Tìm hiểu về ngôi sao Thiên Lang (Sirius)

  •  
  • 1.670

Sirius (hay sao Thiên Lang) là ngôi sao sáng nhất trên bầu trời đêm với độ sáng biểu kiến bằng -1,47, sáng gần gấp hai lần so với Canopus, ngôi sao sáng thứ hai.

Cái tên Sirius được lấn từ tiếng Hi Lạp cổ Σείριος. Tên ngôi sao theo chuẩn Bayer là α Canis Majoris (α CMa, hoặc Alpha Canis Majoris). Đối với mắt thường nó là một ngôi sao đơn lẻ nhưng thực chất đó là một hệ sao nhị phân, bao gồm một ngôi sao trắng dãy chính có loại quang phổ A1V, được đặt tên là Sirius A, và một bạn đồng hành là sao lùn trắng mờ có loại quang phổ DA2, mang tên Sirisus B.

Vị trí của Sirius
Vị trí của Sirius

Sirius sáng rực trên bầu trời là do bản thân nó là một ngôi sao rất sáng và nó khá gần Trái đất. Với khoảng cách 2,6 parsec (8,6 năm ánh sáng), hệ Sirius là một trong những người hàng xóm gần chúng ta nhất. Sirius A nặng khoảng gấp hai lần Mặt trời và có độ sáng tuyệt đối là 1,42.

Nó sáng gấp hai lần Mặt trời nhưng vẫn còn mờ hơn rất nhiều so với các ngôi sao sáng khác như Canopus hay Rigel. Hệ này đã có tuổi khoảng 200 đến 300 triệu năm. Ban đầu nó là hệ hai ngôi sao xanh nhạt. Cách đây khoảng 120 triệu năm, ngôi sao năng hơn là Sirius B, đã cạn kiệt nhiên liệu và biến thành một ngôi sao khổng lồ đỏ, sau đó nó bắn ra lớp ngoài của mình và suy sụp thành một ngôi sao lùn trắng như hiện tại.

Thông thường Sirius còn được biết đến với cái tên “Dog Star” (sao con chó), vì nó nằm trong chòm sao Canis Major (Con Chó Lớn). Ngoài Mặt trời ra, nó nằm trong các truyện cổ tích và phong tục của các quốc gia nhiều hơn hẳn so với các ngôi sao khác. Khi Sirius bắt đầu xuất hiện trên bầu trời đêm cũng là mùa nước lũ của sông Nile ở Ai Cập cổ đại và đó là “Ngày Con Chó” trong mùa hè ở Hi Lạp cổ, những người ở quần đảo Polynesia lại đánh dấu đó là ngày của mùa đông và đó là một ngày quan trọng cho ngành hàng hải ở Thái Bình Dương.

Phát hiện ra người bạn đồng hành

Nhà làm kính viễn vọng và thiên văn học người Mỹ Alvan Graham Clark là người đầu tiên quan sát thấy người bạn đồng hành mờ nhạt này, hiện nay nó có tên Sirius B, hay “Con Cún”. Ngôi sao nhìn thấy được bằng mắt thường được gọi là Sirius B. Từ 1894, đã có quan sát thấy các xáo động trong quỹ đạo biểu kiến của hệ Sirius cho thấy còn một người bạn đồng hành rất nhỏ bé thứ ba nữa, nhưng đến giờ vẫn chưa ai phát hiện ra nó. Vị trí phù hợp nhất cho các dữ liệu đo đạc được là nó phải quay quanh Sirius A với chu kỳ sáu năm và có khối lượng chỉ bằng 0,06 khối lượng Mặt trời. Ngôi sao này phải có độ sáng mờ hơn ngôi sao lùn trắng Sirius B mười lần, mà vì vậy rất khó để phát hiện ra nó. Các quan sát gần đây liên tục thất bại trong việc xác nhận sự tồn tại của nhân vật thứ ba này, nhưng nó vẫn không thể đẩy lùi khả năng tồn tại và có khoảng cách đủ gần so với hệ Sirius để có thể quan sát được của nó. Những năm 1920 có những quan sát cho thấy khả năng “ngôi sao thứ ba” này là một trong những thiên thể trong nền sao.

Ảnh mô phỏng Sirius A và B dùng chương trình Celestia
Ảnh mô phỏng Sirius A và B dùng chương trình Celestia

Năm 1915, Walter Sydney Adams, sử dụng một kính phản xạ 1,5 met ở đài quan sát Mount Wilson, đã quan sát thấy quang phổ của Sirius B và xác định nó là một ngôi sao trắng sáng mờ. Điều này đã dẫn các nhà thiên văn học đến kết luận nó là một ngôi sao lùn trắng. Đường kính của Sirius A được xác định lần đầu tiên bởi Robert Hanbury Brown và Richard Q. Twiss vào 1959 tại Jodrell Bank bằng giao thoa kế cường độ (intensity interferometer). Năm 2005, sử dụng kính thiên văn vũ trụ Hubble, các nhà thiên văn học đã xác định Sirius B có đường kính gần bằng Trái đất là 12.000 km, với khối lượng bằng 98% khối lượng Mặt trời.

Quan sát

Quần sáng và tia sáng là do ảnh hưởng của dụng cụ quang học.Với độ sáng biểu kiến là -1,47, Sirius là ngôi sao sáng nhất trên bầu trời đêm, gần gấp hai lần ngôi sao sáng thứ hai, Canopus. Tuy nhiên nó không thể sáng bằng Mặt trăng, sao Kim hay sao Mộc, sao Thủy và sao Hỏa cũng sáng hơn Sirius nhiều lần. Hầu hết mọi nơi trên Trái đất có thể quan sát được Sirius, tuy nhiên những ai ở phía bắc với vĩ độ trên 73 độ sẽ không thấy được nó. Tuy nhiên nó sẽ không mọc cao trên bầu trời của các thành phố Phuong bắc, nó chỉ đạt 13 độ đối với Saint Petersburg. Sirius, cùng với Procyon và Bêtlgeuse, tạo thành ba đỉnh của Tam Giác Mùa Đông đối với người bán cầu bắc. Với độ cao xấp xỉ -17 độ, Sirius là một ngôi sao quanh cực (circumpolar star-ngôi sao quay quanh cực không bao giờ nằm dưới đường chân trời) đối với những ai ở vĩ độ 73 độ Nam. Ở thiên cầu Nam vào đầu tháng sáu, Sirius có thể có những đêm nó lặn sau Mặt Trời và những đêm nó mọc trước Mặt trời.

Sirius A và B được chụp bởi kính thiên văn vũ trụ Hubble.
Sirius A và B được chụp bởi kính thiên văn vũ trụ Hubble. Sirius B là ngôi sao nhỏ nằm ở dưới.

Sirius có thể quan sát được cả vào ban ngày bằng mắt thường nếu có đủ các điều kiện. Lý tưởng là bầu trời cực kỳ trong, người quan sát phải ở vị trí cao, ngôi sao nằm ở ngay trên đỉnh đầu còn Mặt Trời nằm ở gần đường chân trời.

Quỹ đạo của hệ Sirius đưa chúng đến gần nhau 3 giây và xa nhau 11 giây. Khi chúng đến gần sát nhau thì đó là cơ hội để quan sát sao lùn trắng mờ nhạt bên cạnh người bạn sáng rực của mình, yêu cầu cần có là một kính viễn vọng 300 mm và điều kiện cực kỳ tốt. Thời điểm cận tinh xảy ra vào năm 1994 và hai ngôi sao đang rời xa nhau, đó là thời điểm thích hợp để quan sát bằng kính viễn vọng.

Với khoảng cách 2,6 parsec hay 8,6 năm ánh sáng, Sirius là hệ chưa hai trong số sáu ngôi sao gần Hệ Mặt trời nhất và nó là hệ sao thứ năm gần chúng ta nhất. Đây là nguyên nhân chính cho độ sáng rực rỡ của nó, giống như hệ sao gần chúng ta nữa là Alpha Centauri và trái ngược với các ngôi sao siêu khổng lồ ở xa nhưng lại có độ sáng cực lớn như Canopus, Rigel hay Betelgeuse. Tuy nhiên nó vẫn sáng hơn Mặt trời khoảng 25 lần. Ngôi sao sáng gần nhất với Sirius là Procyon, cách đó 1,61 parsec hay 5,24 năm ánh sáng. Tàu Voyager 2, được phóng vào năm 1977 để nghiên cứu bốn hành tinh khí khổng lồ trong Hệ Mặt trời, được kỳ vọng sẽ cách Sirius 4,3 năm ánh sáng sau 296.000 năm du hành.

Cấu tạo Hệ

Sirius là hệ sao nhị phân gồm hai ngôi sao trắng quay quanh nhau và cách nhau khoảng 20 đơn vị thiên văn (gần bằng khoảng cách giữa Mặt trời và Sao Thiên Vương) và có chu kỳ chỉ là 50 năm. Ngôi sao sáng hơn, được đặt tên là Sirius A, là một ngôi sao dãy chính (main sequence) với loại quang phổ A1V, có nhiệt độ bề mặt khoảng 9.940 K. Bạn đồng hành của nó, Sirus B, là ngôi sao đã ra khỏi dãy chính và bước vào thời kỳ sao lùn trắng. Nó mờ hơn ngôi sao kia 10.000 lần nhưng lại là ngôi sao nặng hơn. Tuổi của hệ này khoảng 230 triệu năm. Vào thời kỳ đầu chúng có thể là hai ngôi sao trắng xanh quay quanh nhau trong quỹ đạo có chu kỳ 9,1 năm. Hệ này phát ra tia hồng ngoại nhiều hơn mức dự đoán, số liệu được đo bởi đài quan sát mặt đất IRAS. Ảnh hưởng đó có thể là do bụi tồn tại trong hệ và được coi là điểm bất thường trong một hệ nhị phân.

Sirius A

Sirius A nặng khoảng 2,1 lần Mặt trời. Đường kính của ngôi sao được đo bởi một giao thoa kế thiên văn, cho thấy đường kính góc (angular diameter) của nó khoảng 5,936±0,016 phút. Tốc độ tự quay khá thấp là 16km/s làm nó không bị phình ra ở xích đạo. Đây là dấu hiệu phân biệt với sao Vega có kích thước tương đương nhưng lại có vận tốc tự quay nhanh hơn nhiều là 274km/s và vì vậy nó bị phình ra khá rõ ở xích đạo.

Mô hình sao cho rằng nó được hình thành từ sự suy sập của một đám mây phân tử, và sau 10 triệu năm, năng lượng bên trong đã được tạo ra từ phản ứng nhiệt hạch. Nhân đã đổi lưu và dùng chu kỳ CNO (chu kỳ cacbon-nito-oxi, một loại chu kỳ xuất hiện trong phản ứng nhiệt hạch của các vì sao) để tạo năng lượng. Người ta tính toán rằng Sirius A sẽ tiêu thụ hết hydro trong nhân sau một tỷ năm. Lúc này nó sẽ chuyển qua giai đoạn sao khổng lồ đỏ và cuối cùng là suy sập thành một ngôi sao lùn trắng.

Quang phổ của Sirius A cho thấy nó có một lượng lớn nguyên tố kim loại nặng hơn heli, ví dụ như sắt. Khi so sánh với Mặt trời, tỷ lệ sắt và hydro trong bầu khí quyển của Sirius A là Fe/H=0,5, điều đó có nghĩa nó có tỷ lệ sắt bằng 316% so với sắt trong bầu khí quyển của Mặt trời. Một lượng lớn kim loại như vậy lẽ ra không thể tồn tại trên ngôi sao này được. Tuy nhiên cũng có khản năng chúng lơ lửng trong tầng đối lưu mỏng gần bề mặt.

Ảnh vẽ minh họa hệ Sirius. Sirius A là ngôi sao lớn hơn Sirius B.
Ảnh vẽ minh họa hệ Sirius. Sirius A là ngôi sao lớn hơn Sirius B.

Sirius B

Sirius B là một trong những ngôi sao lùn trắng nặng nhất được biết. Với khối lượng lớn nhưng nó chỉ nhỏ bằng Trái đất. Nhiệt độ bề mặt hiện nay là 25.200K. Tuy nhiên, Sirius B đang nguội dần và sẽ tắt hẳn trong 2 tỷ năm nữa.

Một ngôi sao lùn trẳng chỉ được hình thành từ một ngôi sao trong dãy chính đa qua giai đoạn khổng lồ đỏ. Điều này xảy ra khi Sirius B đang ở khoảng nửa độ tuổi bây giờ, tức khoảng 120 triệu năm về trước. Ngôi sao ban đầu này nặng gấp 5 lần Mặt trời và là một ngôi sao loại B khi nó còn ở dãy chính. Khi nó đi qua giai đoạn khổng lồ đỏ, Sirius B có thể đã chuyển một lượng lớn kim loại sang bạn đồng hành của mình

Ngôi sao này có thành phần chủ yếu là hỗn hợp cacbon-oxy được tạo ra bởi phảng ứng hạt nhân của heli vào thưở ban đầu. Nó được phủ lên trên bằng một lớp nguyên tổ nhẹ hơn, với thành phần hoàn toàn khác về khối lượng do bề mặt có lực hấp dẫn lớn. Vì vậy mà bầu khí quyển của Sirius bây giờ chỉ còn thuần hydro—nguyên tố có khối lượng nhẹ nhất—và không còn nguyên tố nào được phát hiện trong quang phổ của ngôi sao này nữa.

Siêu cụm sao của Sirius

Năm 1909, Ejnar Hertzsprung trở thành người đầu tiên cho rằng Sirius là thành viên của Cụm Di Chuyển Gấu Lớn (Ursa Major Moving Group), dựa trên những quan sát của ông về chuyển động của hệ trên bầu trời. Cụm Di Chuyển Gấu Lớn là một bộ gồm 220 ngôi sao có chuyển động trong không gian tương tự nhau và một thời chúng là một cụm sao mở mà giờ đây lực hấp dẫn đã bị tháo rời. Tuy nhiên, các kết quả đo đạc năm 2003 và 2005 đã cho thấy sự đáng ngờ trong tư cách thành viên của Sirius; Cụm Gấu Lớn có độ tuổi nằm trong khoảng 500±100 triệu năm, còn Sirius, với lượng kim loại tương tự với Mặt trời, thì chỉ có thể có độ tuổi bằng nửa con số này, quá trẻ để thuộc cụm này. Tuy nhiên, nó có thể là thành viên của Siêu Cụm Sao Sirius (Sirius Supercluster) mà trong đó có các thành viên như Beta Aurigae, Alpha Coronae Borealis, Beta Crateris, Beta Eridani và Beta Serpentis. Đây là một trong ba cụm sao lớn trong vòng bán kính 500 năm ánh sáng so với Mặt trời. Hai cụm kia là Hyades và Pleiades, chúng chứa cả trăm ngôi sao.

Cập nhật: 27/02/2021 Theo Thienvandanang
  • 1.670

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook