Sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), các nhà thiên văn học đã nhìn sâu vào một trong những vùng hình thành sao có cường độ bức xạ mạnh nhất của Ngân Hà, cho thấy các hành tinh giống Trái Đất có thể hình thành ngay cả trong môi trường khắc nghiệt nhất của thiên hà.
Các nhà nghiên cứu cho biết những quan sát này mở rộng phạm vi môi trường nơi các thế giới có thể sinh sống có thể hình thành. Trước đây, các nhà thiên văn học cho rằng những điều kiện khắc nghiệt này có thể không có lợi cho sự hình thành các hành tinh. Bức xạ cực tím (UV) "từ lâu đã được cho là gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đến sự hình thành các hành tinh xung quanh các ngôi sao nhỏ hơn gần đó", Konstantin Getman, giáo sư nghiên cứu tại Khoa Thiên văn học và Vật lý thiên văn tại Penn State và là đồng tác giả của một bài báo mới mô tả những phát hiện này, cho biết với Space.com.
Tuy nhiên, kết quả được công bố vào ngày 20 tháng 5 trên Tạp chí Vật lý thiên văn, cho thấy rằng ngay cả trong những điều kiện cực tím khắc nghiệt này, các đĩa tiền hành tinh — các vòng khí xoáy và bụi nơi các hành tinh được sinh ra — vẫn có thể tồn tại và tiến hóa.
"Chúng ta không thể quay ngược thời gian để nghiên cứu cách các ngoại hành tinh mà chúng ta quan sát [ngày nay] được hình thành", đồng tác giả nghiên cứu María Claudia Ramírez-Tannus, một nhà thiên văn học tại Viện Thiên văn học Max Planck ở Heidelberg, Đức, nói với Space.com. "Thay vào đó, chúng ta cần tìm kiếm những đối tác trẻ hơn của chúng, đó là những đĩa hình thành hành tinh tồn tại trong môi trường khắc nghiệt với bức xạ cực tím mạnh".
Nghiên cứu này được dự định là phần tiếp theo của nghiên cứu năm 2023 cho thấy các hành tinh giống Trái Đất thực sự có thể hình thành trong những môi trường khắc nghiệt như vậy. Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu quốc tế tập trung vào XUE 1, đĩa bao quanh một ngôi sao trẻ trong môi trường khắc nghiệt này, để nghiên cứu kích thước, khối lượng, nhiệt độ và thành phần hóa học của đĩa.
XUE 1 được tắm trong bức xạ cực tím mạnh hơn nhiều so với bất kỳ thứ gì mà hệ mặt trời của chúng ta từng trải qua. "Trên thực tế, nếu XUE 1 được đặt tại vị trí của mặt trời trong hệ mặt trời của chúng ta, nó sẽ nhận được ít hơn 100.000 lần năng lượng tia cực tím mỗi giây so với hiện tại", Bayron Portilla Revelo, một học giả sau tiến sĩ tại Khoa Thiên văn học và Vật lý thiên văn tại Penn State và là tác giả chính của nghiên cứu mới, chia sẻ với Space.com.
Nhóm nghiên cứu đã tận dụng Công cụ hồng ngoại giữa (MIRI) của JWST, công cụ này chụp vũ trụ ở bước sóng ánh sáng hồng ngoại giữa. Họ đã sử dụng các quan sát được thu thập vào năm 2023, bổ sung thêm các quan sát từ Kính viễn vọng khảo sát hồng ngoại và khả kiến dành cho thiên văn học, Kính viễn vọng không gian Hubble và Kính viễn vọng không gian Spitzer.
Dữ liệu đó cho phép nhóm nghiên cứu quan sát phát xạ từ một đĩa cách xa 5.500 năm ánh sáng. Để diễn giải các quan sát, nhóm nghiên cứu đã giới thiệu mô hình tính toán nhiệt hóa học đầu tiên được điều khiển bởi JWST/MIRI và dữ liệu lưu trữ để mô phỏng cách ánh sáng, nhiệt và các phản ứng hóa học tương tác bên trong đĩa tiền hành tinh XUE 1.
Các mô hình nhiệt hóa học mang lại lợi thế lớn cho việc nghiên cứu các đĩa hình thành hành tinh vì chúng cho phép các nhà thiên văn học khám phá các chi tiết như lượng vật liệu có sẵn để hình thành các hành tinh. "Điều này rất quan trọng để hiểu cách các hệ hành tinh như hệ của chúng ta hình thành", Portilla Revelo cho biết.
Mặt khác, các mô hình nhiệt hóa học đòi hỏi tính toán cao và cần một lượng lớn dữ liệu để có hiệu quả. Cho đến nay, XUE 1 vẫn chưa được quan sát nhiều, vì vậy dữ liệu hạn chế khiến việc mô hình hóa đĩa tiền hành tinh trở nên khó khăn.
Mô hình tạo ra quang phổ ánh sáng tổng hợp, sau đó được so sánh với dữ liệu thực. Bằng cách kết hợp các mô phỏng với các quan sát, các nhà nghiên cứu đã suy ra các đặc tính quan trọng của đĩa, bao gồm nhiệt độ, mật độ và thành phần hóa học của nó.
Phân tích của họ cho thấy một đĩa nhỏ gọn, cụt, nơi bức xạ cực tím mạnh làm thay đổi đáng kể cả nhiệt độ khí và phản ứng hóa học diễn ra. Trong số những phát hiện đáng chú ý nhất là sự hiện diện của nước — một trong những thành phần chính tạo nên các hành tinh giống Trái Đất — ngay cả trong một môi trường khắc nghiệt như vậy.
Điều quan trọng là mô hình cũng cho thấy vùng bên trong của đĩa — vùng mà các hành tinh đá, có khả năng sinh sống được có thể hình thành — dường như được bảo vệ khỏi bức xạ cực tím tồi tệ nhất.
"Mô hình của chúng tôi chỉ ra rằng phần trong cùng của đĩa, nơi các hành tinh giống Trái Đất có thể hình thành, dường như không bị ảnh hưởng bởi bức xạ cực tím bên ngoài có hại", Portilla Revelo cho biết.
"Trước khi thực hiện các quan sát, các nhà khoa học đã có một ý tưởng rất khác về quang phổ sẽ trông như thế nào", ông nói thêm. "Mô hình của chúng tôi giúp giải thích tại sao quang phổ JWST lại xuất hiện theo cách như vậy. Trong khi ánh sáng UV từ các ngôi sao gần đó ảnh hưởng mạnh đến các vùng bên ngoài của đĩa — nơi các hành tinh khổng lồ có khả năng hình thành — thì nó lại có ít tác động trực tiếp đến các vùng bên trong, là nguồn sáng mà JWST phát hiện được."
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
—Bầu khí quyển chết chóc trên sao Kim có thể giúp chúng ta tìm ra những thế giới có thể ở được. Đây là cách thực hiện.
—Liệu các ngôi sao gần đó có thể có các ngoại hành tinh có thể ở được không? Đài quan sát tia X Chandra của NASA hy vọng sẽ tìm ra câu trả lời
—Điều gì thực sự khiến một hành tinh có thể ở được? Giả định của chúng ta có thể sai
Những phát hiện cho thấy quá trình hình thành hành tinh có thể bền vững hơn so với suy nghĩ trước đây, do đó mở rộng phạm vi môi trường nơi các thế giới hỗ trợ sự sống có thể xuất hiện và cung cấp cái nhìn hiếm hoi về các vườn ươm sao đa dạng trong thiên hà của chúng ta.
"Bằng cách nghiên cứu nhiều hơn về các khu vực này — đặc biệt là những khu vực tiếp xúc với tia UV mạnh từ các ngôi sao lớn gần đó — chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách các môi trường khắc nghiệt như vậy ảnh hưởng đến các đĩa xung quanh các ngôi sao có mọi khối lượng và kích thước", Getman cho biết.
Các nhà nghiên cứu cho biết những quan sát này mở rộng phạm vi môi trường nơi các thế giới có thể sinh sống có thể hình thành. Trước đây, các nhà thiên văn học cho rằng những điều kiện khắc nghiệt này có thể không có lợi cho sự hình thành các hành tinh. Bức xạ cực tím (UV) "từ lâu đã được cho là gây ra mối đe dọa nghiêm trọng đến sự hình thành các hành tinh xung quanh các ngôi sao nhỏ hơn gần đó", Konstantin Getman, giáo sư nghiên cứu tại Khoa Thiên văn học và Vật lý thiên văn tại Penn State và là đồng tác giả của một bài báo mới mô tả những phát hiện này, cho biết với Space.com.
Tuy nhiên, kết quả được công bố vào ngày 20 tháng 5 trên Tạp chí Vật lý thiên văn, cho thấy rằng ngay cả trong những điều kiện cực tím khắc nghiệt này, các đĩa tiền hành tinh — các vòng khí xoáy và bụi nơi các hành tinh được sinh ra — vẫn có thể tồn tại và tiến hóa.
"Chúng ta không thể quay ngược thời gian để nghiên cứu cách các ngoại hành tinh mà chúng ta quan sát [ngày nay] được hình thành", đồng tác giả nghiên cứu María Claudia Ramírez-Tannus, một nhà thiên văn học tại Viện Thiên văn học Max Planck ở Heidelberg, Đức, nói với Space.com. "Thay vào đó, chúng ta cần tìm kiếm những đối tác trẻ hơn của chúng, đó là những đĩa hình thành hành tinh tồn tại trong môi trường khắc nghiệt với bức xạ cực tím mạnh".
Nghiên cứu này được dự định là phần tiếp theo của nghiên cứu năm 2023 cho thấy các hành tinh giống Trái Đất thực sự có thể hình thành trong những môi trường khắc nghiệt như vậy. Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu quốc tế tập trung vào XUE 1, đĩa bao quanh một ngôi sao trẻ trong môi trường khắc nghiệt này, để nghiên cứu kích thước, khối lượng, nhiệt độ và thành phần hóa học của đĩa.
XUE 1 được tắm trong bức xạ cực tím mạnh hơn nhiều so với bất kỳ thứ gì mà hệ mặt trời của chúng ta từng trải qua. "Trên thực tế, nếu XUE 1 được đặt tại vị trí của mặt trời trong hệ mặt trời của chúng ta, nó sẽ nhận được ít hơn 100.000 lần năng lượng tia cực tím mỗi giây so với hiện tại", Bayron Portilla Revelo, một học giả sau tiến sĩ tại Khoa Thiên văn học và Vật lý thiên văn tại Penn State và là tác giả chính của nghiên cứu mới, chia sẻ với Space.com.
"A "ý tưởng rất khác biệt"
JWST là chìa khóa cho khám phá mới. Kính viễn vọng này đã cách mạng hóa nghiên cứu về các đĩa tiền hành tinh bị chiếu xạ, cung cấp độ nhạy và độ phân giải cần thiết để quan sát chúng từ khoảng cách hàng nghìn năm ánh sáng. "JWST là công cụ duy nhất có độ nhạy để quan sát các đĩa tương đối mờ ở những vùng rất xa", Ramírez-Tannus cho biết.Nhóm nghiên cứu đã tận dụng Công cụ hồng ngoại giữa (MIRI) của JWST, công cụ này chụp vũ trụ ở bước sóng ánh sáng hồng ngoại giữa. Họ đã sử dụng các quan sát được thu thập vào năm 2023, bổ sung thêm các quan sát từ Kính viễn vọng khảo sát hồng ngoại và khả kiến dành cho thiên văn học, Kính viễn vọng không gian Hubble và Kính viễn vọng không gian Spitzer.
Dữ liệu đó cho phép nhóm nghiên cứu quan sát phát xạ từ một đĩa cách xa 5.500 năm ánh sáng. Để diễn giải các quan sát, nhóm nghiên cứu đã giới thiệu mô hình tính toán nhiệt hóa học đầu tiên được điều khiển bởi JWST/MIRI và dữ liệu lưu trữ để mô phỏng cách ánh sáng, nhiệt và các phản ứng hóa học tương tác bên trong đĩa tiền hành tinh XUE 1.
Các mô hình nhiệt hóa học mang lại lợi thế lớn cho việc nghiên cứu các đĩa hình thành hành tinh vì chúng cho phép các nhà thiên văn học khám phá các chi tiết như lượng vật liệu có sẵn để hình thành các hành tinh. "Điều này rất quan trọng để hiểu cách các hệ hành tinh như hệ của chúng ta hình thành", Portilla Revelo cho biết.
Mặt khác, các mô hình nhiệt hóa học đòi hỏi tính toán cao và cần một lượng lớn dữ liệu để có hiệu quả. Cho đến nay, XUE 1 vẫn chưa được quan sát nhiều, vì vậy dữ liệu hạn chế khiến việc mô hình hóa đĩa tiền hành tinh trở nên khó khăn.
Mô hình tạo ra quang phổ ánh sáng tổng hợp, sau đó được so sánh với dữ liệu thực. Bằng cách kết hợp các mô phỏng với các quan sát, các nhà nghiên cứu đã suy ra các đặc tính quan trọng của đĩa, bao gồm nhiệt độ, mật độ và thành phần hóa học của nó.
Phân tích của họ cho thấy một đĩa nhỏ gọn, cụt, nơi bức xạ cực tím mạnh làm thay đổi đáng kể cả nhiệt độ khí và phản ứng hóa học diễn ra. Trong số những phát hiện đáng chú ý nhất là sự hiện diện của nước — một trong những thành phần chính tạo nên các hành tinh giống Trái Đất — ngay cả trong một môi trường khắc nghiệt như vậy.
Điều quan trọng là mô hình cũng cho thấy vùng bên trong của đĩa — vùng mà các hành tinh đá, có khả năng sinh sống được có thể hình thành — dường như được bảo vệ khỏi bức xạ cực tím tồi tệ nhất.
"Mô hình của chúng tôi chỉ ra rằng phần trong cùng của đĩa, nơi các hành tinh giống Trái Đất có thể hình thành, dường như không bị ảnh hưởng bởi bức xạ cực tím bên ngoài có hại", Portilla Revelo cho biết.
"Trước khi thực hiện các quan sát, các nhà khoa học đã có một ý tưởng rất khác về quang phổ sẽ trông như thế nào", ông nói thêm. "Mô hình của chúng tôi giúp giải thích tại sao quang phổ JWST lại xuất hiện theo cách như vậy. Trong khi ánh sáng UV từ các ngôi sao gần đó ảnh hưởng mạnh đến các vùng bên ngoài của đĩa — nơi các hành tinh khổng lồ có khả năng hình thành — thì nó lại có ít tác động trực tiếp đến các vùng bên trong, là nguồn sáng mà JWST phát hiện được."
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
—Bầu khí quyển chết chóc trên sao Kim có thể giúp chúng ta tìm ra những thế giới có thể ở được. Đây là cách thực hiện.
—Liệu các ngôi sao gần đó có thể có các ngoại hành tinh có thể ở được không? Đài quan sát tia X Chandra của NASA hy vọng sẽ tìm ra câu trả lời
—Điều gì thực sự khiến một hành tinh có thể ở được? Giả định của chúng ta có thể sai
Những phát hiện cho thấy quá trình hình thành hành tinh có thể bền vững hơn so với suy nghĩ trước đây, do đó mở rộng phạm vi môi trường nơi các thế giới hỗ trợ sự sống có thể xuất hiện và cung cấp cái nhìn hiếm hoi về các vườn ươm sao đa dạng trong thiên hà của chúng ta.
"Bằng cách nghiên cứu nhiều hơn về các khu vực này — đặc biệt là những khu vực tiếp xúc với tia UV mạnh từ các ngôi sao lớn gần đó — chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách các môi trường khắc nghiệt như vậy ảnh hưởng đến các đĩa xung quanh các ngôi sao có mọi khối lượng và kích thước", Getman cho biết.
