Một ngôi sao ở cách chúng ta hàng trăm hay hàng nghìn năm ánh sáng rõ ràng không thể được đặt lên bàn cân. Thậm chí, với một ngôi sao đơn độc, việc xác định khối lượng trực tiếp cực kỳ khó. Vậy các nhà thiên văn “cân” nó bằng cách nào?

Ảnh: esahubble

Bí quyết nằm ở trọng lực và chuyển động.

Trường hợp thuận lợi nhất là khi ngôi sao có một “người bạn” - tức một hệ sao đôi. Hai ngôi sao không thực sự đứng yên quanh nhau mà cùng quay quanh một tâm khối lượng chung. Giống như hai người ngồi trên một chiếc bập bênh, ngôi sao càng nặng thì càng gần tâm khối lượng. Quan sát quỹ đạo của chúng vì thế cho phép các nhà thiên văn suy ra khối lượng.

Điều họ cần đặc biệt quan tâm là kích thước quỹ đạo và chu kỳ quay. Theo phiên bản định luật Kepler được Newton phát triển, nếu biết khoảng cách trung bình giữa hai ngôi sao và thời gian chúng hoàn thành một vòng, có thể tính được tổng khối lượng của hệ. Nói cách khác, thay vì đặt ngôi sao lên cân, các nhà thiên văn quan sát xem “chiếc cân vũ trụ” do chính lực hấp dẫn tạo ra hoạt động như thế nào.

Ảnh: slideserve

Nhưng không phải hệ sao đôi nào cũng nhìn thấy rõ bằng kính thiên văn. Một số cặp ở quá xa hoặc quá gần nhau. Khi đó, quang phổ trở thành công cụ đặc biệt hữu ích. Chuyển động của ngôi sao về phía hoặc ra xa Trái Đất làm các vạch quang phổ dịch chuyển do hiệu ứng Doppler. Đo sự thay đổi tuần hoàn này, các nhà thiên văn có thể xác định vận tốc quỹ đạo của ngôi sao.

Một cách khác là quan sát sao đôi che khuất. Khi một ngôi sao đi ngang phía trước ngôi sao kia, độ sáng của hệ giảm xuống. Chu kỳ những lần “tắt sáng” cùng với dữ liệu quang phổ có thể cung cấp thêm thông tin về khối lượng và kích thước của hai ngôi sao.

Ảnh: slideserve

Đặc biệt thú vị, kỹ thuật này từng giúp các nhà thiên văn đo khối lượng của một sao lùn siêu lạnh trong hệ 2MASSW J0746425+2000321. Sau nhiều năm theo dõi quỹ đạo bằng Hubble và các kính thiên văn mặt đất, họ xác định ngôi sao chính có khối lượng khoảng 8,5% Mặt Trời, còn bạn đồng hành là một sao lùn nâu chỉ khoảng 6,6% khối lượng Mặt Trời.

Vì thế, mỗi khi nhìn thấy hai ngôi sao quay quanh nhau, các nhà thiên văn không chỉ thấy một cảnh tượng đẹp trên bầu trời. Họ đang nhìn thấy một chiếc cân tự nhiên khổng lồ - nơi lực hấp dẫn tiết lộ trọng lượng của những thế giới cách chúng ta hàng nghìn tỷ kilomet.