Tại sao sắt lại là nguyên tố nặng nhất được tạo ra trong lõi Mặt Trời? Còn các nguyên tố hóa học nặng hơn trên bảng tuần hoàn đến từ đâu vậy?
Trả lời bởi Samuen Green, giáo viên môn khoa học (Vật lý)
Câu trả lời được cập nhật ngày 18/10/2019
Link: https://qr.ae/pNoa4j
——————————————————
Tại sao nguyên tố hóa học nặng nhất trong lõi Mặt Trời lại là sắt ư?
Thực ra Mặt Trời chẳng tạo ra chút sắt nào cả, sau này cũng không.
Hiện tại Mặt Trời đang sử dụng phản ứng hợp hạch để chuyển hydro thành heli. Quá trình này diễn ra tại lõi Mặt Trời nên heli tạo thành không thể phát tán vào vũ trụ được.
Năng lượng khổng lồ sinh ra tại lõi sẽ truyền ra bề mặt Mặt Trời dưới dạng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Năng lượng này sẽ chuyển thành một lực ngược chiều với lực hấp dẫn đang khiến Mặt Trời co lại. Đây chính là những gì đang diễn ra trong vòng đời của Mặt Trời (và cả các ngôi sao khác nữa).
Rồi thì cũng sẽ đến lúc Mặt Trời cạn kiệt nhiên liệu (nguồn hydro trong lõi) và đó là khi nó sẽ rời khỏi cái mà giới thiên văn học gọi là “dãy chính”. Lõi Mặt Trời sẽ co lại, nhiệt lượng cực lớn sinh ra khi đó sẽ hợp hạch heli thành cacbon và một số nguyên tố nữa trên bảng tuần hoàn. Quá trình này sẽ khiến Mặt Trời phình lên và trở thành một sao khổng lồ đỏ.
Và ngay cả quá trình này cũng không thể kéo dài mãi. Lúc này, lõi Mặt Trời đã quá đặc nên không thể co lại thêm được nữa, phản ứng hợp hạch sẽ kết thúc khi nhiên liệu cạn kiệt. Sóng xung kích phát ra từ lõi sẽ thổi bay các lớp ngoài cùng của Mặt Trời, chỉ còn trơ lại phần lõi đặc chứa các nguyên tố hóa học mà Mặt Trời sản xuất trong suốt vòng đời của nó. Phần lõi đặc này được gọi là sao lùn trắng và dần dần sẽ nguội đi thành sao lùn đen.
Mặt Trời có thể mất đi một vài nguyên tố vì chúng bị phát tán vào vũ trụ, nhưng hiện tượng này cũng không kéo dài được lâu. Thực tế thì đa phần các nguyên tố nặng vẫn chưa được tạo ra tại thời điểm này. Hiện Mặt Trời chỉ đang hợp hạch hydro thành heli mà thôi.
Những nguyên tố nặng trên bảng tuần hoàn đến từ đâu?
Quá trình kể trên sẽ khác đi một chút tại những ngôi sao lớn hơn. Vì khối lượng của những ngôi sao này lớn hơn Mặt Trời rất nhiều nên lực hấp dẫn cũng mạnh hơn nhiều. Áp suất bức xạ tỏa ra không đủ mạnh để ngăn vật chất của ngôi sao liên tục bị co sụp vào lõi sao. Lõi sao co lại càng mạnh thì nhiệt độ tại lõi sao càng cao. Điều kiện cực đoan tại lõi sao lúc này sẽ kích thích một chuỗi phản ứng hợp hạch để tạo ra một loạt nguyên tố kéo dài cho tới sắt (chứ không chỉ là một số nguyên tố nhẹ mà Mặt Trời có khả năng tạo ra). Chuyện này xảy ra theo nhiều giai đoạn; và tại mỗi giai đoạn chỉ có một phần nhỏ phía trong của lõi là đủ nóng để hợp hạch ra các nguyên tố nặng hơn. Chính vì vậy mà lõi sao sẽ dần phân thành các lớp và nguyên tố nào càng nặng thì sẽ càng ở sâu bên trong lõi.
Giờ thì ta hãy bàn về sắt. Nó có một tính chất rất đặc biệt: sắt có hạt nhân bền nhất. Tôi sẽ nói chi tiết hơn một chút để các bạn dễ hình dung. Giả sử tôi có rất nhiều proton và neutron thì tôi có thể tạo ra hạt nhân bền nhất (nói theo thuật ngữ vật lý thì là “năng lượng liên kết cao nhất”) bằng cách ghép chúng thành hạt nhân sắt (26 proton). Đó là lý do tại sao phản ứng hợp hạch các nguyên tố nhẹ hơn sẽ phát xạ năng lượng. Năng lượng sẽ giải phóng khi các liên kết giữa proton và neutron trong hạt nhân bị bẻ gãy. Tương tự như vậy, phân hạch các nguyên tố nặng hơn sắt (urani chẳng hạn) cũng sẽ thu được năng lượng.
Vấn đề quan trọng là: ngôi sao chẳng thể làm gì để khiến sắt ở phần lõi trong cùng phát ra năng lượng (vốn là yếu tố cần thiết để ngăn sự co sụp). Vậy nên phần lõi toàn sắt sẽ tiếp tục co lại cho tới khi một điều cực kỳ đặc biệt xảy ra.
Hãy nhớ rằng nguyên tử đa phần đều là không gian trống rỗng. Khi phần lõi sắt co lại tới cực hạn, áp suất cao tới mức không tưởng sẽ khiến bản thân các nguyên tử cũng bị co nhỏ lại rất nhiều. Các electron sẽ bị kéo vào hạt nhân và kết hợp với proton để tạo thành các neutron.
Kết quả tất yếu là nguyên tử lúc này chỉ còn lại các neutron và phần không gian trống rỗng vốn có của nó đã không còn nữa. Phần lõi gần như hoàn toàn là neutron lúc này sẽ nặng tới không tưởng: chỉ cần lượng vật chất chứa trong một muỗng trà cũng sẽ nặng tương đương cả ngọn núi. Không có gì đáng ngạc nhiên khi loại “vật chất neutron” cực kỳ đặc này có thể kháng cự lực hấp dẫn của ngôi sao (hoặc ít nhất là khiến quá trình tác động của lực hấp dẫn chậm lại rất nhiều) đến mức sự co lại của lõi sao gần như dừng lại.
Câu chuyện chưa dừng lại ở đó vì các lớp ngoài của lõi sao vẫn tiếp tục co lại. Khi các lớp ngoài của lõi sao co lại và va vào phần lõi sắt thì năng lượng của sự va chạm này sẽ được giải phóng dưới dạng sóng xung kích…
Không chỉ thổi bay một số nguyên tố mà ngôi sao tạo ra trong vòng đời của mình vào vũ trụ, năng lượng cực lớn của vụ nổ này còn tiếp hợp hạch các nguyên tố còn lại để tạo thành những nguyên tố nặng hơn sắt (như vàng và urani). Các nguyên tố này sẽ hòa lẫn vào đám mây khí và bụi để trở thành nguyên liệu hình thành những ngôi sao kế tiếp và cả các hành tinh của chúng.
Nhưng không phải mọi thứ đều bị hủy diệt trong vụ nổ này. Phần neutron tại lõi sao cùng một lớp sắt mỏng bao phủ bên ngoài chúng sẽ trở thành sao neutron. Trong một số trường hợp, nếu khối lượng của sao neutron này đủ lớn thì lực hấp dẫn sẽ tiếp tục khiến nó co lại thành lỗ đen.
Vậy nên đa phần các nguyên tố có trên Trái Đất là do vụ nổ siêu tân tinh trong quá khứ tạo thành chứ không phải là do Mặt Trời.
Thực tế thì trên đây là một cách nói tóm lược, ngoài ra vẫn còn một số quá trình khác. Hy vọng sự giản lược này sẽ hữu ích cho các bạn.
P/S 1 của người dịch: toàn bộ quá trình này có thể tóm lược trong câu nói kinh điển của nhà thiên văn học Carl Sagan: “Chúng ta đều sinh ra từ bụi sao”. Nhưng theo mình thì cách nói của cố nhạc sĩ Trịnh Công Sơn còn kinh điển và thi vị hơn nữa:
“Hạt bụi nào hóa kiếp thân tôi
Để một mai tôi làm cát bụi”.
P/2 2 của người dịch: vì bảng tuần hoàn mà tác giả dùng để minh họa trong bài đã quá cũ rồi nên mình thay bằng bảng tuần hoàn khác đầy đủ hơn.
