Xin chào tất cả các bạn. Số phận sau cùng của các ngôi sao thường sẽ là những sự kiện cực kỳ năng lượng và mức độ của các sự kiện đó có liên quan mật thiết tới khối lượng của nó. Nhưng tại sao lại là thường chứ không phải là luôn luôn? Bởi vì đôi khi các ngôi sao sẽ ảnh hưởng lẫn nhau. Một ngôi sao bình thường hoàn toàn có khả năng kích hoạt vụ nổ siêu tân tinh của ngôi sao khác khi chúng ở khoảng cách đủ gần. Tức là dù không sở hữu một khối lượng đủ lớn, nhưng ngôi sao vẫn có thể kết thúc cuộc đời bằng một vụ nổ hoành tráng nếu nó nhận được sự hỗ trợ từ bên ngoài. Thậm chí khi ngôi sao đã chết, nó vẫn có thể phát nổ một lần nữa. Về cơ bản, đó được gọi là sự tiến hóa.
Mỗi một ngôi sao thông thường chỉ có thể trải qua chu trình chuỗi chính một lần duy nhất, nhưng nó lại có thể tiến hóa nhiều lần để trở thành những phiên bản mạnh mẽ hơn. Một trong những phiên bản tiến hóa phổ biến nhất đó chính là sao lùn trắng. Theo thống kê, có tới 97% số ngôi sao đang tồn tại trong dải ngân hà sẽ tiến hóa thành sao trắng khi chu trình chuỗi chính của nó kết thúc.
Về phần chu trình chuỗi chính là như thế nào thì mình đã nói rất nhiều trong các video trước, còn video này chúng ta sẽ chỉ tập trung vào sao lùn trắng thôi. Vậy sao lùn trắng là gì? Sao lùn trắng thực chất là phần lõi rất đặc và nóng còn sót lại của một ngôi sao đã chết. Phần lõi này đậm đặc tới mức đường kính của nó chỉ lớn hơn Trái Đất chút ít nhưng khối lượng có thể bằng 1/2 khối lượng mặt trời. Theo một số tài liệu của NASA, mật độ trung bình của sao lùn trắng là 1 triệu tấn trên mét khối, dày đặc hơn Trái Đất gần 200.000 lần và dày đặc hơn Mặt trời trên 700.000 lần. Đi đôi với điều đó là lực hấp dẫn bề mặt vô cùng khủng khiếp, gấp khoảng 350.000 lần Trái Đất. Nếu bạn nặng 70 kg trên Trái Đất, thì khi đứng trên sao lùn trắng, bạn sẽ nặng tới 24.000 tấn. Còn nếu đứng trên Mặt trời, bạn sẽ nặng gần 2 tấn. Có thể nhiều bạn nghe đến đây sẽ thấy có gì đó sai về phần tỷ khối, đúng không? Nhưng mà không sai đâu. Mật độ trung bình của Trái Đất là 5,5 tấn/m³, còn Mặt trời dù rất nặng và khổng lồ nhưng mật độ trung bình của nó chỉ là 1,4 tấn/m³, thấp hơn Trái Đất gần bốn lần.
Cấu tạo của Mặt trời bao gồm hầu hết là hydro và heli bị plasma hóa. Tiến sâu vào trong, nhiệt độ rất cao của phần lõi giải phóng một áp suất bức xạ vô cùng lớn ra phía ngoài. Chính áp suất bức xạ này ngăn cản vật chất chìm xuống do trọng lực. Điều đó dẫn tới việc dù sở hữu một khối lượng tổng thể vô cùng đồ sộ, nhưng mật độ trung bình của Mặt trời chỉ tương đương với Sao Mộc.
Quay trở lại với sao lùn trắng, ngoài việc sở hữu mật độ dày đặc, sao lùn trắng còn có nhiệt độ rất cao, ít nhất khoảng 100.000 Kelvin. Theo những phân tích quang phổ từ việc quan sát sao lùn trắng có độ sáng mờ, bề mặt thường được bao phủ bởi một lớp khí quyển mỏng, dao động từ 10 mét đến vài chục mét. Thành phần của lớp khí quyển chủ yếu là hydro và heli, đặc biệt có một số ít khí quyển được bao chùm bởi carbon, oxy và các thành phần kim loại.
Vậy những thông tin này nói lên điều gì? Thứ nhất, có một nghịch lý là nhiệt độ của sao lùn trắng nóng đến hàng trăm ngàn Kelvin nhưng nó chỉ có độ sáng mờ nếu so sánh với Mặt trời. Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời chỉ khoảng 5.500 độ nhưng độ sáng của nó lại rất chói lọi, Mặt trời của chúng ta được ghi nhận là sáng hơn 85% các ngôi sao khác trong dải ngân hà. Thế nhưng, nhiệt độ bề mặt của nó thì vô cùng khiêm tốn. Tại sao lại như vậy? Thực ra, điều này cũng không có gì quá phức tạp. Chúng ta có thể thấy điều tương tự trên khắp vũ trụ. Theo đó, độ sáng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt. Ví dụ như ngôi sao VY Canis Majoris, một trong những ngôi sao sáng nhất của dải ngân hà, nhiệt độ bề mặt của nó dao động khoảng 3.000 độ nhưng nó lại có độ sáng gấp 250.000 lần Mặt trời của chúng ta. Nguyên nhân đó đến từ diện tích bề mặt khổng lồ của nó. Ngôi sao này có đường kính lớn hơn Mặt trời ít nhất 1 lần, diện tích bề mặt thì lớn hơn hoặc bằng 1,22 x 10¹⁹ km², trong khi Mặt trời của chúng ta có diện tích bề mặt là 6,08 x 10¹² km². Vậy là xét về diện tích, Mặt trời thua kém đến hơn 2 triệu lần. Do đó, độ sáng cũng thua kém đáng kể. Nó cũng giống như việc một bóng đèn 500W nhìn từ xa sẽ tối hơn 5.000 bóng đèn 5W cộng lại. Đối với sao lùn trắng cũng vậy, mặc dù sở hữu giá trị nhiệt độ rất cao nhưng vì kích thước quá nhỏ bé nên độ sáng của nó cũng rất khiêm tốn. Điều này cũng dẫn đến việc mặc dù xung quanh hệ Mặt trời có rất nhiều sao lùn trắng, nhưng chúng ta không thể nhìn thấy bất kỳ ngôi sao nào bằng mắt thường. Ngôi sao lùn trắng gần Trái Đất nhất chính là Sirius, có thể mọi người đều biết Sirius là ngôi sao sáng nhất trời đêm, nhưng Sirius thực chất là một hệ sao đôi với một ngôi sao thuộc dãy chính và ngôi sao còn lại là một sao lùn trắng.
Nếu như chúng ta có thể thống kê một cách đầy đủ, sao lùn trắng có lẽ cũng là loại thiên thể cực kỳ phong phú trong vũ trụ. Nó là sản phẩm được sinh ra khi có một ngôi sao cỡ nhỏ tới trung bình kết thúc vòng đời. Phần lớn các ngôi sao đang tồn tại trong vũ trụ ngày nay đều thuộc thế hệ sao thứ hai hoặc thứ ba kể từ khi vũ trụ hình thành. Những ngôi sao thuộc thế hệ này được xếp vào lớp sao dầu kim loại, thường có khối lượng nhỏ. Vì vậy trong tương lai xa, sao lùn trắng có thể là loại thiên thể phong phú nhất trong vũ trụ. Điều này cũng đồng nghĩa với việc cơ hội cho sự sống sẽ ngày càng nhiều hơn. Nghe thì có vẻ không liên quan cho lắm, nhưng sao lùn trắng được đánh giá là nguồn phát sinh ra nguyên tố carbon nhiều nhất trong vũ trụ. Để tìm hiểu kỹ hơn về vấn đề này, chúng ta sẽ đến với cấu tạo của sao lùn trắng.
Theo các nhà khoa học, sao lùn trắng được cấu tạo chủ yếu từ carbon và oxy. Để tổng hợp được carbon và oxy, ngôi sao phải trải qua quá trình được gọi là Triple Alpha. Cụ thể, trong giai đoạn ngôi sao phồng lên, nhiệt độ của nó đủ nóng để đốt cháy helium-4. Khi hai helium-4 hợp nhất, nó sẽ tạo ra beryllium-8, nhưng beryllium-8 rất kém bền và lập tức phân giải thành các hạt nhỏ hơn chỉ trong 8,19 x 10⁻¹⁷ giây. Tuy nhiên, trong khoảnh khắc ngắn ngủi đó, nếu beryllium-8 chưa kịp phân giải, nó có thể kết hợp với một helium-4 khác để đạt được trạng thái cộng hưởng. Điều này gần giống như việc ba helium-4 kết hợp với nhau. Tiếp theo, trạng thái cộng hưởng lập tức phân giải thành ba helium-4 như ban đầu, nhưng cứ trải qua 2,421 sự phân giải như thế sẽ có một lần carbon-12 được tạo thành. Xác suất để tạo ra carbon-12 là 1/2421. Tỉ lệ này sẽ tăng lên đáng kể nếu nhiệt độ ngôi sao đạt tới 1 tỷ Kelvin. Sau khi carbon-12 được tạo ra với số lượng nhiều, nó có thể tiếp tục kết hợp với một helium-4 khác để tạo ra oxy. Đến giai đoạn này, nếu nhiệt độ và áp suất của ngôi sao vẫn tăng lên, neon và magnesium bắt đầu được tổng hợp. Tuy nhiên, nếu khối lượng của ngôi sao không vượt quá tám lần khối lượng Mặt trời, nó sẽ không thể tạo ra nhiều neon và magnesium. Thông thường, những ngôi sao như vậy sẽ kết thúc ở carbon và oxy.
Tổng kết lại, ta có thể thấy carbon và oxy chính là sản phẩm được tạo ra khi ngôi sao bắt đầu tổng hợp helium-4 thông qua quá trình Triple Alpha. Trong một số trường hợp, khi khối lượng của ngôi sao rơi vào khoảng 8 đến 10 lần Mặt trời, nó có thể tạo ra ngôi sao lùn trắng với carbon và oxy, neon và magnesium. Về phần các ngôi sao lùn trắng sau khi được tạo thành, nhiệt độ lõi của nó có thể dao động từ 5 đến 20 triệu Kelvin, nhưng sẽ không có quá trình tổng hợp hạt nhân nào xảy ra. Bản thân ngôi sao dần nguội đi một cách chậm chạp theo dự đoán, quá trình nguội đi có thể kéo dài vài trăm tỷ năm. Nguyên nhân của sự chậm chạp này là do mật độ của sao neutron quá lớn, cộng với lớp vỏ bên ngoài của sao lùn trắng có khả năng cản lại bức xạ, làm các photon khó có thể thoát ra ngoài.
Sao lùn trắng được biết đến là một loại thiên thể ổn định. Nó có thể tự duy trì sức ép của trọng lực nhờ vào áp suất thoái hóa electron, như trong các video trước mình đã nhắc tới. Electron là một loại hạt tuân theo nguyên tắc loại trừ Pauli. Bên trong một nguyên tử, electron chỉ có thể chiếm giữ một trạng thái lượng tử duy nhất khớp với mức năng lượng tương ứng của nó. Bên trong ngôi sao lùn trắng, vật chất bị nén vô cùng chặt. Sự ép này làm cho electron không có không gian để thay đổi mức năng lượng và nguyên tắc loại trừ Pauli lại không cho nó chiếm đạt trạng thái năng lượng của electron khác, đồng thời cũng không cho nó nhường trạng thái năng lượng cho một electron bất kỳ nào. Lúc này, các electron bị rơi vào tình cảnh dù mang động lượng rất lớn nhưng lại không thể hoạt động. Sự kìm nén đó tạo ra một áp suất cực lớn giữ cho ngôi sao lùn trắng không bị sụp đổ bởi trọng lực. Nếu sức ép được duy trì liên tục, các electron dần bị tước khỏi nguyên tử mẹ, lúc này các hạt nhân mất đi electron trở thành một tập hợp các ion mang điện dương, chúng trôi nổi hòa lẫn vào một biển các electron. Đây gọi là trạng thái khí hóa của chất rắn. Mặc dù rất dày đặc và rắn chắc, nhưng chúng lại hoạt động giống như khí.
Các nhà khoa học gọi đây là trạng thái vật chất thoái hóa electron. Từ khi vật chất đạt đến trạng thái này, nó sẽ hoạt động khác với vật chất thông thường. Với vật chất thông thường, khi bạn tăng khối lượng, thể tích của nó cũng tăng lên, giống như việc một người nặng cân luôn trông đô con hơn một người nhẹ cân. Nhưng với sao lùn trắng thì khác, khi khối lượng được thêm vào, thể tích của nó lại càng nhỏ lại. Bởi vì lực hấp dẫn làm tăng sức ép lên vật chất thoái hóa electron, từ đó khiến cho các hạt bị ép lại gần nhau hơn. Khi mà ngôi sao lùn trắng trở nên nhỏ hơn đáng kể so với kích thước Trái Đất, áp suất thoái hóa electron sắp đạt đến giới hạn. Nó có thể phát nổ bất kỳ lúc nào. Theo các nhà khoa học, một ngôi sao lùn trắng sẽ phát nổ khi khối lượng của nó vượt quá 1,4 lần khối lượng Mặt trời. Vụ nổ sẽ giải phóng một lượng lớn carbon và oxy chưa kịp cháy vào không gian. Như đã biết, nguyên tố cơ bản tạo nên sự sống chính là carbon. Bản thân chúng ta cũng như bất kỳ dạng sống nào khác trên hành tinh này, tất cả đều được tạo từ cấu trúc phân tử carbon. Nếu như sao lùn trắng thực sự là mấu chốt khởi nguồn của sự sống, thì chúng ta có thể phần nào dự đoán thời kỳ bùng nổ của sự sống trong vũ trụ thực sự chưa diễn ra, nó mới chỉ chớm bắt đầu thôi.
