Tại sao nguyên tố sắt mà chúng ta đã quá quen thuộc trên Trái Đất lại trở thành vật chất cuối cùng của vũ trụ?

Khi khám phá vận mệnh cuối cùng của vũ trụ, chúng ta phải nhắc đến nhiệt động lực học, định luật thứ hai của nhiệt động lực học, và nguyên lý tăng entropy, là chìa khóa giúp chúng ta hiểu biết về sự tiến hóa của vũ trụ. Entropy, nói một cách đơn giản, là thước đo sự mất trật tự của một hệ thống. Ở quy mô vũ trụ, điều này có nghĩa là tổng entropy của vũ trụ đang tăng lên theo thời gian. 

Là một trong những hệ nhiệt động quan trọng nhất trong vũ trụ, các ngôi sao đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn mở rộng của vũ trụ. Sự ra đời và cái chết của các ngôi sao không chỉ là chìa khóa cho vòng tuần hoàn vật chất trong vũ trụ. Số phận của chúng còn làm sáng tỏ quá trình tiến hóa của các nguyên tố trong vũ trụ, đặc biệt là số phận đặc biệt của sắt. 

Các ngôi sao chuyển đổi các nguyên tố nhẹ như hydro và heli thành các nguyên tố nặng hơn thông qua quá trình tổng hợp hạt nhân. Trong quá trình này, nhiệt độ và áp suất bên trong các ngôi sao tiếp tục tăng cho đến khi chúng có thể tạo ra sắt. Tuy nhiên, một khi lượng sắt trong lõi ngôi sao tích tụ đến một mức nhất định thì quá trình tổng hợp hạt nhân sẽ dừng lại. Vì sắt có năng lượng liên kết hạt nhân cao nhất nên nó không giải phóng năng lượng để hỗ trợ quá trình tổng hợp ngôi sao thêm nữa. Sự kết thúc của quá trình này có những kết quả khác nhau đối với các ngôi sao có khối lượng khác nhau.

Đối với những ngôi sao nhỏ hơn, chẳng hạn như Mặt Trời của chúng ta, cuối cùng nó sẽ trở thành sao lùn trắng, một vật thể dày đặc được hỗ trợ bởi áp suất thoái hóa electron. Những sao lùn trắng này sẽ nguội dần, cuối cùng biến thành những ngôi sao nguội được làm từ sắt và các nguyên tố nặng khác. Đối với những ngôi sao nặng hơn, kết cục của chúng có thể là một vụ nổ siêu tân tinh, một trong những sự kiện ngoạn mục nhất trong vũ trụ. 

Trong vụ nổ siêu tân tinh, lõi của ngôi sao sụp đổ thành một vật thể cực kỳ đặc, có thể là sao neutron hoặc lỗ đen. Trong quá trình sụp đổ này, một số lượng lớn lõi sắt sẽ được tổng hợp. Những lõi sắt này bị đẩy ra trong làn sóng xung kích của vụ nổ siêu tân tinh và lan ra mọi ngóc ngách của vũ trụ. 

Khi vũ trụ tiến hóa, lõi sắt dần dần lan rộng ra khắp vũ trụ. Vì sắt là nguyên tố tương đối ổn định nên chúng dần dần kết tụ lại với nhau tạo thành những khối sắt có kích thước khác nhau. Những khối sắt này hút nhau trong vũ trụ, dần dần hình thành những khối sắt lớn hơn, cuối cùng có thể tiến hóa thành những ngôi sao sắt hoặc hành tinh sắt. Theo thời gian, những ngôi sao mới sẽ không được hình thành chậm hơn tốc độ của các ngôi sao khác đang chết dần. Cuối cùng, ánh sáng trong vũ trụ sẽ dần biến mất và các thiên hà sẽ mờ đi cho đến khi tắt hẳn.

Những quan sát hiện tại cho thấy sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Khi vũ trụ giãn nở, vật chất sẽ trở nên xa nhau hơn, khiến nhiệt độ trung bình của vũ trụ giảm xuống. Theo lý thuyết bức xạ Hawking, lỗ đen sẽ bốc hơi từ từ thông qua các hiệu ứng lượng tử và giải phóng bức xạ. 

Ở quy mô thời gian cực kỳ dài, ngay cả các lỗ đen siêu lớn cuối cùng cũng sẽ biến mất, để lại một trường bức xạ năng lượng thấp đồng đều. Khi tất cả vật chất trong vũ trụ đạt đến sự phân bố năng lượng đồng đều thì vũ trụ sẽ đi vào trạng thái tĩnh, đó là cái chết nhiệt. Nếu vai trò của năng lượng tối tiếp tục gia tăng, nó có thể khiến cho sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc đủ để xé nát mọi thứ từ các thiên hà và các ngôi sao cho đến các hành tinh và nguyên tử, thậm chí cả kết cấu của thời gian và không gian. Trong quá trình đó, vũ trụ sẽ trải qua quá trình phân rã không thể đảo ngược cho đến khi ngay cả những hạt cơ bản nhất cũng bị xé nát.

Tuy nhiên, sự phức tạp của vũ trụ vượt xa những dự đoán đơn giản này. Trong điều kiện được kiểm soát ổn định, nếu phản ứng tổng hợp có thể tiếp tục trải qua những thay đổi trong vô số năm, thì nó thực sự có thể chuyển hóa thành sắt. Tuy nhiên, thực tế không đơn giản như vậy. Ví dụ, Mặt Trời của chúng ta, theo tính toán của các nhà khoa học, khi Mặt Trời hết hydro trong lõi, nó sẽ đốt cháy ngọn lửa heli và nở ra thành một sao khổng lồ đỏ. Tuy nhiên, đây chỉ là một chương trong câu chuyện cuộc đời của nó. 

Theo thời gian, Mặt Trời sẽ co lại và trở thành một ngôi sao lùn trắng, ngay cả ở giai đoạn này, Mặt Trời cũng không biến thành sắt. Trên thực tế, sao lùn trắng sẽ tiếp tục suy sụp và tiến hóa thành sao lùn đen lang thang khắp vũ trụ. Ngoài ra, nhiều ngôi sao trong vũ trụ cuối cùng sẽ không chuyển hóa thành sắt. Hầu hết các ngôi sao sẽ tiến hóa thành sao lùn trắng, sao lùn đen, sao neutron hoặc lỗ đen. 

Vì vậy, cuối cùng vũ trụ sẽ không chỉ còn lại nguyên tố sắt. Khi nhiên liệu nhiệt hạch cạn kiệt, vật liệu không thể chống lại lực hấp dẫn mạnh và sẽ trực tiếp bỏ qua giai đoạn hình thành nguyên tố sắt, ảnh hưởng trực tiếp đến các electron và proton. Sao neutron là các thiên thể được hình thành sau khi các electron bị nén thành proton bởi lực hấp dẫn mạnh.

Ngoài ra, sự phân hạch của các nguyên tố nặng cũng tạo ra hiệu ứng tương tự. Điều đáng nói là con người vẫn chưa phát hiện ra một thiên thể nào được cấu tạo hoàn toàn từ các nguyên tố nặng. Điều này có nghĩa là trong vũ trụ có thể không có những vật thể được cấu tạo từ các nguyên tố nặng vì trước khi hình thành, chúng có thể đã sụp đổ thành những loại vật thể khác do lực hấp dẫn. 

Mặc dù sắt đóng vai trò quan trọng trong vũ trụ, nhưng theo những quan sát và tính toán khoa học hiện nay, chưa có thiên thể nào có thành phần hoàn toàn bằng sắt được tìm thấy. Thay vào đó, kính viễn vọng không gian của chúng ta đã quan sát được nhiều loại vật thể khác, chẳng hạn như sao lùn trắng, sao lùn đen, sao neutron và lỗ đen. Theo tính toán của các nhà khoa học, vũ trụ của chúng ta có tuổi đời khoảng 13,8 tỷ năm tuổi. Đó là một thời gian dài, và nếu cuối cùng vũ trụ chỉ còn lại sắt thì đến bây giờ sẽ có một số dấu hiệu về điều đó. Tuy nhiên, chúng ta chưa quan sát thấy thiên thể nào có thể giải thích được hiện tượng này. Vì vậy, chúng ta có thể kết luận rằng đích đến cuối cùng của vũ trụ chắc chắn không phải là sắt!

Mặc dù “vũ trụ sắt” đưa ra một góc nhìn thú vị về ngày tận thế của vũ trụ nhưng đó chỉ là một trong số rất nhiều giả thuyết. Kết quả cuối cùng của vũ trụ có thể là điều chúng ta không thể tưởng tượng được, nhưng sắt, với tư cách là một trong những nguyên tố ổn định nhất trong vũ trụ, có thể trở thành phần quan trọng nhất của kết quả này. 

Tham khảo: Zhihu