Sirius binary star
© NASA
Sirius là một sao đôi. Sirius B mờ hơn và gần Sirius A đến nỗi mãi đến năm 1862 nó mới được phát hiện
Chương 15: Nemesis xuất hiện

Như mọi người đều biết, hệ mặt trời của chúng ta được cung cấp năng lượng bởi một ngôi sao duy nhất: Mặt Trời. Thực ra, nó được giả định rằng hệ. mặt trời của chúng ta chỉ có một ngôi sao duy nhất bởi vì chúng ta chỉ thấy một mặt trời mọc vào mỗi buổi sáng. Tuy nhiên, đây thực sự là một cấu hình khá đặc biệt, bởi vì hầu hết những ngôi sao mà các nhà thiên văn học đã quan sát nằm trong hệ thống đa sao (thường là sao đôi).

Dựa trên dữ liệu từ đài quan sát X-quang Chandra của NASA, người ta ước tính rằng hơn 80% các ngôi sao trong vũ trụ nằm trong những hệ thống sao đôi hay đa sao. Grazia và Milton, những người đã nghiên cứu 60 hệ thống sao gần chúng ta nhất rút ra kết luận tương tự:
61% trong số 60 ngôi sao gần nhất là một phần của hệ thống hai hoặc ba sao.
Mô hình sao đôi cho hệ mặt trời của chúng ta là một viễn cảnh hấp dẫn, bởi vì nó có thể giải thích nhiều "hiện tượng bất thường" trong giả thuyết sao đơn. Như được tuyên bố bởi Viện Nghiên cứu Sao đôi (Binary Research Institute - BRI):
... các phương trình quỹ đạo elip tỏ ra có khả năng dự đoán tốc độ tiến động tốt hơn công thức của Newcomb, cho ra độ chính xác tốt hơn nhiều trong mấy trăm năm vừa qua. Hơn nữa, một mô hình hệ mặt trời di chuyển có vẻ như giải quyết được một số vấn đề trong lý thuyết hình thành hệ thống mặt trời, bao gồm cả việc thiếu mô men động lượng của Mặt Trời. Vì những lý do này, BRI kết luận rằng có nhiều khả năng Mặt Trời của chúng ta nằm trong một hệ thống sao đôi chu kỳ dài.
Nhớ rằng những hệ thống sao đôi đề cập ở trên được tạo thành bởi các ngôi sao đủ sáng để kính thiên văn có thể phát hiện được. Điều này có nghĩa là tỷ lệ phần trăm của các hệ thống sao đôi có thể còn cao hơn nữa, do một số hệ thống có thể chứa sao "không sáng", ví dụ như là cái gọi là "sao lùn nâu".

Đối với các nhà vũ trụ học plasma, hệ thống sao đôi là cách dễ hiểu để những ngôi sao riêng lẻ đối phó với áp lực điện lớn, thứ thường khiến một ngôi sao lớn bị tách ra thành hai hay nhiều phần. Khi một quả cầu được chia thành hai quả cầu cùng kích cỡ, tổng khối lượng vẫn giữ nguyên (vật chất không bị mất đi) nhưng tổng diện tích bề mặt của cặp mới sẽ lớn hơn diện tích bề mặt của quả cầu đơn lẻ ban đầu khoảng 26%. Điều này làm gia tăng tổng diện tích bề mặt tiếp xúc với điện trường và do đó làm giảm mật độ dòng (ampe trên mỗi mét vuông). Do vậy, sự phân tách gây ra bởi điện cho phép ngôi sao giảm áp lực điện mà nó phải chịu bằng cách san đều nó ra cho hai hoặc nhiều ngôi sao con.

Do áp lực điện tác động lên hệ thống sao đôi nhỏ hơn một sao đơn lẻ, sao lùn nâu (ngôi sao chịu điện trường yếu nên có độ sáng giảm) khá phổ biến trong các hệ thống sao đôi:
Nếu thành viên của cặp sao đôi không bằng nhau về kích cỡ, ngôi sao lớn hơn có nhiều khả năng sẽ có mật độ dòng lớn hơn - nhưng vẫn nhỏ hơn giá trị của ngôi sao ban đầu. (Giả định rằng lượng điện tích và dòng điện đến ngôi sao ban đầu chia ra hai ngôi sao mới theo khối lượng của chúng.) Trong trường hợp đó, thành viên nhỏ hơn trong cặp có thể có mật độ dòng nhỏ đến mức biến nó thành một "sao lùn nâu" hay thậm chí "hành tinh khí khổng lồ".
Rõ ràng là sao đôi rất phổ biến, thậm chí có lẽ còn phổ biến hơn là được thừa nhận trong các tài liệu khoa học. Vậy, liệu Mặt Trời của chúng ta có phải là một hiện tượng bất thường nữa trong cái vũ trụ khá là bất thường được mô tả bởi khoa học chính thống? Có phải thực sự nó là một sao đơn không? Một manh mối quan trọng trỏ đến việc ngôi sao của chúng ta trên thực tế có thể là nằm trong một hệ thống sao đôi xuất hiện trong tạp chí Tự Nhiên (Nature) vào ngày 19 tháng 3 năm 1982 khi các nhà cổ sinh học David Raup và Jack Sepkoski công bố chu kỳ của các sự kiện tuyệt chủng hàng loạt mới được phát hiện trong mẫu hóa thạch. Nghiên cứu của họ tiết lộ rằng trong 250 triệu năm trở lại đây, Trái Đất thường xuyên trải qua những sự kiện tuyệt chủng hàng loạt như được mô tả trong hình dưới.
Extinction plot for last 500 million years
© Sott.net
Biểu đồ mức độ tuyệt chủng (đơn vị hàng ngang là triệu năm trước tính từ hiện tại).

Trong số 19 sự kiện tuyệt chủng lớn (điểm có vòng tròn), 11 sự kiện (điểm tròn màu xanh) trùng với những đường đứt quãng thẳng đứng hiển thị chu kỳ 27 triệu năm.
Nhà vật lý học từ Berkeley, Richard Muller, phát hiện một manh mối quan trọng khác vào tháng 5 năm 1986 khi ông tập hợp số liệu về nồng độ iridium đo được tại ranh giới Eocene-Oligocene (E-O), ranh giới đánh dấu sự kiện tuyệt chủng hàng loạt xảy ra khoảng 39 đến 35 triệu năm trước, tại 66 địa điểm khác nhau trên năm châu lục có người ở. Như được đánh dấu trên bản đồ dưới, kết quả thật bất ngờ: tại tất cả 66 địa điểm đó, Muller đều thấy có nồng độ bất thường của iridium.
Iridium concentration map
© R. Muller
Iridium thì có gì mà quan trọng vậy, bạn có thể tự hỏi. Cùng với vàng, bạch kim, osmium và rhenium, iridium là một trong những "kim loại trơ" có nồng độ trong các thiên thạch cao gấp 10.000 lần nồng độ trong vỏ Trái Đất. Nhưng không chỉ có các thiên thạch mới đưa được những nguyên tố này đến Trái Đất; bức xạ khổng lồ phát ra bởi các siêu tân tinh cũng có thể tạo ra một lượng lớn các nguyên tố nặng, bao gồm cả iridium.

Vậy là trong khi nồng độ iridium bất thường ở ranh giới E-O báo hiệu rằng sự kiện tuyệt chủng hàng loạt khoảng 37 triệu năm trước đây có nguyên nhân từ vũ trụ, chúng ta vẫn phải chờ xem liệu thủ phạm là một siêu tân tinh hay một vụ bắn phá bởi thiên thạch.

Luis Alvarez là một trong những người ủng hộ giả thuyết bắn phá bởi thiên thạch. Để chứng minh, ông lập luận như sau:
Pu-244, một trong những đồng vị của plutonium, không tồn tại tự nhiên trong vỏ Trái Đất hay trong thiên thạch. Tuy nhiên, nó là một trong những nguyên tố nặng tạo ra bởi siêu tân tinh. Vì vậy, nếu các sự kiện tuyệt chủng hàng loạt là do vụ nổ siêu tân tinh, chúng ta phải tìm thấy nồng độ Pu-244 cao bất thường trong mẫu vật tại các ranh giới kỷ nguyên địa chất vì nó có chu kỳ bán rã rất dài, tới 80 triệu năm. Việc phân tích nồng độ Pu-244 trong những mẫu đất sét lấy từ ranh giới E-O dẫn đến kết luận như sau:

Không có plutonium. Siêu tân tinh không phải là thủ phạm giết hại các con khủng long. Kết quả này về sau được công bố trong một bài viết với tựa đề "Kết quả phủ nhận giả thuyết siêu tân tinh". Trong bài viết này, họ [Alvarez và các cộng sự] mô tả việc các dữ liệu đo đạc cho thấy không có chút plutonium-244 nào, và tại sao kết quả này loại trừ lý thuyết siêu tân tinh...
Nếu không phải là siêu tân tinh thì nguyên nhân khả dĩ duy nhất là bắn phá bởi sao chổi hoặc tiểu hành tinh (chúng ta có thể sử dụng hai thuật ngữ này thay thế cho nhau như tôi sẽ giải thích trong chương 18). Kể từ đó, nhiều nhóm nghiên cứu, kể cả nhà thiên văn học từ trường Đại học Louisiana, tiến sĩ Daniel Whitmire, và nhóm Mellot và Bambach, đã xuất bản những bài viết xác nhận rằng bắn phá bởi thiên thạch thực sự là nguyên nhân của sự kiện tuyệt chủng hàng loạt trên Trái Đất này.

Một khi nó đã được xác nhận rằng đa số các sự kiện tuyệt chủng hàng loạt theo chu kỳ là do tiểu hành tinh, một câu hỏi khác xuất hiện: cơ chế chính điều khiển các vụ bắn phá theo chu kỳ bởi tiểu hành tinh này là gì? Chúng ta có thể loại trừ ý tưởng cho rằng một tiểu hành tinh duy nhất hoặc một đám mây tiểu hành tinh có thể đi theo một quỹ đạo ổn định với chu kỳ 27 triệu năm.

Những thiên thể nhỏ không thể tồn tại lâu trong một quỹ đạo ổn định. Như chúng ta đã thấy nhiều lần trong những năm gần đây, khi các sao chổi tiếp cận những thiên thể khổng lồ sao Thổ, sao Mộc hay Mặt Trời, chúng hoặc là bị hủy diệt, vỡ thành nhiều mảnh và bị "hút vào" (vậy nên có cái tên "sao chổi lao vào mặt trời"), hoặc là cuộc gặp gỡ thay đổi quỹ đạo của chúng và tống mạnh chúng ra khỏi vùng trung tâm hệ mặt trời. Vì vậy, có rất ít khả năng là một đám mây tiểu hành tinh có thể bay qua hệ mặt trời, duy trì quỹ đạo ổn định trong suốt chuyến đi, sao đó lại quay lại trung tâm hệ mặt trời trong vòng tiếp theo và lặp đi lặp lại như thế trong hơn 500 triệu năm như nghiên cứu của Raupp và Sepkovsky đề xuất.

Nemesis painting

Bức tranh "Nemesis" của Alfred Rethel, 1837
Thêm vào đó, một quỹ đạo dài như vậy có nghĩa là những tiểu hành tinh đó sẽ đi xa nhiều năm ánh sáng khỏi hệ mặt trời và chịu ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn từ các ngôi sao khác.

Nếu các tiểu hành tinh không thể đi một mình trên một quỹ đạo ổn định dài 27 triệu năm thì phải có một cái gì đó khác làm như vậy; một cái gì đó đủ lớn để duy trì quỹ đạo ổn định; và cái gì đó ấy thường xuyên ném những sao chổi mới về phía chúng ta. Đấy là khi mà Richard Muller đưa ra ý tưởng rằng một ngôi sao đồng hành của mặt trời có thể đi theo quỹ đạo như vậy. Cứ 27 triệu năm, trên đường đi vào hệ mặt trời, ngôi sao đồng hành ấy sẽ làm xáo động các tiểu hành tinh và sao chổi nằm gần quỹ đạo của nó, đẩy và kéo chúng theo cùng. Muller đặt tên ngôi sao đồng hành của mặt trời này là "Nemesis", lấy tên vị nữ thần Hy Lạp không ngừng theo đuổi, trừng phạt những kẻ quá giàu có, quyền lực và kiêu ngạo. Trên thực tế, đây là một cái tên khá phù hợp, như chúng ta sẽ thấy trong thảo luận sau này của chúng tôi về vai trò của những kẻ "giàu có, quyền lực và ngạo mạn" trong các vấn đề vũ trụ.

Sau công trình mang tính đột phá của Muller, nhiều nhóm nghiên cứu, bao gồm cả nhà thiên văn học Frank Low từ trường Đại học Arizona và Thomas Chester từ Phòng Thí nghiệm Lực đẩy Phản lực (Jet Propulsion Laboratory - JPL) của NASA, bắt đầu tìm kiếm trên bầu trời để tìm ra Nemesis. Công cuộc tìm kiếm của họ kéo dài nhiều năm nhưng không có kết quả, vì vậy cho đến nay các nhà quan sát vẫn chưa tìm ra Nemesis. Nhưng như chúng tôi đã lưu ý ở trên, một số ngôi sao hầu như không phát sáng, như các sao lùn nâu (loại sao mà Dan Whitmire lựa chọn cho Nemesis), hay thậm chí là sao lùn đỏ tuyệt chủng (lựa chọn của Muller).

Nếu ngôi sao đồng hành của Mặt Trời là một sao lùn nâu - và nếu nó cũng chuyển động trong mặt phẳng hoàng đạo - thì việc tìm kiếm nó giống như tìm kiếm một vật tối vô hình bao bọc bởi hàng triệu vật thể sáng chói, một kỳ công còn khó hơn là tìm kim đáy bể. Đây là một so sánh khá chính xác bởi cho đến nay, công nghệ hiện đại chưa cho phép chúng ta phát hiện thành công một cách có hệ thống những thiên thể tối như sao lùn nâu, như Whitmire giải thích:
Hiện tại, tôi đang tìm trong nửa tỷ nguồn điểm trong cơ sở dữ liệu 2MASS để tìm ra vật thể này. Cuộc khảo sát này bao phủ 99% bầu trời ở bước sóng hồng ngoại gần 1 - 2 micron. Bước sóng tối ưu cho việc tìm kiếm của chúng tôi là 5 micron nhưng hiện nay chưa có dữ liệu như vậy cho toàn bộ bầu trời.
Nếu Nemesis tồn tại, thực tế rằng nó chưa được tìm thấy sau nhiều năm nghiên cứu tìm kiếm cho thấy nhiều khả năng nó là một ngôi sao tối.

Brown dwarf depiction
© Wikimedia Commons
Hình ảnh minh họa sao lùn nâu
Nhân tiện lưu ý thêm, theo khoa học chính thống, sao lùn nâu là những ngôi sao nhỏ gần cuối đời của chúng. Trong vũ trụ học chính thống, "phản ứng Fermi nội bộ" của chúng đang suy giảm do thiếu nhiên liệu (hydro), khiến chúng ngày càng trở nên mờ hơn. Tuy nhiên, có nhiều vấn đề với mô hình này. Đầu tiên, các sao lùn nâu phát ra tia X-quang:
Kính thiên văn X-quang trên quỹ đạo Chandra gần đây phát hiện một sao lùn nâu (lớp quang phổ M9) có bùng phát bức xạ X-quang. Điều này đặt thêm ra một vấn đề cho những người ủng hộ mô hình phản ứng tổng hợp hạt nhân trong sao. Một ngôi sao nguội như vậy lẽ ra không có khả năng tạo ra bùng phát bức xạ X-quang. Làm thế nào "sụp đổ hấp dẫn" có thể tạo ra X-quang vẫn chưa được giải thích. "Chúng tôi đã bị sốc," tiến sĩ Robert Rutledge của Viện Công nghệ California tại Pasadena, tác giả chính của bài viết công bố phát hiện này trong số ra ngày 20 tháng 7 của Tạp chí Vật lý Thiên văn (Astrophysical Journal Letters), nói. "Chúng tôi không nghĩ rằng sẽ thấy bùng phát bức xạ từ một vật thể nhẹ như vậy. Đây thực sự là 'con chuột nhắt gầm như sư tử'".
Trong các mô hình thiên văn học chính thống, sao lùn nâu được cho là quá lạnh và quá nhỏ để có thể duy trì phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi của chúng. Nhiệt độ tối đa của chúng được cho là ba triệu độ Kelvin và khối lượng tối đa được cho là 7% khối lượng của Mặt Trời. Tuy nhiên, một số "sao lùn nâu" không đáp ứng các tiêu chí này. Do vậy, kích thước hay nhiệt độ không giải thích được sự thiếu vắng phản ứng tổng hợp hạt nhân của chúng. Thêm vào đó, chúng vẫn phát ra bức xạ X-quang, dấu hiệu chính của phản ứng hạt nhân.

Ngược lại, sao lùn nâu không tạo ra vấn đề bất thường gì cho mô hình vũ trụ điện. Nó chỉ đơn giản là một ngôi sao không sáng vì điện trường xung quanh quá yếu. Xét từ quan điểm này, không phải là kích thước (và trường hấp dẫn) khiến một ngôi sao không phát sáng, mà là áp lực điện. Nếu áp lực điện quá thấp, ngôi sao (bất kể kích thước như thế nào) sẽ không phát sáng. Do đó, khoảng kích thước và nhiệt độ mà khoa học chính thống dùng để định nghĩa sao lùn nâu là vô nghĩa.

Trong hình dưới, chúng tôi chỉnh sửa lại mô phỏng của Muller cho quỹ đạo của Nemesis. Trong mô phỏng này, Nemesis to hơn một chút và điểm cận nhật của nó gần Mặt Trời hơn. Khối lượng tương đối của Nemesis và Mặt Trời là tương tự, và chúng quay quanh điểm trọng tâm của hệ thống, chấm đỏ ở hình bên phải.
Simulation of Nemesis orbit
© Sott.net
Mô phỏng quỹ đạo Nemesis (đen: Mặt Trời, đỏ: Nemesis). Khối lượng Nemesis = 0,56 Mặt Trời, điểm cận nhật = 49 AU.
Trong hình này, quỹ đạo Mặt Trời là hình elip nhỏ màu đen bên trái. Quỹ đạo của Nemesis là hình elip lớn màu đỏ bên phải. Hình bên phải phóng to vào điểm cận nhật (khu vực mà Mặt Trời và Nemesis lại gần nhau nhất). Lưu ý rằng, do chu kỳ quỹ đạo dài của Nemesis, quỹ đạo của nó rất dẹt.

Hình dưới hiển thị quỹ đạo của Nemesis so với hệ mặt trời.
Nemesis orbit
© Sott.net
Mô phỏng này dựa trên giả thuyết sau đây: khối lượng Nemesis = 56% khối lượng Mặt Trời; điểm cận nhật của Nemesis = 49 AU (tương đương khoảng cách giữa Mặt Trời và sao Diêm Vương); chu kỳ quỹ đạo của Nemesis = 26,9 triệu năm như được tính toán bởi Mellot và Bambach.

Kết quả là tốc độ của Nemesis so với Mặt Trời ở điểm cận nhật sẽ là 7,5 km/s. Điểm viễn nhật (khoảng cách xa nhất giữa Mặt Trời và Nemesis) sẽ là 203.000 AU, nghĩa là 3,21 năm ánh sáng. Tâm sai của quỹ đạo Nemesis là 0,999, nghĩa là một hình elip rất dẹt.

Tuy nhiên, mô phỏng trên không đưa ra được bất cứ thông tin gì về vị trí thực tế hiện nay của Nemesis so với Mặt Trời. Theo biểu đồ hiển thị những sự kiện tuyệt chủng hàng loạt theo chu kỳ của Mellot và Bambach, sự kiện tuyệt chủng lớn cuối cùng, được biết dưới cái tên Gián đoạn Middle Miocene, xảy ra khoảng 14 triệu năm trước. Giả sử số liệu đó là đúng, ngôi sao đồng hành của Mặt Trời hiện sẽ ở gần điểm viễn nhật trên quỹ đạo 27 triệu năm của nó và không gây ra mối đe dọa nào cho sự sống trên Trái Đất.

Nhưng có thật Gián đoạn Middle Miocene xảy ra 14 triệu năm trước? Để tạo ra các mốc thời gian của họ, Muller, Raup và các cộng sự xét nghiệm mẫu vật trong các tầng địa chất liên quan. Đặc biệt, họ xét nghiệm nhiều động thực vật hóa thạch bị giết trong những đợt tuyệt chủng hàng loạt, dựa chủ yếu vào phương pháp carbon phóng xạ.