Nghiên cứu tiết lộ nguyên tố nặng nhất trong vũ trụ, rất phổ biến trên Trái đất

Nguyên tố này xếp ở vị trí thứ 20 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học trên Trái đất, nhưng có thể là nguyên tố nặng nhất trong vũ trụ.

Sau vụ nổ Big Bang xảy ra cách đây 13,8 tỉ năm vốn chỉ có hydro, heli và lithium được tạo ra. Tất cả các nguyên tố nặng hơn đều được hình thành nhiều năm sau trong các ngôi sao, các nghiên cứu tiết lộ.

Chúng ta đều biết rằng tính tới thời điểm hiện tại, có 92 nguyên tố có trong tự nhiên, và 283 biến thể (hay còn được gọi là đồng vị). Nhưng đâu mới là nguyên tố được tạo ra đầu tiên?

Một nghiên cứu quốc tế mới đây do Giáo sư Alexander Heger, từ khoa Vật lý và Thiên văn của Đại học Monash đồng dẫn đầu, được công bố trên tạp chí Nature cho thấy rằng, canxi có thể là nguyên tố nặng nhất được tạo ra trong các ngôi sao đầu tiên.

Bức ảnh chụp lại quá trình ngọn núi Cận Bình che chắn phòng thí nghiệm JUNA khỏi bức xạ vũ trụ. Superimposed là một quả cầu lửa cách điệu của một vụ va chạm hạt nhân. Bức hình Dải ngân hà với những ngôi sao cổ trên bầu trời đêm được chụp bởi Kính thiên văn Không gian James Webb. (Nguồn hình ảnh: JianJun He)

Về mặt lý thuyết, các nghiên cứu trước đây đã nhận diện nguyên tố canxi, nhưng đây mới là nghiên cứu đầu tiên khẳng định việc tạo ra canxi và quá trình hình thành trong những thế hệ ngôi sao khổng lồ đầu tiên.

Giáo sư Heger cho biết, nghiên cứu này đóng góp đáng kể vào việc nâng cao hiểu biết của cộng đồng về quá trình tiến hóa hóa học của thiên hà.

“Bản chất của những ngôi sao thế hệ đầu tiên - những ngôi sao lớn nhất và lâu đời nhất vẫn là một câu hỏi mở hấp dẫn nhất trong mảng vật lý thiên văn”, Giáo sư Heger chia sẻ. “Nghiên cứu của chúng tôi lần đầu tiên mô tả cách phần lớn nguyên tố canxi được tạo ra: Thông qua sự sôi sục chậm rãi của quá trình đốt cháy hydro thay vì thông qua những vụ nổ siêu tân tinh”.

Theo đó, khi quá trình đốt cháy hydro trong lõi ngôi sao hoàn tất, hydro tiếp tục trong lớp vỏ trong khi lõi heli trải qua phản ứng nhiệt hạt nhân để tạo ra những sự thay đổi phong phú.

Nguyên tố Canxi ở vị trí thứ 20 trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học trên Trái đất, nhưng có thể là nguyên tố nặng nhất trong vũ trụ.

Hầu hết chất liệu bên dưới lõi heli thường biến mất trong mô hình các ngôi sao có kích thước lớn. Chất liệu bị đẩy ra ngoài sẽ trải qua các phản ứng nhiệt động lực học và nhiều phản ứng khác. Quy trình đốt hydrogen ở vỏ thường nóng hơn, ít đặc hơn và diễn ra nhanh hơn quy trình đốt hydro ở lõi.

Để phân tích phạm vi đầy đủ của những tác động này và tỉ lệ sửa đổi ảnh hưởng đến kết luận, các nhà nghiên cứu đã tính toán mô hình đầy đủ cho một ngôi sao khối lượng 40M của thành phần nguyên thủy. Họ đã sử dụng giả thuyết KEPLER - một mạng lưới phản ứng hạt nhân thích nghi được ghép nối đầy đủ, để theo dõi chi tiết quá trình tiến hóa và tổng hợp nguyên tử.

Nghiên cứu cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu các phản ứng hạt nhân trong phạm vi của chu trình Carbon-nitrogen-oxygen (CNO) nâng cao, để hiểu được quá trình tổng hợp nguyên tử của những ngôi sao thế hệ đầu tiên và dựa vào dữ liệu quan sát để đưa ra kết luận duy nhất về bản chất của những ngôi sao đó trong vũ trụ sơ khai.

Bên trong ngôi sao chứa ít nguyên tố sắt nhất - SMSS0313-6708 cho thấy một dấu hiệu đáng chú ý của nguyên tố canxi, nhưng không thể phát hiện được nguyên tố sắt dù đây là nguyên tố thường được tạo ra bởi các siêu tân tinh cùng với canxi.

“Các chuyên gia vẫn thường cho rằng nguyên tố canxi là hậu duệ trực hệ của những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ, hình thành từ vật chất còn sót lại sau vụ nổ Big Bang”, Giáo sư Heger trình bày. “Ngôi sao siêu nghèo kim loại UMP có tuổi thọ rất cao, và những gì chúng ta có thể thấy về thành phần của nó giống như một viên nang thời gian từ trước khi các thiên hà đầu tiên hình thành”.