Trong gần nửa thế kỷ, các nhà thiên văn học tin rằng những ngôi sao giống như Mặt Trời cuối cùng sẽ thay đổi cách chúng quay. Theo giả thuyết phổ biến, khi các ngôi sao này già đi và quay chậm lại, mô hình quay của chúng sẽ đảo ngược, khiến các cực quay nhanh hơn vùng xích đạo.
Tuy nhiên, một nghiên cứu mới từ các nhà khoa học tại Đại học Nagoya (Nhật Bản) cho thấy bức tranh lâu nay có thể đã sai. Bằng cách thực hiện những mô phỏng chi tiết nhất từng có về cấu trúc bên trong của các ngôi sao, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng những ngôi sao giống Mặt Trời có thể giữ nguyên kiểu quay của mình trong suốt vòng đời.
“Từ mô phỏng, chúng tôi có thể tái tạo gần như hoàn hảo mô hình quay quan sát được của Mặt Trời. Khi áp dụng mô hình này cho các ngôi sao quay chậm hơn, kết quả cũng phù hợp với các quan sát thiên văn và không xuất hiện hiện tượng quay ngược kiểu ‘phản Mặt Trời’”, ông Yoshiki Hatta, đồng tác giả nghiên cứu và giáo sư tại Đại học Nagoya, cho biết.
Thay vì đảo sang trạng thái quay “phản Mặt Trời” như dự đoán trước đây, vùng xích đạo của ngôi sao vẫn tiếp tục quay nhanh hơn các cực, ngay cả khi ngôi sao quay rất chậm. Kết quả này cho thấy từ trường bên trong các ngôi sao đóng vai trò lớn hơn nhiều trong việc định hình hành vi của chúng so với những gì các mô hình trước đây từng giả định.
Vì sao các nhà khoa học từng nghĩ các ngôi sao sẽ đảo chiều quay?
Không giống như Trái Đất – quay như một khối rắn – các ngôi sao được cấu tạo từ khí nóng chuyển động liên tục. Điều này khiến các phần khác nhau của ngôi sao có thể quay với tốc độ khác nhau, một hiện tượng gọi là quay vi sai.
Chẳng hạn với Mặt Trời, vùng xích đạo hoàn thành một vòng quay trong khoảng 25 ngày, trong khi các vùng cực mất khoảng 35 ngày.
Các nhà khoa học từ lâu cho rằng mô hình này cuối cùng sẽ thay đổi khi ngôi sao già đi. Lý do là trong hàng tỷ năm, các ngôi sao dần dần mất tốc độ quay.
Các nghiên cứu lý thuyết trước đây cho rằng khi tốc độ quay chậm lại, dòng khí sâu bên trong ngôi sao sẽ thay đổi, khiến cấu trúc chuyển động bên trong được sắp xếp lại theo cách làm cho các cực quay nhanh hơn xích đạo — trạng thái gọi là quay vi sai “phản Mặt Trời”.
Nhưng có một vấn đề lớn: các nhà thiên văn chưa từng quan sát rõ ràng những ngôi sao có kiểu quay như vậy. Mô hình này xuất hiện trong các mô phỏng máy tính, nhưng các quan sát thực tế lại không xác nhận điều đó.
Để tìm hiểu sự khác biệt này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng những mô phỏng số cực kỳ mạnh mẽ. Nhóm xây dựng một mô hình chi tiết về cấu trúc bên trong của các ngôi sao kiểu Mặt Trời bằng mô phỏng từ thủy động lực học (magnetohydrodynamic) — phương pháp tính toán đồng thời chuyển động của plasma nóng và hành vi của từ trường.
Mô phỏng độ phân giải cực cao hé lộ vai trò ẩn của từ trường
Các phép tính được thực hiện trên Fugaku, một trong những siêu máy tính mạnh nhất thế giới.
Mô phỏng này có độ chi tiết cực kỳ cao: mỗi ngôi sao trong mô hình được chia thành khoảng 5,4 tỷ điểm lưới, cho phép các nhà khoa học theo dõi những chuyển động nhiễu loạn rất nhỏ và cấu trúc từ trường bên trong ngôi sao.
Mức độ chi tiết này tỏ ra vô cùng quan trọng. Các mô phỏng trước đây sử dụng ít điểm lưới hơn nhiều, khiến từ trường trong tính toán bị suy yếu giả tạo. Do hạn chế này, các nghiên cứu trước đã đánh giá thấp vai trò của từ trường trong việc định hình sự quay của các ngôi sao.
Khi mô phỏng độ phân giải cao mới được thực hiện, từ trường vẫn duy trì mạnh và ổn định. Kết quả cho thấy lực từ kết hợp với chuyển động nhiễu loạn của khí nóng giúp giữ cho xích đạo quay nhanh hơn các cực, ngay cả khi ngôi sao quay rất chậm.
Mô hình này cũng tái tạo mô hình quay quan sát được của Mặt Trời với độ chính xác rất cao. Khi các nhà nghiên cứu áp dụng mô phỏng cho những ngôi sao quay chậm hơn Mặt Trời, mô hình quay vẫn không đảo chiều, mà vẫn giữ kiểu quay giống Mặt Trời.
Điều này có thể giải thích vì sao các nhà thiên văn gặp khó khăn trong việc tìm bằng chứng về kiểu quay “phản Mặt Trời” trong các ngôi sao thực tế.
Các mô phỏng cũng phát hiện thêm một xu hướng khác: khi ngôi sao già đi, từ trường của nó suy yếu dần theo thời gian.
Những giả thuyết trước đây từng cho rằng từ trường có thể mạnh trở lại khi mô hình quay đảo chiều, nhưng kết quả mới cho thấy không có sự phục hồi như vậy.
“Các kết quả của chúng tôi cho thấy từ trường giảm dần một cách liên tục trong suốt vòng đời của ngôi sao”, nhóm tác giả nghiên cứu cho biết.
Xem lại cách hiểu về sự tiến hóa của các ngôi sao
Nếu được xác nhận, phát hiện này có thể thay đổi đáng kể cách các nhà thiên văn hiểu về vòng đời của các ngôi sao.
Sự quay của ngôi sao ảnh hưởng đến nhiều quá trình, bao gồm hoạt động từ trường và sự phát ra các hạt năng lượng cao.
Việc hiểu rõ hơn các quá trình này cũng có thể giúp cải thiện dự đoán về cách môi trường sao ảnh hưởng tới các hành tinh quay quanh chúng, đặc biệt là khả năng các hành tinh đó duy trì điều kiện sống trong hàng tỷ năm.
Tuy nhiên, các kết quả mới hiện vẫn dựa trên mô phỏng máy tính chứ chưa phải các phép đo trực tiếp. Việc quan sát cấu trúc quay bên trong của các ngôi sao ở xa vẫn là một thách thức lớn.
Trong tương lai, các nghiên cứu tiếp theo sẽ cần kiểm chứng những dự đoán này bằng các quan sát thiên văn chính xác hơn.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature Astronomy.
Theo IE
