Phát hiện ngôi sao nguyên thủy nhất: Hóa thạch hiếm hoi từ thuở sơ khai của vũ trụ

Gần đây, giới thiên văn học đã công bố một khám phá đầy kinh ngạc: vật thể có khả năng là ngôi sao nguyên thủy nhất về mặt hóa học từng được ghi nhận. Được đặt tên là SDSS J0715-7334, đây là một sao khổng lồ đỏ mờ nhạt, gần như không mang theo bất kỳ nguyên tố nặng nào.

Ngôi sao này được ví như một hóa thạch sống, tồn tại từ thời đại mà vũ trụ mới chỉ đang trong những bước đầu tiên chập chững học cách tạo ra các vì sao. Dường như SDSS J0715-7334 được hình thành từ một đám mây khí chỉ chịu ảnh hưởng từ một vụ nổ siêu tân tinh duy nhất, qua đó mang đến một góc nhìn vô giá từ những chương đầu của lịch sử không gian bao la.

Để hiểu được tầm vóc vĩ đại của phát hiện này, chúng ta cần quay ngược thời gian. Những ngôi sao đầu tiên của vũ trụ được sinh ra từ hydro và heli tàn dư sau Vụ nổ lớn. Chúng được cho là những vật thể cực kỳ khổng lồ nhưng lại có tuổi thọ rất ngắn ngủi.

Tính đến thời điểm hiện tại, không còn một ngôi sao nào thuộc thế hệ đầu tiên này tồn tại. Tuy nhiên, những hậu duệ trực tiếp của chúng, tức những ngôi sao nhỏ hơn hình thành từ đám mây khí chịu "ô nhiễm" nhẹ sau vụ nổ siêu tân tinh của thế hệ đầu thì hoàn toàn có thể còn sống sót. Việc tìm thấy SDSS J0715-7334 được ví von giống như việc vô tình phát hiện ra một vệt sơn nguyên bản của một căn nhà đã được sơn sửa lại vô số lần.

Trong nghiên cứu đa đại học có tựa đề "Một ngôi sao gần như nguyên thủy từ Đám mây Magellan Lớn", các nhà khoa học báo cáo rằng lượng sắt và carbon trong SDSS J0715-7334 thấp đến mức khó tin. Sắt và carbon vốn là thước đo truyền thống để các nhà thiên văn đánh giá mức độ mà một ngôi sao bị ảnh hưởng bởi thế hệ trước.

Đáng kinh ngạc hơn, nhóm nghiên cứu khẳng định mức độ nguyên thủy về mặt hóa học của ngôi sao này vượt qua gấp mười lần so với những thiên hà có dịch chuyển đỏ cao cực đoan nhất mà siêu kính viễn vọng không gian James Webb đang theo dõi.

Chính nhờ những đặc điểm độc nhất vô nhị này, Carnegie Science, nơi điều hành Đài thiên văn Las Campanas (LCO) ở Chile và cung cấp một phần dữ liệu, đã vinh danh nó là ngôi sao nguyên thủy nhất trong toàn bộ vũ trụ đã biết. Ngôi sao này ban đầu được chú ý thông qua dữ liệu của Khảo sát Bầu trời Kỹ thuật số Sloan-V (SDSS-V), và sau đó được phân tích chi tiết bằng các kính viễn vọng Magellan.

Ông Alexander Ji, đồng tác giả chính của nghiên cứu, tự hào chia sẻ: "Những ngôi sao nguyên thủy này đóng vai trò như những cánh cửa sổ mở ra quang cảnh bình minh của các vì sao và thiên hà trong vũ trụ". Được biết, chuyến đi quan sát tại Las Campanas là một bước ngoặt lớn trong cuộc đời ông, và ông đã truyền ngọn lửa đam mê đó cho các sinh viên của Đại học Chicago.

Trong thiên văn học, mọi nguyên tố nặng hơn heli đều được xếp vào nhóm kim loại. Vũ trụ thuở sơ khai gần như không hề tồn tại kim loại. Chính các ngôi sao đã tự rèn ra những nguyên tố này trong lõi nóng bỏng của chúng và phân tán ra khắp nơi qua các vụ nổ siêu tân tinh. Do đó, một ngôi sao càng chứa ít kim loại, nó càng có khả năng xuất hiện trong giai đoạn sớm nhất của dòng thời gian vũ trụ.

Câu chuyện về SDSS J0715-7334 không dừng lại ở đó. Các dữ liệu cho thấy nó thực chất là một "kẻ nhập cư" trong không gian. Quỹ đạo của nó minh chứng rằng nó không hề được sinh ra trong Dải Ngân Hà. Thay vào đó, nó có thể đến từ quầng sáng của Đám mây Magellan Lớn, một thiên hà lùn hiện đang tương tác với thiên hà của chúng ta. Các chuyên gia tin rằng sau khi hình thành tại đó, ngôi sao đã bị lực hấp dẫn lôi kéo và trôi dạt vào Dải Ngân Hà.

Chỉ riêng nguồn gốc di cư cũng đủ khiến ngôi sao này trở thành tâm điểm, nhưng giá trị cốt lõi của nó còn vượt xa hơn thế. Nó góp phần giải quyết một trong những cuộc tranh luận kéo dài nhất trong ngành thiên văn: Làm thế nào vũ trụ có thể chuyển từ việc tạo ra những ngôi sao khổng lồ, không kim loại sang những ngôi sao nhỏ hơn với tuổi thọ hàng tỷ năm?

Một giả thuyết là "làm mát cấu trúc tinh tế", khi carbon và oxy giúp đám mây khí tỏa nhiệt và phân chia. Giả thuyết thứ hai là "làm mát bằng bụi", nhờ vào các hạt rắn siêu nhỏ. Tuy nhiên, lượng carbon trong SDSS J0715-7334 quá ít ỏi để quá trình đầu tiên xảy ra. Vì thế, đây là ngôi sao thứ hai được biết đến chứng minh cho cơ chế làm mát bằng bụi, và là trường hợp đầu tiên nằm ngoài Dải Ngân Hà.

Mô hình thành phần nguyên tố của nó phù hợp nhất với hậu quả của một vụ nổ siêu tân tinh khổng lồ từ một ngôi sao có khối lượng gấp 30 lần Mặt trời, với mức năng lượng giải phóng cực kỳ khủng khiếp. Có thể nói, SDSS J0715-7334 chính là chiếc tàn tích cất giữ tro tàn của một trong những vụ nổ kinh hoàng đầu tiên của vũ trụ.

Nhà vật lý thiên văn Juna Kollmeier nhấn mạnh tầm quan trọng của việc khám phá các vì sao ngay tại khu vực lân cận của chúng ta. Thay vì chỉ nhìn thấy ánh sáng mờ ảo của các thiên hà xa xôi qua Kính viễn vọng James Webb, SDSS J0715-7334 cung cấp cho chúng ta cơ hội mổ xẻ chi tiết từng nguyên tố.

Mặc dù một ngôi sao là không đủ để vẽ nên bức tranh toàn cảnh, nhưng phát hiện này đã là một cột mốc lịch sử. Đâu đó ngoài kia, từ một tàn tích mỏng manh của vũ trụ nguyên thủy, một vì sao nhỏ bé đã ra đời và kiên cường tồn tại suốt hàng tỷ năm để đến với Dải Ngân Hà. Nghiên cứu mang tính đột phá này vừa được công bố trên tạp chí danh tiếng Nature Astronomy.