Một khám phá tình cờ về một hành tinh có thể sẽ được hình thành, quay xung quanh ngôi sao AB Aurigae, đang thách thức sự hiểu biết của chúng ta về cách hình thành các hành tinh khí khổng lồ.
Tương truyền rằng Isaac Newton lần đầu tiên hình thành khái niệm vạn vật hấp dẫn sau khi một quả táo rơi trúng đầu ông. Tai nạn và sự tình cờ luôn đóng một vai trò quan trọng trong các tiến bộ khoa học của thế giới.
Điều đó cũng đã đến với trường hợp của Thayne Currie, một nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm Nghiên cứu NASA-Ames với Kính viễn vọng Subaru. Currie có thể đã phát hiện ra tiền hành tinh trẻ nhất từ trước đến nay, cùng với bằng chứng về lý thuyết hình thành hành tinh mới (vẫn còn nhiều tranh luận). Công trình được công bố trong một nghiên cứu trên Tạp chí Thiên văn học (Nature Astronomy) gần đây.
Mọi chuyện bắt đầu vào năm 2016, khi Currie đang cố gắng nghiên cứu một ngôi sao với ba hành tinh có thể có xung quanh nó. Đột nhiên, Currie gặp phải một vấn đề. "Có một lý do bất ngờ nào đó, thiết bị quan sát của chúng tôi không thể bắt được ngôi sao đó", ông giải thích. “Đó là kế hoạch chính của tôi cho buổi tối hôm đó, vì vậy tôi phải nghĩ ra một kế hoạch khác - ngay lập tức.”
Một phát hiện bất ngờ
Ông cần thu thập một số dữ liệu quan sát hành tinh, không quan trọng là chúng đến từ hệ sao nào. Vì vậy, ông đã đi tìm một ngôi sao khác để thay thế. AB Aurigae, một ngôi sao trẻ cách mặt trời của chúng ta khoảng 531 năm ánh sáng, đã xuất hiện ngay trong tâm trí ông. Đó là một mục tiêu tương đối dễ quan sát, đó là “một đĩa tiền hành tinh sáng có rất nhiều cấu trúc”, ông nói. Theo thuật ngữ vật lý thiên văn, ‘cấu trúc’ đề cập đến các khối khí không gian, có nghĩa là có rất nhiều khối khí không gian để quan sát và nghiên cứu trong đĩa này.
“Vì vậy, suy nghĩ của tôi là, nếu chúng ta nhắm mục tiêu vào ngôi sao này, chúng ta sẽ phát hiện ra điều gì đó, và nó sẽ hữu ích bằng cách nào đó”, Currie lưu ý. "Tôi không biết nó sẽ như thế nào, nhưng nó sẽ hữu ích bằng cách nào đó".
Các đài quan sát và thiết bị khác đã từng kiểm tra AB Aurigae trước đây, nhưng kính thiên văn Subaru tại Mauna Kea, Hawaii có công nghệ tiên tiến hơn, Currie cho biết. Ông cũng tuyên bố đây là thiết bị quang học thích ứng tốt nhất trên hành tinh.
Trong nhiều lớp xoắn ốc của đĩa xung quanh AB Aurigae, Currie cũng ghi nhận một đốm màu sáng, kỳ dị xuất hiện ở phía nam của ngôi sao. Ông nghĩ rằng đó chỉ là một khối bất thường của đĩa, nhưng ông và các đồng nghiệp của mình đã tìm thấy nó trong một tập dữ liệu khác. Nhóm của Currie đã tìm thấy bằng chứng rằng có một bài báo khác đã dự đoán về sự tồn tại của một hành tinh tại đúng chính vị trí đó.
-
- Currie nhận thấy một đốm màu bất thường trong AB Aurigae dẫn ông đến một phát hiện đáng ngạc nhiên. (Hình ảnh: T. Currie / Kính viễn vọng Subaru)
Tất cả đều có vẻ rất hứa hẹn, nhưng Currie lưu ý rằng lĩnh vực nghiên cứu tiền hành tinh giống như một nơi mà những lý thuyết tuyên bố không thể chứng minh được. Ông giải thích: “Lịch sử thiên văn đã chỉ ra một số lý thuyết được tuyên bố là sai, vì vậy bạn phải đặc biệt cẩn thận”.
Dữ liệu trong 13 năm từ kính viễn vọng Hubble đã cho thấy rằng tiền hành tinh đang quay quanh ngôi sao với chuyển động ngược chiều kim đồng hồ, phù hợp với những gì đã biết về đĩa; dữ liệu khác cho thấy độ sáng của đốm màu khác với độ sáng của đĩa. Ngoài ra, phân tích cường độ ánh sáng phân cực cho thấy đốm màu cũng tách biệt khỏi đĩa. Ông nói: “Những bằng chứng đó kết hợp với nhau cho chúng tôi sự tin tưởng rằng chúng tôi đang nhìn thấy một tiền hành tinh, hơn là một cái gì đó khác”, ông nói.
Nó cũng có thể không phải là bất kỳ tiền hành tinh nào. Ngoài việc là tiền hành tinh trẻ nhất được tìm thấy cho đến nay, nó khác xa ngôi sao mẹ một cách bất thường - có đầy đủ 93 đơn vị thiên văn (AU). Ông giải thích, đây là cơ hội đầu tiên các nhà khoa học thăm dò một tiền hành tinh vẫn còn ở trạng thái khí và bụi, đồng thời cung cấp bằng chứng cho một lý thuyết mới (vẫn còn nhiều tranh luận) về sự hình thành hành tinh khí khổng lồ được gọi là ‘sự bất ổn định của đĩa’.
Mô hình thông thường về sự hình thành hành tinh khí khổng lồ
Mô hình thông thường, được gọi là bồi tụ lõi, giải thích rằng các hành tinh xuất hiện khi các mảnh vật chất đá va chạm vào nhau, dần dần lớn lên và thu được nhiều lực hấp dẫn hơn. Đó là cách các nhà khoa học giả định về sự hình thành các hành tinh đá trong hệ mặt trời của chúng ta. Năm 1980, một lý thuyết do Hiroshi Mizuno đề xuất cho rằng các hành tinh đá đủ lớn, khoảng 10 khối lượng Trái đất, sẽ có đủ lực hấp dẫn để trở thành những hành tinh khí khổng lồ.
Nhưng trong trường hợp này, Currie nói rằng ‘sự mất ổn định của đĩa’ đưa ra một lời giải thích đơn giản hơn là do khối lượng lớn của đĩa tiền hành tinh xung quanh AB Aurigae, cũng như khoảng cách của hành tinh này với ngôi sao. Theo giả thuyết về sự mất ổn định của đĩa, một đĩa tiền hành tinh đặc biệt khổng lồ cách xa ngôi sao mẹ đủ mát và đủ lớn để các phần của nó sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính chúng, tạo thành các nhánh xoắn ốc. Từ đó, những xáo trộn và bất ổn nhỏ trong nhánh xoắn ốc tạo ra các túi trọng lực, hút vật chất vào. Điều này tạo ra hiệu ứng hút vật liệu: Khi khối lớn lên, nó thu được nhiều trọng lực hơn và kéo vật liệu vào nhanh hơn. Cuối cùng, một hành tinh mới được hình thành.
Quan sát thấy rằng hệ AB Aurigae có các nhánh xoắn ốc, và tiền hành tinh được Currie và nhóm của ông xác định có khối lượng lớn hơn Sao Mộc nhưng cách xa ngôi sao của nó hơn Sao Mộc của chúng ta hơn 20 lần, nó “tương ứng với những gì chúng ta mong đợi về sự bất ổn định của đĩa”, ông nói.
-
- Hình ảnh AB Aurigae được bao quanh bởi một đĩa tiền hành tinh. (Nguồn: ESO / Boccaletti et al./Wikimedia Commons)
Tin vui của ông đến với Alan Boss, người đầu tiên đề xuất lý thuyết ‘sự bất ổn định của đĩa’ vào năm 1997. Trong luận văn của mình tại Đại học California, Santa Barbara, ông đã viết các mô hình theo dõi sự sụp đổ của các đám mây khí và bụi khi chúng hình thành các hệ sao. Boss hy vọng có thể hiểu được sự phát triển của các đĩa tiền hành tinh. Nhưng khi ông cho chạy thử các mô hình, ông nhận thấy một số hệ thống hình thành các nhánh xoắn ốc đủ lớn để tự thu gọn lại. "Tôi không cố gắng tìm ra các cách khác về sự hình thành một hành tinh", ông giải thích, "nhưng tôi đã vấp phải nó".
Ông thích lý thuyết của mình đối nghịch với các lý thuyết khác trong cộng đồng khoa học. Rốt cuộc, những khám phá về trạng thái sớm nhất của sự hình thành hành tinh này, dường như thách thức lý thuyết của ông. Khoảng 100 ngôi sao tương tự như sao Mộc nóng đầu tiên (các sao khổng lồ khí quay quanh rất gần với ngôi sao mẹ của chúng, loại ngoại hành tinh dễ phát hiện nhất) mà các nhà thiên văn học phát hiện ra, chúng quay xung quanh các ngôi sao có lượng kim loại cao hơn hoặc bất kỳ nguyên tố hóa học nào nặng hơn heli. Theo ông, ý tưởng là nếu ngôi sao mẹ có nhiều kim loại hơn, nó sẽ có nhiều vật liệu hơn để hình thành các hành tinh khí nóng thông qua quá trình bồi tụ lõi. Và vì các nhà thiên văn học đang tìm thấy nhiều hành tinh hơn xung quanh những ngôi sao đó, nó được coi là bằng chứng cho thấy sự bồi tụ lõi đang hình thành các hành tinh đó.
Ông nói: “Vì vậy, thật ngạc nhiên khi thấy những kết quả [gần đây] này, về thứ chắc chắn trông giống như một tiền hành tinh ở giữa một nhánh xoắn ốc”. Bước tiếp theo, theo ý kiến của ông, là thiết lập kích thước của khối lượng mà họ đang kiểm tra. Vì sự bồi tụ của lõi bắt đầu từ những tảng đá không gian nhỏ và bồi tụ dần để hình thành hành tinh; trong khi sự mất ổn định của đĩa bắt đầu từ các khối khí lớn và co lại (khi đám mây bụi sụp đổ để tạo thành khối khí khổng lồ), điều quan trọng là phải xác định kích thước của tiền hành tinh.
Các khối cấu trúc không gian là bằng chứng cho lý thuyết mới về sự hình thành hành tinh
AB Aurigae có thể còn có bằng chứng mạnh mẽ hơn hỗ trợ lý thuyết ‘sự mất ổn định của đĩa’ về sự hình thành các hành tinh. Nhóm của Currie đã đánh dấu hai khu vực quan tâm ở khoảng cách xa hơn về mặt thiên văn, cách ngôi sao khoảng 430 đến 580 AU. Currie nói: “Về mặt hình thái, chúng trông giống như các khối khí, và chúng tôi đang đánh dấu chúng là những địa điểm tiềm năng để hình thành hành tinh”. Nếu chúng thực sự là tiền hành tinh, ông không biết chúng có thể được hình thành như thế nào thông qua bồi tụ lõi.
Boss cho biết ông đã chạy mô hình các ngôi sao có khối lượng khoảng 1,5 khối lượng mặt trời, nhỏ hơn AB Aurigae (AB Aurigae có khối lượng khoảng hai lần khối lượng mặt trời). Ông nói: “Tôi đã cho thấy nó có thể dễ dàng tạo ra bốn hoặc năm khối khí khổng lồ, đủ lớn để có khả năng sụp đổ thành các hành tinh. Vì vậy, nếu các tính năng khác đó bị ràng buộc và quay quanh ngôi sao, ông sẽ cho thấy bằng chứng về lý thuyết của ‘sự mất ổn định của đĩa’.
Ông lưu ý rằng các khối cấu trúc được nhóm của Currie xác định sẽ rất xa đối với sự hình thành hành tinh, ngay cả đối với sự mất ổn định của đĩa. Nhưng “nếu chúng ở ngoài đó và đĩa không ổn định tạo ra chúng thì việc bồi tụ lõi còn khó hơn”, Boss nói.
Theo Discover Magazine
