn học biết rõ về quá trình sinh ra, tồn tại, và chết đi của các ngôi sao. Chuỗi thời gian tồn tại và chết này được gọi là "sự tiến hóa sao". Yếu tố lớn nhất góp phần dự đoán một ngôi sao sẽ tiến hóa như thế nào là khối lượng của nó khi sinh ra – hay "khối lượng ban đầu". Các ngôi sao khối lượng nhỏ thường lạnh hơn và ít ánh sáng hơn so với các người anh em khối lượng lớn hơn. Do đó, chỉ cần nhìn vào màu sắc, nhiệt độ, và vị trí của nó trong biểu đồ Hertzsprung-Russell, các nhà thiên văn học sẽ có thể nắm được khối lượng của một ngôi sao. So sánh giữa các ngôi sao tương tự đã biết khối lượng (như các ngôi sao nhị phân đề cập ở trên), các nhà thiên văn học sẽ biết một ngôi sao lớn đến mức nào, kể cả khi nó không phải là một ngôi sao nhị phân.

Tất nhiên, khối lượng của các ngôi sao không giữ nguyên trong toàn bộ vòng đời của nó. Càng già, khối lượng của chúng càng giảm đi. Chúng sẽ dần dần tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân của mình, và cuối cùng sẽ trải qua một thời kỳ sụt giảm khối lượng đáng kể ở cuối vòng đời. Nếu chúng là những ngôi sao như Mặt trời, chúng sẽ tắt và hình thành nên tinh vân. Nếu chúng nặng hơn nhiều so với Mặt trời, chúng sẽ chết trong những sự kiện siêu tân tinh, khi mà các lõi của chúng sẽ sụp đổ và sau đó bung ra sau một vụ nổ kinh hoàng. Vụ nổ này sẽ bắn một lượng lớn vật chất của ngôi sao vào không gian.

Tinh vân Crab.

Bằng cách quan sát loại của các ngôi sao chết theo cách như Mặt trời, hay chết vì một sự kiện siêu tân tinh, các nhà thiên văn học có thể suy luận được các ngôi sao khác sẽ ra sao. Họ biết khối lượng của chúng, họ biết các ngôi sao khác với khối lượng tương tự sẽ tiến hóa và chết ra sao, và do đó họ có thể đưa ra một số dự báo khá chính xác, dựa trên những quan sát về màu sắc, nhiệt độ, và các khía cạnh khác vốn giúp họ hiểu về khối lượng của chúng.

Việc quan sát các ngôi sao không chỉ đơn thuần là thu thập dữ liệu. Thông tin các nhà thiên văn học thu về sẽ được đưa vào các mô hình có độ chính xác rất cao, từ đó giúp họ dự báo chính xác các ngôi sao trong dải ngân hà và trong toàn vũ trụ sẽ ra sao khi chúng được sinh ra, phát triển, và chết đi - tất cả đều dựa trên khối lượng cua chúng. Và thông tin kia còn giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các ngôi sao, đặc biệt là mặt trời của chúng ta!

• Nguyên mẫu đời thực của cậu bé rừng xanh: Không nói được tiếng người, sống như kẻ thiểu năng và chết trong bệnh tật sau 20 năm rời bầy sói
• Các nhà khoa học ghi hình được mây dạ quang ở độ cao 80km
• Sự thật "hãi hùng" về hài cốt mỹ nhân trong lăng mộ Chu Nguyên Chương