Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đã thăm dò sâu vào lớp bụi của một tinh vân trẻ đang sáng lên với sự hình thành sao trong cuộc săn lùng các sao lùn nâu "sao thất bại".
Sao lùn nâu là các thiên thể được sinh ra giống như các ngôi sao nhưng không thể thu thập đủ vật chất để đạt được khối lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng tổng hợp hydro thành heli trong lõi của chúng. Những thiên thể này có khối lượng từ 13 đến 75 lần khối lượng Sao Mộc (hoặc từ 1,3% đến 7,5% khối lượng Mặt trời) do đó mờ hơn nhiều so với các ngôi sao dãy chính thông thường, mặc dù thực tế là một số phản ứng tổng hợp hạt nhân đã xảy ra bên trong chúng.
Các sao lùn nâu nóng hơn và sáng hơn khi còn trẻ, và điều đó khiến chúng dễ bị phát hiện hơn trong một tinh vân trẻ như Tinh vân Ngọn lửa, có tuổi đời khoảng 1 triệu năm (nếu điều đó có vẻ cổ xưa, hãy xem xét hệ mặt trời trung niên của chúng ta đã có tuổi đời 4,6 tỷ năm).
JWST đã có thể cắt xuyên qua khí và bụi dày che khuất Tinh vân Ngọn lửa để săn tìm giới hạn khối lượng thấp nhất của các sao lùn nâu.
Cuộc tìm kiếm đã tìm thấy các vật thể trôi nổi tự do có khối lượng gấp khoảng hai đến ba lần Sao Mộc. Theo các nhà thiên văn học, "trôi tự do" có nghĩa là các vật thể không quay quanh một ngôi sao mẹ.
Đây có thể là các mảnh vỡ của ngôi sao đang trên đường trở thành sao lùn nâu.
"Mục tiêu của dự án này là khám phá giới hạn khối lượng thấp cơ bản của quá trình hình thành sao và sao lùn nâu", trưởng nhóm Matthew De Furio của Đại học Texas tại Austin cho biết trong một tuyên bố."Với JWST, chúng ta có thể thăm dò các vật thể có khối lượng nhỏ nhất và yếu nhất."
Sự phân mảnh phụ thuộc rất nhiều vào sự cân bằng giữa nhiệt độ, áp suất nhiệt và trọng lực, ngoài các yếu tố ít quan trọng hơn một chút.
Khi các mảnh đám mây phân tử co lại dưới lực hấp dẫn của chính chúng, nhiệt độ lõi của chúng tăng lên. Một lõi có đủ khối lượng sẽ trở thành một nguyên sao sẽ bắt đầu quá trình hợp nhất hydro. Điều này dẫn đến năng lượng hướng ra cân bằng với lực đẩy vào của trọng lực và ngăn chặn sự sụp đổ. Vật thể ổn định này hiện là một ngôi sao dãy chính đang hợp nhất hydro với heli trong lõi của nó.
Tuy nhiên, nếu lõi không đủ đặc và nóng để khởi động phản ứng tổng hợp hydro, sẽ không có gì cân bằng được lực hấp dẫn và sự sụp đổ sẽ tiếp tục không ngừng. Những mảnh vỡ hỏng này tiếp tục tỏa nhiệt, về bản chất là "sao lùn nâu nguyên thủy".
"Việc làm mát những đám mây này rất quan trọng vì nếu bạn có đủ năng lượng bên trong, nó sẽ chống lại lực hấp dẫn đó", thành viên nhóm nghiên cứu Michael Meyer của Đại học Michigan cho biết. "Nếu các đám mây làm mát hiệu quả, chúng sẽ sụp đổ và vỡ ra".
Sự phân mảnh sẽ chấm dứt khi khí của một mảnh đủ đặc để trở nên mờ đục. Điều này có nghĩa là nó có thể hấp thụ lại bức xạ của chính nó, ngăn không cho nó nguội đi và dừng sự sụp đổ của nó.
Giới hạn khối lượng dưới của những mảnh vỡ này được cho là nằm trong khoảng từ 1 đến 10 lần khối lượng của Sao Mộc. Những phát hiện này có thể làm giảm phạm vi khối lượng đó.
"Như đã thấy trong nhiều nghiên cứu trước đây, khi bạn đi đến những khối lượng thấp hơn, bạn thực sự sẽ thu được nhiều vật thể có khối lượng lên đến khoảng mười lần khối lượng của Sao Mộc. Trong nghiên cứu của chúng tôi với JWST, chúng tôi nhạy cảm với khối lượng xuống đến 0,5 lần khối lượng của Sao Mộc và chúng tôi tìm thấy ngày càng ít vật thể hơn khi bạn đi xuống dưới mười lần khối lượng của Sao Mộc", De Furio cho biết. "Chúng tôi tìm thấy ít vật thể có khối lượng năm Sao Mộc hơn là vật thể có khối lượng mười Sao Mộc, và chúng tôi tìm thấy ít vật thể có khối lượng ba Sao Mộc hơn nhiều so với vật thể có khối lượng năm Sao Mộc.
"Chúng tôi thực sự không tìm thấy bất kỳ vật thể nào có khối lượng dưới hai hoặc ba Sao Mộc, và chúng tôi mong đợi sẽ nhìn thấy chúng nếu chúng ở đó, vì vậy chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng đây có thể là giới hạn."
Meyer nói thêm rằng với JWST, các nhà thiên văn học lần đầu tiên có thể thăm dò lên đến và vượt quá giới hạn khối lượng của sao lùn nâu.
"Nếu giới hạn đó là có thật," Meyer tiếp tục, "thật sự không nên có bất kỳ vật thể nào có khối lượng một Sao Mộc trôi nổi tự do trong thiên hà Milky Way của chúng ta, trừ khi chúng được hình thành dưới dạng hành tinh và sau đó bị đẩy ra khỏi hệ hành tinh."
Nghiên cứu này của JWST dựa trên nghiên cứu trước đó của Kính viễn vọng không gian Hubble, vốn không đủ nhạy để nghiên cứu các sao lùn nâu có khối lượng thấp như vậy trong Tinh vân Ngọn lửa nhưng có thể xác định được các mục tiêu chính để điều tra thêm.
"Thật sự rất khó để thực hiện công việc này, khi quan sát các sao lùn nâu có khối lượng thậm chí chỉ bằng mười khối lượng Sao Mộc, từ mặt đất, đặc biệt là ở những khu vực như thế này", De Furio cho biết. "Và việc có dữ liệu Hubble hiện có trong khoảng 30 năm trở lại đây cho phép chúng tôi biết rằng đây thực sự là một vùng hình thành sao hữu ích để nhắm mục tiêu. Chúng tôi cần có JWST để có thể nghiên cứu chủ đề khoa học cụ thể này."
Nhà thiên văn học Massimo Robberto của Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian đã mô tả việc chuyển giao Hubble cho JWST là một "bước nhảy vọt" về khả năng hiểu biết của các nhà thiên văn học bản chất của sao lùn nâu.
Những câu chuyện liên quan:
— Đài quan sát Rubin có thể phát hiện hàng nghìn 'ngôi sao hỏng' như thế nào
— Kính viễn vọng không gian Hubble phát hiện ra 'những ngôi sao hỏng' cũng tệ trong các mối quan hệ
— Hành tinh có kích thước bằng Trái Đất được phát hiện xung quanh ngôi sao lùn đỏ lạnh có tên giống với một chiếc bánh quy
Nhóm nghiên cứu hiện sẽ tiếp tục nghiên cứu Tinh vân Ngọn lửa bằng JWST, tìm kiếm các vật thể ẩn núp bên trong lớp bụi dày đặc của nó.
"Có sự chồng chéo lớn giữa những thứ có thể là hành tinh và những thứ là sao lùn nâu có khối lượng rất, rất thấp", Meyer kết luận. "Và đó là nhiệm vụ của chúng tôi trong năm năm tới: tìm ra cái nào là cái nào và tại sao."
Nghiên cứu của nhóm đã được chấp nhận để xuất bản trên The Astrophysical Journal Letters.
Sao lùn nâu là các thiên thể được sinh ra giống như các ngôi sao nhưng không thể thu thập đủ vật chất để đạt được khối lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng tổng hợp hydro thành heli trong lõi của chúng. Những thiên thể này có khối lượng từ 13 đến 75 lần khối lượng Sao Mộc (hoặc từ 1,3% đến 7,5% khối lượng Mặt trời) do đó mờ hơn nhiều so với các ngôi sao dãy chính thông thường, mặc dù thực tế là một số phản ứng tổng hợp hạt nhân đã xảy ra bên trong chúng.
Các sao lùn nâu nóng hơn và sáng hơn khi còn trẻ, và điều đó khiến chúng dễ bị phát hiện hơn trong một tinh vân trẻ như Tinh vân Ngọn lửa, có tuổi đời khoảng 1 triệu năm (nếu điều đó có vẻ cổ xưa, hãy xem xét hệ mặt trời trung niên của chúng ta đã có tuổi đời 4,6 tỷ năm).
JWST đã có thể cắt xuyên qua khí và bụi dày che khuất Tinh vân Ngọn lửa để săn tìm giới hạn khối lượng thấp nhất của các sao lùn nâu.
Cuộc tìm kiếm đã tìm thấy các vật thể trôi nổi tự do có khối lượng gấp khoảng hai đến ba lần Sao Mộc. Theo các nhà thiên văn học, "trôi tự do" có nghĩa là các vật thể không quay quanh một ngôi sao mẹ.
Đây có thể là các mảnh vỡ của ngôi sao đang trên đường trở thành sao lùn nâu.
"Mục tiêu của dự án này là khám phá giới hạn khối lượng thấp cơ bản của quá trình hình thành sao và sao lùn nâu", trưởng nhóm Matthew De Furio của Đại học Texas tại Austin cho biết trong một tuyên bố."Với JWST, chúng ta có thể thăm dò các vật thể có khối lượng nhỏ nhất và yếu nhất."
Tôi tan thành từng mảnh...
JWST săn lùng các thiên thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do có khối lượng ít nhất bằng một nửa khối lượng Sao Mộc. Điều này được thiết lập bởi một quá trình gọi là "phân mảnh" trong đó các đám mây khí và bụi dày đặc lớn, được gọi là "đám mây phân tử", phân hủy và ngưng tụ để tạo thành các ngôi sao và sao lùn nâu.Sự phân mảnh phụ thuộc rất nhiều vào sự cân bằng giữa nhiệt độ, áp suất nhiệt và trọng lực, ngoài các yếu tố ít quan trọng hơn một chút.
Khi các mảnh đám mây phân tử co lại dưới lực hấp dẫn của chính chúng, nhiệt độ lõi của chúng tăng lên. Một lõi có đủ khối lượng sẽ trở thành một nguyên sao sẽ bắt đầu quá trình hợp nhất hydro. Điều này dẫn đến năng lượng hướng ra cân bằng với lực đẩy vào của trọng lực và ngăn chặn sự sụp đổ. Vật thể ổn định này hiện là một ngôi sao dãy chính đang hợp nhất hydro với heli trong lõi của nó.
Tuy nhiên, nếu lõi không đủ đặc và nóng để khởi động phản ứng tổng hợp hydro, sẽ không có gì cân bằng được lực hấp dẫn và sự sụp đổ sẽ tiếp tục không ngừng. Những mảnh vỡ hỏng này tiếp tục tỏa nhiệt, về bản chất là "sao lùn nâu nguyên thủy".
"Việc làm mát những đám mây này rất quan trọng vì nếu bạn có đủ năng lượng bên trong, nó sẽ chống lại lực hấp dẫn đó", thành viên nhóm nghiên cứu Michael Meyer của Đại học Michigan cho biết. "Nếu các đám mây làm mát hiệu quả, chúng sẽ sụp đổ và vỡ ra".
Sự phân mảnh sẽ chấm dứt khi khí của một mảnh đủ đặc để trở nên mờ đục. Điều này có nghĩa là nó có thể hấp thụ lại bức xạ của chính nó, ngăn không cho nó nguội đi và dừng sự sụp đổ của nó.
Giới hạn khối lượng dưới của những mảnh vỡ này được cho là nằm trong khoảng từ 1 đến 10 lần khối lượng của Sao Mộc. Những phát hiện này có thể làm giảm phạm vi khối lượng đó.
"Như đã thấy trong nhiều nghiên cứu trước đây, khi bạn đi đến những khối lượng thấp hơn, bạn thực sự sẽ thu được nhiều vật thể có khối lượng lên đến khoảng mười lần khối lượng của Sao Mộc. Trong nghiên cứu của chúng tôi với JWST, chúng tôi nhạy cảm với khối lượng xuống đến 0,5 lần khối lượng của Sao Mộc và chúng tôi tìm thấy ngày càng ít vật thể hơn khi bạn đi xuống dưới mười lần khối lượng của Sao Mộc", De Furio cho biết. "Chúng tôi tìm thấy ít vật thể có khối lượng năm Sao Mộc hơn là vật thể có khối lượng mười Sao Mộc, và chúng tôi tìm thấy ít vật thể có khối lượng ba Sao Mộc hơn nhiều so với vật thể có khối lượng năm Sao Mộc.
"Chúng tôi thực sự không tìm thấy bất kỳ vật thể nào có khối lượng dưới hai hoặc ba Sao Mộc, và chúng tôi mong đợi sẽ nhìn thấy chúng nếu chúng ở đó, vì vậy chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng đây có thể là giới hạn."
Meyer nói thêm rằng với JWST, các nhà thiên văn học lần đầu tiên có thể thăm dò lên đến và vượt quá giới hạn khối lượng của sao lùn nâu.
"Nếu giới hạn đó là có thật," Meyer tiếp tục, "thật sự không nên có bất kỳ vật thể nào có khối lượng một Sao Mộc trôi nổi tự do trong thiên hà Milky Way của chúng ta, trừ khi chúng được hình thành dưới dạng hành tinh và sau đó bị đẩy ra khỏi hệ hành tinh."
Suy nghĩ lại về các ngôi sao thất bại
Sự mờ nhạt của các sao lùn nâu khiến chúng khó bị phát hiện, nhưng nỗ lực này là xứng đáng vì những ngôi sao thất bại này có thể cung cấp nhiều thông tin về sự hình thành sao và sự khác biệt cũng như điểm tương đồng giữa các ngôi sao và hành tinh.Nghiên cứu này của JWST dựa trên nghiên cứu trước đó của Kính viễn vọng không gian Hubble, vốn không đủ nhạy để nghiên cứu các sao lùn nâu có khối lượng thấp như vậy trong Tinh vân Ngọn lửa nhưng có thể xác định được các mục tiêu chính để điều tra thêm.
"Thật sự rất khó để thực hiện công việc này, khi quan sát các sao lùn nâu có khối lượng thậm chí chỉ bằng mười khối lượng Sao Mộc, từ mặt đất, đặc biệt là ở những khu vực như thế này", De Furio cho biết. "Và việc có dữ liệu Hubble hiện có trong khoảng 30 năm trở lại đây cho phép chúng tôi biết rằng đây thực sự là một vùng hình thành sao hữu ích để nhắm mục tiêu. Chúng tôi cần có JWST để có thể nghiên cứu chủ đề khoa học cụ thể này."
Nhà thiên văn học Massimo Robberto của Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian đã mô tả việc chuyển giao Hubble cho JWST là một "bước nhảy vọt" về khả năng hiểu biết của các nhà thiên văn học bản chất của sao lùn nâu.
Những câu chuyện liên quan:
— Đài quan sát Rubin có thể phát hiện hàng nghìn 'ngôi sao hỏng' như thế nào
— Kính viễn vọng không gian Hubble phát hiện ra 'những ngôi sao hỏng' cũng tệ trong các mối quan hệ
— Hành tinh có kích thước bằng Trái Đất được phát hiện xung quanh ngôi sao lùn đỏ lạnh có tên giống với một chiếc bánh quy
Nhóm nghiên cứu hiện sẽ tiếp tục nghiên cứu Tinh vân Ngọn lửa bằng JWST, tìm kiếm các vật thể ẩn núp bên trong lớp bụi dày đặc của nó.
"Có sự chồng chéo lớn giữa những thứ có thể là hành tinh và những thứ là sao lùn nâu có khối lượng rất, rất thấp", Meyer kết luận. "Và đó là nhiệm vụ của chúng tôi trong năm năm tới: tìm ra cái nào là cái nào và tại sao."
Nghiên cứu của nhóm đã được chấp nhận để xuất bản trên The Astrophysical Journal Letters.
