Vàng có nguồn gốc từ đâu và quá trình hình thành trong vũ trụ như thế nào?

Trong vũ trụ bao la của chúng ta, các nguyên tố nặng đặc biệt như vàng, uranium có nguồn gốc từ đâu và được hình thành như thế nào?

December 13, 2021

Các nhà khoa học đang nghiên cứu những sự kiện vật lý thiên văn, điều kiện nào thích hợp cho sự hình thành và tồn tại các nguyên tố nặng như vàng và uranium. Tất cả các nguyên tố nặng trên Trái đất ngày nay đều được hình thành dưới những điều kiện khắc nghiệt trong môi trường vật lý thiên văn: bên trong các ngôi sao, trong các vụ nổ sao và trong vụ va chạm của các sao neutron.

Một nhóm các nhà nghiên cứu từ GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ở Darmstadt, Đức, cùng các đồng nghiệp từ Bỉ và Nhật Bản, chỉ ra rằng sự tổng hợp các nguyên tố nặng tại một số lỗ đen có tích tụ vật chất quay quanh được gọi là đĩa bồi tụ. Sự phong phú của các nguyên tố đã giúp các nhà nghiên cứu có tầm nhìn sâu sắc hơn trong việc phân loại những nguyên tố nặng nào cần được nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm trong tương lai. Cơ sở Nghiên cứu Antiproton và Ion (FAIR) hiện đang được xây dựng để làm sáng tỏ nguồn gốc của các nguyên tố nặng.

Vào năm 2017, lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà thiên văn học được chứng kiến khoảnh khắc ngoạn mục về sóng hấp dẫn và bức xạ điện từ bắt nguồn từ vụ va chạm, phát nổ và hợp nhất giữa hai ngôi sao neutron thuộc một dải Ngân hà gần hành tinh chúng ta. Qua hiện tượng này, cho thấy nhiều nguyên tố nặng có thể được sản sinh và giải phóng từ các vụ va chạm vũ trụ như vậy. Tuy nhiên, câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ là khi nào và tại sao các nguyên tố được tạo ra và liệu có thể có các kịch bản khác nữa hay không.

Một kịch bản đầy hứa hẹn của việc tạo ra nguyên tố nặng là ma sát giữa chất khí và vật chất dày đặc khiến cho các đĩa bồi tụ quay quanh lỗ đen trở nên cực nóng, được hình thành sau sự hợp nhất của hai ngôi sao neutron lớn. Thành phần nguyên tố bên trong các đĩa bồi tụ cho đến nay vẫn chưa được xác định rõ ràng, đặc biệt đối với các hạt nhân dư neutron.

Yêu cầu cơ bản để tổng hợp nên các nguyên tố nặng là cần có số lượng lớn neutron, nó cho phép quá trình bắt giữ neutron, hay còn gọi là quá trình “r” (một loại phản ứng hạt nhân trong đó một hạt nhân nguyên tử va chạm với một hoặc nhiều neutron và hợp nhất để tạo thành một hạt nhân nặng hơn) diễn ra nhanh chóng. Neutrino gần như không có khối lượng đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này, vì chúng cho phép biến đổi giữa proton và neutron bên trong hạt nhân.

Tiến sĩ Oliver Just, thành viên nhóm Vật lý thiên văn thuyết tương đối rộng thuộc bộ phận nghiên cứu Lý thuyết GSI, giải thích: “Trong quá trình nghiên cứu, lần đầu tiên chúng tôi tìm hiểu một cách có hệ thống tỷ lệ biến đổi giữa neutron và proton đối với một số lượng lớn cấu hình đĩa bằng các mô phỏng máy tính phức tạp. Chúng tôi nhận thấy rằng các đĩa này rất giàu neutron khi đáp ứng được các điều kiện nhất định.

Tổng khối lượng của đĩa là yếu tố quyết định. Đĩa càng có khối lượng lớn, thì càng có nhiều neutron được hình thành từ proton thông qua việc bắt giữ các electron dưới sự phát xạ của neutrino, là tiền đề cho quá trình tổng hợp các nguyên tố nặng”.

Quá trình nghiên cứu cho thấy, khối lượng đĩa tối ưu để tạo ra được nhiều nguyên tố nặng là khoảng 0,01 đến 0,1 khối lượng Mặt trời. Sự hợp nhất giữa hai sao neutron đã tạo ra các đĩa bồi tụ với khối lượng chính xác có thể là điểm xuất phát của một phần lớn các nguyên tố nặng. Tuy nhiên, liệu các đĩa bồi tụ như vậy có xảy ra đối với các cực siêu tân tinh (một ngôi sao đặc biệt lớn sụp đổ vào cuối tuổi thọ của nó) hay không và tần suất xảy ra như thế nào hiện vẫn chưa có kết quả rõ ràng.

Quá trình này còn có thể xảy ra các vụ phát phóng vật chất hàng loạt. Nhóm các nhà khoa học do Tiến sĩ Andreas Bauswein đứng đầu cũng đang nghiên cứu các tín hiệu ánh sáng do vật chất phóng để suy ra khối lượng và thành phần vật chất bị phóng ra trong các quan sát về các sao neutron va chạm trong tương lai.

Nền tảng quan trọng để đọc chuẩn xác các tín hiệu ánh sáng này là kiến thức chuyên môn sâu về khối lượng và các đặc tính khác của những nguyên tố mới hình thành.

Tiến sĩ Bauswein dự đoán: “Những dữ liệu hiện nay vẫn còn chưa đủ. Nhưng với thế hệ máy gia tốc hạt tiếp theo, như FAIR, có thể đưa ra kết quả đo với độ chính xác chưa từng có trong tương lai. Sự phối hợp nhịp nhàng giữa các mô hình lý thuyết, thí nghiệm và quan sát thiên văn sẽ cho phép các nhà nghiên cứu chúng tôi kiểm tra sự hợp nhất sao neutron để tìm ra nguồn gốc của các nguyên tố trong quá trình “r” trong những năm tới”.

Theo Hiệp hội Trung tâm Nghiên cứu Đức Helmholtz

 May May