Trong nhiều năm, các nhà thiên văn học gặp một câu hỏi khá kỳ lạ: tại sao Mặt Trời dường như chứa ít bạc hơn nhiều so với lượng bạc được tìm thấy trong những thiên thạch nguyên thủy hình thành cùng thời kỳ? Một nghiên cứu mới cho thấy có lẽ bạc chưa từng biến mất. Vấn đề nằm ở cách chúng ta đọc dấu vết của nguyên tố này trong ánh sáng Mặt Trời.

Bí ẩn “bạc thất lạc” của Mặt Trời

Mặt Trời và các thiên thạch chondrite CI được hình thành khoảng 4,6 tỷ năm trước từ cùng một đám mây khí và bụi của Hệ Mặt Trời sơ khai. Vì vậy, các nhà khoa học kỳ vọng thành phần hóa học của chúng phải tương đối phù hợp với nhau.

Thế nhưng những phép đo trước đây cho thấy hàm lượng bạc trong Mặt Trời thấp hơn đáng kể so với giá trị suy ra từ các thiên thạch nguyên thủy. Điều này tạo ra một nghịch lý: nếu bạc thực sự tồn tại trong vật chất tạo nên Mặt Trời, tại sao dấu vết của nó trong quang phổ lại yếu đến vậy?

Mặt Trời có thể không thiếu bạc; chúng ta chỉ đang nhìn thấy một phiên bản bị “đánh lừa” bởi cách ánh sáng tương tác với nguyên tử bạc.

Ánh sáng Mặt Trời tiết lộ thành phần hóa học như thế nào?

Các nhà thiên văn không thể lấy mẫu trực tiếp từ Mặt Trời để cân từng nguyên tố. Thay vào đó, họ phân tích quang phổ của ánh sáng phát ra từ ngôi sao. Khi ánh sáng đi qua các lớp khí ở khí quyển Mặt Trời, nguyên tử hấp thụ những bước sóng nhất định và tạo ra các vạch tối đặc trưng.

Những vạch quang phổ này giống như dấu vân tay của nguyên tố. Tuy nhiên, biến độ mạnh của một vạch quang phổ thành một con số chính xác về hàm lượng nguyên tố lại phụ thuộc rất nhiều vào mô hình vật lý được sử dụng để mô tả khí quyển sao.

Mô hình 3D và hiệu ứng không cân bằng đã thay đổi kết quả

Nhóm nghiên cứu do Sema Caliskan dẫn đầu đã xây dựng mô hình nguyên tử bạc Ag I mới và lần đầu thực hiện phân tích bạc trong khí quyển Mặt Trời bằng mô hình 3D kết hợp với các hiệu ứng phi cân bằng nhiệt động lực học (non-LTE). Các tính toán được thực hiện với sự hỗ trợ của siêu máy tính Tetralith tại Thụy Điển.

Kết quả cho thấy cách các nguyên tử bạc tương tác với bức xạ trong khí quyển Mặt Trời phức tạp hơn những mô hình đơn giản trước đây. Khi những hiệu ứng này được tính đến, cùng một lượng bạc lớn hơn có thể tạo ra các vạch quang phổ yếu hơn theo cách mà các phép tính cũ đã đánh giá chưa đầy đủ.

Quang phổ Mặt Trời và các vạch hấp thụ của bạc
Các vạch quang phổ giúp các nhà thiên văn suy ra thành phần hóa học của Mặt Trời.

Mặt Trời thực sự có nhiều bạc hơn bao nhiêu?

Nghiên cứu công bố trên Astronomy & Astrophysics ước tính hàm lượng bạc trong Mặt Trời cao hơn khoảng 55% so với giá trị tham chiếu trước đây. Giá trị mới làm giảm đáng kể khoảng cách giữa thành phần bạc của Mặt Trời và các thiên thạch chondrite CI.

Trong nghiên cứu, hàm lượng bạc mặt trời được suy ra là log εAg = 1,15 ± 0,08, cao hơn 0,19 dex so với giá trị tham chiếu trước đó. Chênh lệch với giá trị thiên thạch giảm từ khoảng 0,25 dex xuống còn 0,06 dex.

Điều gì đã thay đổi?

  • Mô hình mới mô tả khí quyển Mặt Trời theo không gian ba chiều.
  • Các hiệu ứng phi cân bằng nhiệt động lực học được đưa vào quá trình hình thành vạch quang phổ.
  • Mô hình nguyên tử Ag I sử dụng dữ liệu bức xạ và va chạm được xây dựng chi tiết hơn.
  • Các phép đo độ rộng tương đương của vạch bạc cũng được xem xét lại.

Không chỉ giải quyết một câu hỏi về Mặt Trời

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc “tìm lại” lượng bạc còn thiếu. Bạc là một nguyên tố bắt neutron nhẹ và thông tin về hàm lượng của nó trong các ngôi sao có thể giúp các nhà khoa học tìm hiểu nguồn gốc của các nguyên tố nặng và quá trình tổng hợp hạt nhân trong những môi trường sao khác nhau.

Mặt Trời được dùng như một chuẩn tham chiếu quan trọng khi nghiên cứu thành phần hóa học của các ngôi sao. Nếu phương pháp mới cho kết quả đáng tin cậy, nó có thể được áp dụng cho những ngôi sao khác, đặc biệt là các ngôi sao nghèo kim loại, để theo dõi cách bạc được tạo ra và phân bố trong Ngân Hà theo thời gian.

Một lời giải, nhưng không phải mọi câu hỏi đều đã khép lại

Nghiên cứu mới giải quyết phần lớn sự chênh lệch giữa lượng bạc suy ra từ Mặt Trời và thiên thạch, nhưng vẫn còn một khoảng sai khác nhỏ. Vì vậy, đây không phải bằng chứng rằng mọi chi tiết về nguồn gốc bạc trong vũ trụ đã được giải đáp.

Điều đáng chú ý hơn là cách câu chuyện này được giải quyết: không cần phát hiện một kho bạc mới trong Mặt Trời, mà bằng cách xây dựng một mô hình vật lý chính xác hơn để hiểu những gì ánh sáng đang nói với chúng ta. Đôi khi, một bí ẩn kéo dài hàng thập kỷ không biến mất vì chúng ta tìm thấy dữ liệu mới, mà vì chúng ta cuối cùng đã học được cách đọc dữ liệu cũ tốt hơn.