IRS 3 vẫn hình thành bụi và duy trì hơi nước dù chỉ cách hố đen siêu khối lượng Sgr A 0,55 năm ánh sáng, cho thấy vật chất có thể tồn tại bền bỉ hơn dự đoán trong vùng lõi Ngân hà.
Kính viễn vọng không gian James Webb vừa ghi nhận một phát hiện đáng chú ý tại vùng lõi Dải Ngân hà, nơi một ngôi sao đang ở giai đoạn cuối vòng đời vẫn hình thành bụi silicate, alumina và duy trì hơi nước trong lớp vật chất bao quanh. Đáng chú ý, ngôi sao IRS 3 nằm cách Sagittarius A (Sgr A) chỉ khoảng 0,55 năm ánh sáng, trong khi hố đen siêu khối lượng này có khối lượng tương đương khoảng 4 triệu Mặt Trời. Kết quả cho thấy các quá trình hình thành và phát tán vật chất của sao già có thể bền bỉ hơn dự đoán ngay cả trong một trong những môi trường khắc nghiệt nhất của thiên hà.
Phát hiện được Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) công bố ngày 11/8/2026, cùng nghiên cứu được đăng trên tạp chí Astronomy & Astrophysics. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học thu được một phổ hồng ngoại trung liên tục của IRS 3, qua đó giải quyết tranh luận kéo dài nhiều năm về thành phần hóa học của ngôi sao. Dữ liệu mới không chỉ xác nhận IRS 3 là một sao giàu oxy mà còn cho thấy lớp vật chất xung quanh nó có cấu trúc và thành phần phức tạp hơn nhiều so với những quan sát trước đây.
Webb quan sát IRS 3 trong môi trường cực đoan
Dữ liệu được thu thập ngày 21/4/2025, khi thiết bị MIRI Medium Resolution Spectrometer trên James Webb hướng về vùng lõi trong phạm vi khoảng một parsec của Dải Ngân hà. Quan sát nằm trong chương trình MICONIC Guaranteed Time Observations, một chương trình được thiết kế để nghiên cứu đặc tính hồng ngoại trung của các vùng nhân thiên hà lân cận. Riêng IRS 3 được Webb quan sát trong khoảng 1.500 giây, tạo ra phổ liên tục trải dài từ 4,9 đến 27,9 micromet.
IRS 3 vốn là nguồn sáng mạnh nhất ở dải L trong khu vực trung tâm Ngân hà và cũng là một trong những sao nhánh tiệm cận khổng lồ (AGB) nổi bật nhất trong vùng lõi này. Các sao AGB là những ngôi sao đã tiến tới giai đoạn cuối của quá trình tiến hóa, khi chúng mất một lượng lớn vật chất thông qua gió sao. Việc quan sát một ngôi sao như vậy ở khoảng cách chỉ 0,55 năm ánh sáng từ Sgr A* mang lại cơ hội đặc biệt để tìm hiểu cách sao già tương tác với môi trường trung tâm thiên hà.
IRS 3 không phải ngôi sao giàu carbon như từng được nhận định
Thành phần hóa học của IRS 3 đã nhiều lần được xem xét lại trong khoảng nửa thế kỷ qua. Một nghiên cứu dựa trên dữ liệu giao thoa kế công bố năm 2008 từng đưa ra khả năng IRS 3 là một ngôi sao giàu carbon, đồng nghĩa lớp vật chất mà nó phóng ra có thể hình thành các loại bụi carbon thay vì bụi silicate thường thấy ở sao AGB giàu oxy. Dữ liệu mới từ Webb đã cung cấp bằng chứng mạnh mẽ để bác bỏ cách phân loại này.
Phân tích phổ sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của bụi trên đường truyền cho thấy hai đặc trưng hấp thụ nổi bật ở khoảng 9,7 và 18,5 micromet. Đặc trưng đầu tiên liên quan đến dao động kéo giãn của liên kết silicon–oxy trong bụi silicate, trong khi đặc trưng thứ hai liên quan đến dao động uốn của cùng hệ liên kết. Sự xuất hiện đồng thời của hai dấu hiệu này là một chỉ báo quan trọng cho thấy vật chất xung quanh IRS 3 có hóa học giàu oxy.
Tỷ lệ độ sâu quang học giữa hai đặc trưng nói trên được xác định ở mức khoảng 3,5 ± 0,1. Đây là một chỉ số thường được sử dụng trong nghiên cứu quang phổ các sao AGB để phân biệt môi trường giàu oxy với môi trường giàu carbon. Nhóm nghiên cứu cũng thử nghiệm ba mô hình suy giảm bức xạ hồng ngoại khác nhau đối với vùng lõi Ngân hà và nhận thấy kết luận về thành phần hóa học của IRS 3 vẫn không thay đổi.
Lớp bụi quanh IRS 3 được cấu tạo theo nhiều tầng
Dữ liệu Webb không chỉ trả lời câu hỏi IRS 3 thuộc nhóm sao giàu oxy hay carbon, mà còn cho thấy lớp vật chất xung quanh ngôi sao được tổ chức thành nhiều vùng khác nhau. Để tái tạo phổ năng lượng của IRS 3, nhóm nghiên cứu sử dụng mã mô phỏng truyền bức xạ Monte Carlo có tên Hyperion. Khoảng 100.000 mô hình được kiểm tra để tìm cấu trúc phù hợp nhất với dữ liệu quan sát.
Mô hình tốt nhất cho thấy vùng trong cùng, nơi có nhiệt độ cao nhất, chứa alumina hay nhôm oxit (Al₂O₃). Ở các vùng xa hơn, thành phần chủ yếu chuyển sang silicate vô định hình, tạo thành những lớp bụi bao quanh ngôi sao. Cấu trúc này phù hợp với hiểu biết hiện nay về quá trình hình thành bụi ở các sao AGB giàu oxy, khi alumina có thể ngưng tụ trước ở nhiệt độ cao và đóng vai trò như những “hạt mầm” để vật chất silicate tiếp tục bám vào khi gió sao nguội dần.
Nhiệt độ ở vùng gần IRS 3 được mô hình hóa vào khoảng 1.200 Kelvin, tương đương hơn 900 độ C. Khi đi ra phía ngoài, nhiệt độ của lớp vật chất giảm xuống chỉ còn khoảng 80–100 Kelvin. Sự thay đổi lớn về nhiệt độ này tạo ra một cấu trúc nhiều lớp, trong đó mỗi vùng phản ánh một giai đoạn khác nhau của quá trình vật chất được ngôi sao phóng ra và nguội dần trong không gian.
Hơi nước tồn tại ngay trong lớp vỏ bên trong
Một trong những kết quả đáng chú ý nhất của quan sát Webb là việc phát hiện dấu hiệu của nước trong lớp vật chất bao quanh IRS 3. Phổ MIRI ghi nhận các đặc trưng hấp thụ trong khoảng 6,00–6,25 micromet và một vùng khác từ 6,66–6,95 micromet. Những tín hiệu này phù hợp với các chuyển tiếp phân tử H₂O được ghi nhận trong cơ sở dữ liệu HITRAN.
Dựa trên mô hình, nhóm nghiên cứu ước tính thành phần nước có nhiệt độ khoảng 700 Kelvin và mật độ cột khoảng 1,5 × 10¹⁷ phân tử/cm². Phần vật chất chứa nước được cho là nằm trong lớp vỏ bên trong, ở khoảng cách khoảng 900 AU tính từ IRS 3. Đây là lần đầu tiên dấu hiệu của nước được xác định trong lớp vật chất bao quanh ngôi sao này.
Việc phát hiện nước quanh một sao AGB giàu oxy không phải hiện tượng hoàn toàn mới trong thiên văn học. Tuy nhiên, điều khiến kết quả lần này trở nên đặc biệt là vị trí của IRS 3, bởi ngôi sao nằm rất gần một hố đen siêu khối lượng và chịu tác động mạnh từ bức xạ xung quanh. Bức xạ tử ngoại từ Sgr A* cùng các sao trẻ nóng trong cụm sao hạt nhân được cho là có khả năng phá hủy các phân tử, khiến việc nước vẫn tồn tại trong lớp vỏ IRS 3 trở thành một kết quả đáng chú ý.
Lớp bụi có thể đang bảo vệ các phân tử bên trong
Theo cách giải thích từ nhóm nghiên cứu, lớp bụi dày bao quanh IRS 3 có thể đóng vai trò như một lớp chắn tự nhiên. Lớp vật chất này hấp thụ hoặc làm suy giảm một phần bức xạ năng lượng cao từ môi trường bên ngoài, nhờ đó tạo ra một vùng tương đối an toàn cho các phân tử nước tồn tại. Điều này cho thấy vật chất phân tử không nhất thiết bị phá hủy ngay lập tức chỉ vì một ngôi sao nằm gần hố đen siêu khối lượng.
Phát hiện cũng mở rộng hiểu biết về khả năng các sao già tiếp tục bổ sung vật chất cho môi trường liên sao. Trong giai đoạn cuối của vòng đời, những ngôi sao AGB có thể giải phóng một lượng lớn khí và bụi thông qua gió sao. Nếu vật chất này có thể tồn tại ngay cả ở khu vực trung tâm thiên hà, các sao già có thể đóng góp nhiều hơn vào quá trình làm giàu hóa học của môi trường xung quanh so với những gì các mô hình trước đây dự đoán.
Vì sao IRS 3 nổi bật giữa hàng triệu ngôi sao?
Một câu hỏi quan trọng được đặt ra sau phát hiện là tại sao IRS 3 dường như là trường hợp nổi bật duy nhất trong số hàng triệu ngôi sao thuộc cụm sao hạt nhân của Ngân hà. Các mô hình lý thuyết cho rằng một hệ sao già và tương đối ổn định như khu vực này phải chứa nhiều sao khổng lồ đỏ và sao AGB có thể quan sát ở bước sóng hồng ngoại gần. Tuy nhiên, số lượng những ngôi sao như vậy được phát hiện trong nửa parsec bên trong lại thấp hơn đáng kể so với dự đoán.
Hiện có nhiều giả thuyết được đưa ra để giải thích sự thiếu hụt này. Một số khả năng liên quan đến lực thủy triều có thể bóc vật chất khỏi các sao già, trong khi những giả thuyết khác đề cập đến va chạm với một đĩa sao từng tồn tại hoặc tác động của một luồng vật chất từ vùng nhân thiên hà trong quá khứ. Cho đến nay, chưa có cơ chế nào được giới khoa học thống nhất hoàn toàn.
Dữ liệu mới về IRS 3 gợi ý rằng tốc độ mất khối lượng có thể là một yếu tố quan trọng. Ngôi sao dường như đang bước vào giai đoạn “siêu gió” (superwind), thời kỳ cuối trong tiến hóa AGB khi tốc độ phóng vật chất tăng lên rất mạnh. Nếu tốc độ mất khối lượng đủ lớn, lượng vật chất mới được bổ sung có thể nhanh hơn khả năng bức xạ và lực thủy triều của môi trường xung quanh bóc lớp vỏ khỏi ngôi sao.
IRS 3 đang mất vật chất với tốc độ rất lớn
Dựa trên hình ảnh từ MIRI và khoảng cách giữa IRS 3 với cấu trúc sóng xung kích phía trước, nhóm nghiên cứu ước tính tốc độ mất khối lượng của ngôi sao vào khoảng 6 × 10⁻⁵ khối lượng Mặt Trời mỗi năm. Đây là tốc độ đủ lớn để duy trì một lớp vỏ bụi đáng kể ngay cả khi ngôi sao nằm trong môi trường trung tâm đầy bức xạ và lực hấp dẫn mạnh. Nhóm nghiên cứu cho rằng đây có thể là lý do IRS 3 vẫn giữ được lớp vật chất có thể quan sát rõ trong hồng ngoại trung.
Sóng xung kích quanh IRS 3 hình thành khi gió sao va chạm với môi trường liên sao và tạo nên một vùng vật chất bị nén ở phía trước hướng chuyển động. Khoảng cách từ ngôi sao tới vị trí cân bằng của sóng xung kích được xác định vào khoảng 4.316 AU. Thông số này không chỉ giúp mô tả tương tác giữa IRS 3 và môi trường xung quanh mà còn cung cấp dữ liệu để ước tính tốc độ mất khối lượng của ngôi sao.
Nếu một sao AGB trong vùng lõi có tốc độ mất khối lượng thấp hơn, lớp vật chất xung quanh nó có thể bị bức xạ, lực thủy triều và môi trường liên sao cuốn đi trước khi tạo thành một lớp bụi đủ lớn để quan sát. IRS 3 dường như đã vượt qua ngưỡng đó nhờ giai đoạn mất khối lượng mạnh hiện tại. Việc chỉ một ngôi sao nổi bật theo cách này có thể là dấu hiệu cho thấy điều kiện để duy trì lớp vỏ bụi trong khu vực trung tâm Ngân hà thực sự rất khắc nghiệt.
Webb nhìn thấy nhiều thế hệ vật chất do IRS 3 phóng ra
Lớp vỏ bụi hiện tại của IRS 3 có kích thước rất lớn, với phần phát xạ hồng ngoại trung trải rộng tới khoảng 10.000 AU. Tuy nhiên, các quan sát trước đây bằng kính thiên văn vô tuyến ALMA còn cho thấy những lớp bụi lạnh nằm xa hơn rất nhiều, ở khoảng 1,6 triệu AU tính từ ngôi sao. Những cấu trúc này được xem là dấu vết của các đợt phóng vật chất trong quá khứ.
Các lớp bụi xa hơn có thể đã mất tới khoảng 5.000 năm để di chuyển ra ngoài. Khi kết hợp dữ liệu ALMA với quan sát mới của Webb, các nhà thiên văn có thể nghiên cứu lịch sử mất khối lượng của IRS 3 trên nhiều thang thời gian khác nhau. Webb chủ yếu cho thấy vật chất nóng và tương đối mới, trong khi ALMA giúp truy dấu những vật chất lạnh đã được phóng ra từ các giai đoạn trước.
Cấu trúc nhiều lớp của lớp vỏ vẫn chưa có lời giải thích cuối cùng. Các nhà nghiên cứu chưa thể xác định chắc chắn liệu sự phân tầng này xuất phát từ biến thiên tốc độ mất khối lượng theo các chu kỳ dao động của ngôi sao, ảnh hưởng thủy triều từ Sgr A*, hay sự tồn tại của một ngôi sao đồng hành chưa được phát hiện. Những khả năng này sẽ cần được kiểm chứng bằng các quan sát tiếp theo.
Một nguồn cung cấp vật chất cho trung tâm Ngân hà
Các mô hình hiện tại ước tính IRS 3 có khối lượng khoảng 6 lần Mặt Trời và tuổi khoảng 72 triệu năm. Những đặc điểm này phù hợp với một trong những nhóm sao tương đối trẻ trong cụm sao hạt nhân của Ngân hà. Khu vực này cũng có độ kim loại cao hơn Mặt Trời, với chỉ số [M/H] được ước tính khoảng +0,35.
Độ kim loại cao của vùng trung tâm có thể liên quan một phần đến lịch sử đóng góp vật chất từ các thế hệ sao già. Những ngôi sao AGB như IRS 3 giải phóng các nguyên tố nặng cùng bụi silicate vào môi trường liên sao thông qua gió sao. Theo thời gian, vật chất này có thể trở thành một phần của kho nguyên liệu hóa học trong vùng lõi thiên hà.
Phát hiện mới vì thế có ý nghĩa vượt ra ngoài bản thân IRS 3. Nó cho thấy các sao già có thể tiếp tục tham gia vào quá trình làm giàu hóa học của vùng trung tâm ngay cả khi phải sống cạnh một hố đen siêu khối lượng. Với các mô hình về sự tiến hóa hóa học của thiên hà, khả năng bụi và phân tử tồn tại trong điều kiện như vậy là một yếu tố đáng được tính đến.
MIRI vượt qua thách thức kỹ thuật để quan sát IRS 3
Việc thu được phổ của IRS 3 không phải nhiệm vụ đơn giản. Ngôi sao quá sáng ở một số dải bước sóng khiến các cảm biến của MIRI có nguy cơ bị bão hòa. Nhóm nghiên cứu vì thế phải sử dụng một quy trình xử lý dữ liệu tùy chỉnh, tận dụng các phép đo riêng lẻ chưa bị bão hòa để phục hồi thông tin về phổ trước khi tiến hành xử lý toàn bộ dữ liệu.
Nhóm cũng sử dụng khẩu độ trích xuất lớn hơn tiêu chuẩn, tương đương khoảng hai lần bán kính hàm trải điểm, nhằm thu nhận đầy đủ hơn phát xạ mở rộng từ lớp vỏ IRS 3. Đây là yếu tố quan trọng bởi lớp vật chất quanh ngôi sao không phải một nguồn điểm đơn giản mà trải rộng trên khoảng cách hàng nghìn AU. Những điều chỉnh kỹ thuật này cho phép nhóm khai thác dữ liệu từ một mục tiêu vừa sáng vừa nằm sau lớp bụi dày của vùng trung tâm Ngân hà.
MIRI có độ phân giải phổ khoảng R≈3.000 trong vùng hồng ngoại trung. Mức phân giải này đủ để tách các dấu hiệu hấp thụ của phân tử khỏi nền phát xạ liên tục của bụi. Nhờ phạm vi bước sóng từ 4,9 đến 27,9 micromet, Webb có thể quan sát đồng thời nhiều đặc trưng quan trọng mà các đài quan sát trước đây khó ghi nhận trong một phổ liên tục.
Những câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ
Dữ liệu mới đã làm rõ thành phần bụi và sự hiện diện của nước quanh IRS 3, nhưng nghiên cứu chưa phải lời giải cuối cùng cho toàn bộ cấu trúc của hệ thống. Một số tín hiệu khác trong phổ, chẳng hạn khả năng liên quan đến CO₂ ở khoảng 15 micromet và các dải OH trong vùng 14–17 micromet, vẫn cần được phân tích chuyên sâu. Nhóm nghiên cứu cũng lưu ý rằng ảnh hưởng của băng trên đường truyền qua vùng trung tâm Ngân hà chưa thể loại trừ hoàn toàn đối với một số đặc trưng yếu.
Chương trình MICONIC hiện vẫn đang được triển khai và IRS 3 chỉ là một trong nhiều mục tiêu tại vùng trung tâm Ngân hà được Webb khảo sát ở bước sóng hồng ngoại trung. Những quan sát bổ sung có thể giúp các nhà khoa học xác định liệu đặc điểm của IRS 3 là một trường hợp đặc biệt hay đại diện cho một quá trình phổ biến hơn trong các vùng nhân thiên hà. Đây cũng là cơ hội để kiểm tra xem các sao AGB khác có thể duy trì lớp bụi và phân tử trong môi trường gần hố đen siêu khối lượng hay không.
Từ góc độ rộng hơn, phát hiện về IRS 3 đang thay đổi cách nhìn về khả năng tồn tại của vật chất trong vùng lõi Ngân hà. Một môi trường chịu tác động mạnh từ bức xạ và lực hấp dẫn không đồng nghĩa mọi bụi và phân tử đều nhanh chóng bị phá hủy. Ngược lại, lớp vỏ vật chất đủ dày có thể giúp một ngôi sao già tiếp tục sản xuất, bảo vệ và phát tán các thành phần hóa học vào không gian xung quanh.
IRS 3 không “nuôi” trực tiếp hố đen Sgr A*
Mặc dù nằm rất gần Sgr A*, lớp bụi của IRS 3 không đồng nghĩa ngôi sao đang trực tiếp cung cấp vật chất cho hố đen. Phần lớn vật chất được phóng ra trước tiên sẽ hòa vào môi trường liên sao trong vùng lõi của Ngân hà. Chỉ một phần vật chất trong tương lai có thể bị các dòng khí và bụi xung quanh cuốn theo về phía trung tâm.
Lớp vỏ ấm quan sát được bằng Webb trải rộng khoảng 10.000 AU, trong khi các cấu trúc bụi lạnh từng được ALMA phát hiện nằm xa tới khoảng 1,6 triệu AU. Ở những khoảng cách lớn như vậy, vật chất đã bắt đầu chịu ảnh hưởng của môi trường hấp dẫn và động lực học phức tạp quanh trung tâm thiên hà. Điều đó khiến quá trình vật chất từ một ngôi sao già cuối cùng đi đâu trở thành một vấn đề thú vị cho các nghiên cứu tiếp theo.
Điểm quan trọng nhất của phát hiện không nằm ở việc IRS 3 có thể trở thành “nguồn nhiên liệu” cho Sgr A*. Giá trị lớn hơn nằm ở bằng chứng cho thấy một ngôi sao già vẫn có thể hình thành bụi silicate, alumina và duy trì nước trong một môi trường mà trước đây được xem là quá khắc nghiệt đối với những vật chất như vậy. Với James Webb, các nhà thiên văn giờ đây có thêm một cửa sổ quan sát để tìm hiểu cách những “nhà máy bụi” của vũ trụ tiếp tục làm giàu vật chất cho các vùng trung tâm thiên hà, kể cả khi chúng nằm sát một hố đen siêu khối lượng.