Các hành tinh sơ sinh là những kẻ phá hoại nhỏ bé háu đói, nhanh chóng nuốt chửng những gì còn sót lại của các đám mây khí và bụi quay quanh các ngôi sao mà chúng hình thành. Khí trong các đĩa tiền hành tinh này biến mất nhanh chóng, chỉ trong vòng vài triệu năm. Các nhà thiên văn học hiện có bức tranh rõ hơn về quá trình tiến hóa hành tinh này hơn bao giờ hết, nhờ vào một nghiên cứu mới.
Nghiên cứu được thực hiện bởi một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế sử dụng Mảng Atacama Large Millimeter/submillimeter (ALMA), như một phần của chương trình có tên là Khảo sát ALMA về sự tiến hóa khí của các đĩa tiền hành tinh (AGE-PRO). Nhóm AGE-PRO đã nghiên cứu 30 đĩa tiền hành tinh xung quanh các ngôi sao giống mặt trời, phát hiện ra rằng các thành phần khí và bụi trong các đĩa này tiến hóa với tốc độ khác nhau. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng lượng khí còn lại khi các đĩa này bị bào mòn sẽ quyết định loại hành tinh mà các hệ thống này tạo ra.
Những kết quả mới có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách các hệ thống hành tinh, bao gồm cả hệ mặt trời của chúng ta, hình thành và tiến hóa.
Thật vậy, kết quả của AGE-PRO đã tạo ra 12 bài báo nghiên cứu đáng kinh ngạc của các nhóm nghiên cứu khác nhau, cho thấy khám phá này mang tính đột phá như thế nào.
"Những nghiên cứu này đã tiết lộ cách các đĩa tiền hành tinh tiến hóa theo thời gian", nhà nghiên cứu Anibal E. của AGE-PRO. Sierra Morales, thuộc Phòng thí nghiệm Khoa học Không gian Mullard tại University College London (UCL), cho biết trong một tuyên bố với Space.com. "Những kết quả phi thường này là một bước thiết yếu hướng tới việc hiểu được các điều kiện ban đầu dẫn đến sự hình thành các hành tinh giống Trái Đất".
Cuối cùng, thứ còn lại là một ngôi sao dãy chính được bao quanh bởi một đám mây khí và bụi dẹt, xoáy tròn — một đĩa tiền hành tinh. Bên trong đĩa này, các tập hợp vật chất va vào nhau và dính lại, tích tụ khối lượng cho đến khi chúng hình thành các hành tinh nhỏ. Những hành tinh nhỏ này tiếp tục thu thập vật chất từ đĩa tiền hành tinh, và chính từ quá trình này mà các hành tinh phát triển.
Người ta ước tính rằng các đĩa tiền hành tinh bao quanh các ngôi sao sơ sinh trong vài triệu năm và điều này đặt ra thời gian mà các hành tinh khổng lồ có thể hình thành.
Kích thước và khối lượng ban đầu của đĩa tiền hành tinh và tốc độ quay của nó — mômen động lượng của nó — quyết định loại các hành tinh mà nó có khả năng sinh ra. Tuổi thọ của khí trong đĩa sau đó xác định thời gian các khối phải tập hợp và phát triển thành các vật thể có kích thước bằng tiểu hành tinh hoặc hành tinh.
Ngoài ra, các yếu tố này cũng có thể xác định xem các hành tinh có di chuyển qua đĩa hành tinh trong thời kỳ đầu của chúng hay không, di chuyển từ nơi sinh ra của chúng gần hơn hay xa hơn so với ngôi sao của chúng. Do đó, điều này quyết định hình dạng cuối cùng mà đĩa hành tinh sẽ có.
Trước nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu đã phân tích cách thức hàm lượng bụi của các đĩa tiền hành tinh tiến hóa, nhưng cách thức hàm lượng khí thay đổi theo thời gian vẫn chưa được hiểu rõ.
"AGE-PRO cung cấp các phép đo đầu tiên về khối lượng và kích thước của đĩa khí trong suốt vòng đời của các đĩa hình thành hành tinh", nhà nghiên cứu chính Ke Zhang, thuộc Đại học Wisconsin-Madison, cho biết trong một tuyên bố.
Sử dụng ALMA, nhóm nghiên cứu đã phóng to 30 đĩa tiền hành tinh có độ tuổi khác nhau, từ 1 triệu năm đến hơn 5 triệu năm. Những đĩa này nằm ở vùng sinh ra sao của các chòm sao Xà Phu, Lupus và Thượng Bọ Cạp.
Độ nhạy của ALMA cho phép nhóm theo dõi các "chất đánh dấu" hóa học cụ thể giúp phát hiện khối khí và bụi trong các giai đoạn quan trọng của quá trình tiến hóa đĩa tiền hành tinh, từ khi hình thành ban đầu cho đến khi tan rã không thể tránh khỏi hàng triệu năm sau đó.
Mặc dù carbon monoxide là một trong những chất đánh dấu hóa học được các nhà thiên văn học sử dụng phổ biến nhất, nhóm AGE-Pro cũng dựa vào phân tử diazenylium. ALMA cũng có thể phát hiện ra các dấu hiệu hóa học của các phân tử khác như aldehyde, xyanua đơteri và xyanometan, do đó vẽ nên một bức tranh chi tiết hơn bao giờ hết về quá trình tiến hóa hóa học của các đĩa tiền hành tinh.
"Đây là cuộc khảo sát hóa học quy mô lớn đầu tiên thuộc loại này, nhắm mục tiêu vào 30 đĩa có phạm vi tuổi rộng hơn để mô tả các khối khí", đồng trưởng nhóm nghiên cứu John Carpenter, thuộc Đài quan sát ALMA chung, cho biết trong cùng một tuyên bố.
Nghiên cứu này gợi ý về khung thời gian mà các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc và Sao Thổ ra đời, so với các hành tinh trên cạn nhỏ hơn như Trái Đất và Sao Hỏa.
"AGE-PRO cho thấy khối lượng đĩa khí trung bình tăng từ nhiều khối lượng Sao Mộc trong giai đoạn đầu dưới 1 triệu năm đến dưới một khối lượng Sao Mộc trong 1 đến 3 triệu năm đầu tiên", nhà nghiên cứu Paola Pinilla của AGE-PRO thuộc Phòng thí nghiệm Khoa học Không gian Mullard tại UCL cho biết. "Điều này có nghĩa là các đĩa có hồ chứa để hình thành các hành tinh khổng lồ trong các đĩa trẻ, nhưng khi chúng trưởng thành, nhiên liệu để hình thành các hành tinh khổng lồ giảm đáng kể.
"Tuy nhiên, thật đáng ngạc nhiên là các đĩa tồn tại trong thời gian dài hơn từ 2 triệu đến 3 triệu năm, vẫn duy trì khối lượng đĩa khí rất giống với các ví dụ từ 1 triệu đến 3 triệu năm tuổi."
Các câu chuyện liên quan:
— Các vườn ươm ngoại hành tinh xung quanh các ngôi sao sơ sinh có thể nhỏ hơn nhiều so với dự kiến: 'Thật đáng kinh ngạc'
— Nghiên cứu đột phá của Kính viễn vọng không gian James Webb về một đĩa hình thành hành tinh gợi ý về các khám phá ngoại hành tinh trong tương lai
— 'Hình ảnh sơ sinh' ngoại hành tinh tiết lộ các ngoại vệ tinh có thể đang hình thành xung quanh các ngôi sao sơ sinh worlds
Một điều bất ngờ khác mà ALMA mang lại là thực tế rằng, khi các đĩa tiền hành tinh già đi, khí và bụi bên trong chúng bị tiêu thụ ở các tốc độ khác nhau. Đặc biệt, tỷ lệ khí so với bụi trải qua một "biến động" khi những đám mây dẹt xoáy này già đi.
"Phát hiện đáng ngạc nhiên nhất là, mặc dù hầu hết các đĩa tan biến sau vài triệu năm, nhưng những đĩa tồn tại được có nhiều khí hơn dự kiến", Zhang cho biết. "Điều này về cơ bản thay đổi ước tính của chúng tôi về sự tích tụ khí quyển của các hành tinh được hình thành sau đó".
Bằng cách so sánh các quan sát của AGE-PRO về quá trình tiến hóa khí trong các đĩa tiền hành tinh ở các độ tuổi khác nhau với các nghiên cứu khác về quá trình tiến hóa khí, nhóm nghiên cứu có thể bắt đầu vẽ nên một bức tranh rộng hơn và chi tiết hơn về cách các hệ thống hành tinh tiến hóa.
12 bài báo mới sẽ được xuất bản trong số sắp tới của Tạp chí Vật lý thiên văn.
Nghiên cứu được thực hiện bởi một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế sử dụng Mảng Atacama Large Millimeter/submillimeter (ALMA), như một phần của chương trình có tên là Khảo sát ALMA về sự tiến hóa khí của các đĩa tiền hành tinh (AGE-PRO). Nhóm AGE-PRO đã nghiên cứu 30 đĩa tiền hành tinh xung quanh các ngôi sao giống mặt trời, phát hiện ra rằng các thành phần khí và bụi trong các đĩa này tiến hóa với tốc độ khác nhau. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng lượng khí còn lại khi các đĩa này bị bào mòn sẽ quyết định loại hành tinh mà các hệ thống này tạo ra.
Những kết quả mới có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách các hệ thống hành tinh, bao gồm cả hệ mặt trời của chúng ta, hình thành và tiến hóa.
Thật vậy, kết quả của AGE-PRO đã tạo ra 12 bài báo nghiên cứu đáng kinh ngạc của các nhóm nghiên cứu khác nhau, cho thấy khám phá này mang tính đột phá như thế nào.
"Những nghiên cứu này đã tiết lộ cách các đĩa tiền hành tinh tiến hóa theo thời gian", nhà nghiên cứu Anibal E. của AGE-PRO. Sierra Morales, thuộc Phòng thí nghiệm Khoa học Không gian Mullard tại University College London (UCL), cho biết trong một tuyên bố với Space.com. "Những kết quả phi thường này là một bước thiết yếu hướng tới việc hiểu được các điều kiện ban đầu dẫn đến sự hình thành các hành tinh giống Trái Đất".
Kể câu chuyện về sự hình thành hành tinh
Câu chuyện về các đĩa tiền hành tinh bắt đầu khi các đám khí lạnh, quá đặc sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính chúng trong các đám mây phân tử giữa các vì sao, sinh ra các ngôi sao. Những ngôi sao sơ sinh này, hay "tiền sao", tiếp tục thu thập vật chất từ lớp khí trước khi sinh của chúng.Cuối cùng, thứ còn lại là một ngôi sao dãy chính được bao quanh bởi một đám mây khí và bụi dẹt, xoáy tròn — một đĩa tiền hành tinh. Bên trong đĩa này, các tập hợp vật chất va vào nhau và dính lại, tích tụ khối lượng cho đến khi chúng hình thành các hành tinh nhỏ. Những hành tinh nhỏ này tiếp tục thu thập vật chất từ đĩa tiền hành tinh, và chính từ quá trình này mà các hành tinh phát triển.
Người ta ước tính rằng các đĩa tiền hành tinh bao quanh các ngôi sao sơ sinh trong vài triệu năm và điều này đặt ra thời gian mà các hành tinh khổng lồ có thể hình thành.
Kích thước và khối lượng ban đầu của đĩa tiền hành tinh và tốc độ quay của nó — mômen động lượng của nó — quyết định loại các hành tinh mà nó có khả năng sinh ra. Tuổi thọ của khí trong đĩa sau đó xác định thời gian các khối phải tập hợp và phát triển thành các vật thể có kích thước bằng tiểu hành tinh hoặc hành tinh.
Ngoài ra, các yếu tố này cũng có thể xác định xem các hành tinh có di chuyển qua đĩa hành tinh trong thời kỳ đầu của chúng hay không, di chuyển từ nơi sinh ra của chúng gần hơn hay xa hơn so với ngôi sao của chúng. Do đó, điều này quyết định hình dạng cuối cùng mà đĩa hành tinh sẽ có.
Trước nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu đã phân tích cách thức hàm lượng bụi của các đĩa tiền hành tinh tiến hóa, nhưng cách thức hàm lượng khí thay đổi theo thời gian vẫn chưa được hiểu rõ.
"AGE-PRO cung cấp các phép đo đầu tiên về khối lượng và kích thước của đĩa khí trong suốt vòng đời của các đĩa hình thành hành tinh", nhà nghiên cứu chính Ke Zhang, thuộc Đại học Wisconsin-Madison, cho biết trong một tuyên bố.
Sử dụng ALMA, nhóm nghiên cứu đã phóng to 30 đĩa tiền hành tinh có độ tuổi khác nhau, từ 1 triệu năm đến hơn 5 triệu năm. Những đĩa này nằm ở vùng sinh ra sao của các chòm sao Xà Phu, Lupus và Thượng Bọ Cạp.
Độ nhạy của ALMA cho phép nhóm theo dõi các "chất đánh dấu" hóa học cụ thể giúp phát hiện khối khí và bụi trong các giai đoạn quan trọng của quá trình tiến hóa đĩa tiền hành tinh, từ khi hình thành ban đầu cho đến khi tan rã không thể tránh khỏi hàng triệu năm sau đó.
Mặc dù carbon monoxide là một trong những chất đánh dấu hóa học được các nhà thiên văn học sử dụng phổ biến nhất, nhóm AGE-Pro cũng dựa vào phân tử diazenylium. ALMA cũng có thể phát hiện ra các dấu hiệu hóa học của các phân tử khác như aldehyde, xyanua đơteri và xyanometan, do đó vẽ nên một bức tranh chi tiết hơn bao giờ hết về quá trình tiến hóa hóa học của các đĩa tiền hành tinh.
"Đây là cuộc khảo sát hóa học quy mô lớn đầu tiên thuộc loại này, nhắm mục tiêu vào 30 đĩa có phạm vi tuổi rộng hơn để mô tả các khối khí", đồng trưởng nhóm nghiên cứu John Carpenter, thuộc Đài quan sát ALMA chung, cho biết trong cùng một tuyên bố.
Nghiên cứu này gợi ý về khung thời gian mà các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc và Sao Thổ ra đời, so với các hành tinh trên cạn nhỏ hơn như Trái Đất và Sao Hỏa.
"AGE-PRO cho thấy khối lượng đĩa khí trung bình tăng từ nhiều khối lượng Sao Mộc trong giai đoạn đầu dưới 1 triệu năm đến dưới một khối lượng Sao Mộc trong 1 đến 3 triệu năm đầu tiên", nhà nghiên cứu Paola Pinilla của AGE-PRO thuộc Phòng thí nghiệm Khoa học Không gian Mullard tại UCL cho biết. "Điều này có nghĩa là các đĩa có hồ chứa để hình thành các hành tinh khổng lồ trong các đĩa trẻ, nhưng khi chúng trưởng thành, nhiên liệu để hình thành các hành tinh khổng lồ giảm đáng kể.
"Tuy nhiên, thật đáng ngạc nhiên là các đĩa tồn tại trong thời gian dài hơn từ 2 triệu đến 3 triệu năm, vẫn duy trì khối lượng đĩa khí rất giống với các ví dụ từ 1 triệu đến 3 triệu năm tuổi."
Các câu chuyện liên quan:
— Các vườn ươm ngoại hành tinh xung quanh các ngôi sao sơ sinh có thể nhỏ hơn nhiều so với dự kiến: 'Thật đáng kinh ngạc'
— Nghiên cứu đột phá của Kính viễn vọng không gian James Webb về một đĩa hình thành hành tinh gợi ý về các khám phá ngoại hành tinh trong tương lai
— 'Hình ảnh sơ sinh' ngoại hành tinh tiết lộ các ngoại vệ tinh có thể đang hình thành xung quanh các ngôi sao sơ sinh worlds
Một điều bất ngờ khác mà ALMA mang lại là thực tế rằng, khi các đĩa tiền hành tinh già đi, khí và bụi bên trong chúng bị tiêu thụ ở các tốc độ khác nhau. Đặc biệt, tỷ lệ khí so với bụi trải qua một "biến động" khi những đám mây dẹt xoáy này già đi.
"Phát hiện đáng ngạc nhiên nhất là, mặc dù hầu hết các đĩa tan biến sau vài triệu năm, nhưng những đĩa tồn tại được có nhiều khí hơn dự kiến", Zhang cho biết. "Điều này về cơ bản thay đổi ước tính của chúng tôi về sự tích tụ khí quyển của các hành tinh được hình thành sau đó".
Bằng cách so sánh các quan sát của AGE-PRO về quá trình tiến hóa khí trong các đĩa tiền hành tinh ở các độ tuổi khác nhau với các nghiên cứu khác về quá trình tiến hóa khí, nhóm nghiên cứu có thể bắt đầu vẽ nên một bức tranh rộng hơn và chi tiết hơn về cách các hệ thống hành tinh tiến hóa.
12 bài báo mới sẽ được xuất bản trong số sắp tới của Tạp chí Vật lý thiên văn.
