Mặt Trời chiếu sáng
nhưthếnào
Trong tiến trình sáu tháng sau đó hay ngầnấy thời gian, Bethe đã đi tới
những quá trình hạt nhân cơbản mà qua đó hydrogen bị đốt cháy (hợp nhất)
thành helium ởtrong lõi sao. Hydrogen là thành phần dồi dào nhất của mặt trời và
các sao tương tự, và thật ra là thành phần dồi dào nhất trong vũtrụ.
Bethe đã mô tảcác kết quảtính toán của ông trong một bài báo tựađề là “Sự
sản sinh năng lượng tr ong các sao”, đó là một bài báo đáng sợkhi đọc. Ông đã hống
hách phân tích các khảnăng khác nhau cho các phảnứng đốt cháy hạt nhân và
chọn ra quan trọng nhất hai quá trình mà ngày nay chúng ta tin là nguyên nhân
cho mặt trời tỏa sáng. Một quá trình, gọi là chuỗip-p, tạo ra helium từhydrogen và
là nguồn năng lượng át trội trong các sao giống nhưmặt trời và các sao khối lượng
nhỏhơn.
Chuỗi phảnứng p-p. Trong các mô hình lí thuyết
của mặt trời, chuỗi phảnứng hạt nhân p-p minh họaở
đây là nguồn gốc át trội của sựsản sinh năng lượng. Mỗi
phảnứng đượcđặt tên theo con số ở góc trên bên trái
khung chứa nó. Trong phảnứng 1, hai hạt nhân
hydrogen (1H, proton) hợp nhất, tạo ra một hạt nhân
hydrogen nặng (2H, deuteron). Đây là cách đốt cháy hạt
nhân bình thường bắtđầu trong mặt trời. Trong những
tình huống hiếm, quá trình bắtđầu bằng phảnứng 2.
Các deuteron tạo ra trong phảnứng 1 và 2 hợp nhất với
proton tạo ra một nguyên tốnhẹthuộc helium (3He).
Tại chỗnày, chuỗi p-p chia làm ba nhánh, có tần suất
tương đốiđươc chỉrõ trong hình. Kết quảtổng hợp của
chuỗi này là sựhợp nhất của bốn proton thành một hạt
nhân helium bình thường (4He) với năng lượng giải
phóng trong ngôi sao tuân theo công thức Einstein. Các
hạt gọi là neutrino (n) được phát ra trong những quá
trình hợp nhân này. Năng lượng của chúng được chỉra
trong hình theo đơn vịtriệu electron-volt (MeV). Các
phảnứng 2 và 4 không được Hans Bethe bàn tới.
Chu trình CNO, quá trình thứhai cũng được xem xét bởi von Weizsäcker, là
quan trọng nhất trong những ngôi sao nặng hơn mặt trời. Bethe đã sửdụng kết
quảcủa ông ước tính nhiệtđộ tại tâm của mặt trời và thu được một giá trịtrong
phạm vi 20% cái hiện nay chúng ta tin là giá trịchính xác (16 triệu Kelvin). Hơn
nữa, ông chỉra rằng cách tính của ông mang lại một mối quan hệgiữa khối lượng
sao và độ sáng sao phù hợp thỏađáng với các quan sát thiên văn sẵn có.
Trong hai thập kỉ đầu sau khi kết thúc Thếchiến thứhai, nhiều chi tiết quan
trọng đã được bổsung vào lí thuyếtđốt cháy hạt nhân trong các sao của Bethe. Các
nhà vật lí và thiên văn vật lí nổi tiếng, nhất là A.G.W. Cameron, W.A. Fowler, F.
Hoyle, E.E. Salpeter, M. Schwarzschild, và các đồng sựthực nghiệm của họ, hăm hở
quay trởlại với câu hỏi các ngôi sao giống nhưmặt trời phát ra năng lượng như
thếnào. Từnghiên cứu của Bethe, câu trảlờiđã rõ vềnguyên tắc: mặt trời tạo ra
năng lượng mà nó phát ra bằng sự đốt cháy hydrogen. Theo lí thuyết này, bên
trong mặt trời là một loại bom nhiệt hạch điều khiểnđượcởquy mô khổng lồ. Lí
thuyếtđó đưađến sựtính toán thành công độ sáng quan sát thấyởcác ngôi sao
tương tựnhưmặt trời và mang lại cơsởcho sựhiểu biết hiện nay của chúng ta về
cách thức các ngôi sao tỏa sáng và tiến hóa theo thời gian. Ý tưởng sựhợp nhất hạt
nhân cấp nguồn cho các ngôi sao là một trong những cột trụcủa thiên văn học hiện
đại và được các nhà khoa học sửdụng đềuđặn trong giải thích các quan sát sao và
thiên hà.
W.A. Fowler, tức Willy nhưtên ông thường tựgọi, lãnh đạo mộtđội các đồng
nghiệp tại Phòng thí nghiệm Caltech Kellogg của ông và các nhà vật lí đầy sáng tạo
trên khắp thếgiớiđã đo hay tính các chi tiết quan trọng nhất của chuỗi p-p và chu
trình CNO. Có nhiều việcđể làm và các thí nghiệm và phép tính thật là khó. Nhưng,
công việcđã được thực hiện vì việc tìm hiểu các chi tiết của sựsản sinh năng lượng
mặt trời quá hấp dẫn. Đa sốcác cốgắng của Fowler và các đồng nghiệp của ông (M.
Bur bidge, G.R. Burbidge, F. Hoyle và A.G.W Cameron) sớm lệch hướng sang bài
toán làm thếnào các nguyên tốnặng, chúng cần thiết cho sựsống, được tạo ra
trong các sao.
Kiểm nghiệm giảthuyếtđốt cháy hạt nhân
Các tiến bộkhoa học là kết quảcủa sựxung đột giữa lí thuyết và thực
nghiệm, giữa sựsuy đoán và đo lường. Eddington, cũng trong bài giảng mà trong
đó lầnđầu tiên ông bàn vềsự đốt cháy của hạt nhân hydrogen trong các sao, nhận
xét:
Tôi cho r ằng các nhà t oán họcứng dụng có lí t huyết chỉqua một lần kiểm
nghiệm vẫn cần kiểm t r a nghi êm ngặt hơn nữa bằng quan sát không thểcảm thấy
hài lòng, chứ đừng nói là chán nản. – Lại hỏng nữa r ồi! Lần này tôi hi vọng tìm thấy
một sựmâu thuẫn sẽsoi ánh sáng lên các điểm nơi mô hình của t ôi có t hể được cải
tiến”.
Liệu có phương pháp nào kiểm tra lí thuyết mặt trời tỏa sáng vì ởrất sâu
trong lòng của nó, hydrogen bị đốt cháy thành helium ? Thoạt nghĩ, thật không thể
nào thực hiện một phép kiểm tra trực tiếp giảthuyếtđốt cháy hạt nhân. Ánh sáng
mất khoảng 10 triệu nămđể thoát ra từtâm mặt trời lên bềmặt và khi cuối cùng
nó xuất hiện trong vùng ngoài cùng, ánh sáng chủyếu cho chúng ta biết những
điều kiện trong các vùng ngoài đó. Tuy nhiên, có một cách “nhìn” vào bên trong
mặt trời với neutrino, các hạt kì lạ được phát hiện trong khi người ta đang cốgắng
tìm hiểu một bí ẩn khác.
Khám phá, xác nhận và bất ngờ
Neutrino là một hạt hạnguyên tửtương tác yếu với vật chất và truyềnđiở
tốcđộ vềcơbản là tốcđộ ánh sáng. Neutrino được tạo ra trong các sao khi hạt
nhân hydrogen đốt cháy thành hạt nhân helium; neutrino cũng được tạo ra trên
trái đất trong các máy gia tốc hạt, trong các lò phảnứng hạt nhân, và trong sự
phóng xạtựnhiên. Dựa trên công trình của Hans Bethe và các đồng sựcủa ông,
chúng ta tin rằng quá trình mà các sao giống nhưmặt trời sản sinh ra năng lượng
có thểkí hiệu bằng quan hệsau:
41H→4He + 2e++ 2νe+ năng lượng (1)