Cuối cùng, các hạt nước-băng đã được phát hiện trong vành đai Kuiper đông lạnh của một ngôi sao khác. Phát hiện này, được thực hiện bởi Kính viễn vọng không gian James Webb, là một bước tiến lớn trong việc lấp đầy những khoảng trống trong hiểu biết của chúng ta về cách các ngoại hành tinh phát triển.
Giống như Vành đai Kuiper trong hệ mặt trời của chúng ta, đĩa mảnh vụn ngoài Trái đất này có thể chứa đầy sao chổi, hành tinh lùn và rất nhiều hạt nước-băng bị vỡ ra từ các vật thể lớn hơn do va chạm. Đĩa mảnh vụn, cũng giống như vành đai Kuiper của chúng ta, được tạo thành từ tàn tích của một đĩa lớn hơn từng bao quanh ngôi sao — được gọi là HD 181327 — và có thể đã sinh ra các hành tinh. Tuy nhiên, cần nói rõ là cho đến nay vẫn chưa phát hiện ra hành tinh nào trong khu vực này.
Vì nước là một trong những phân tử phổ biến nhất trong vũ trụ, nên sự hiện diện của nó trong đĩa mảnh vụn của HD 181327 không phải là điều bất ngờ. Thật vậy, sao chổi ngoài hành tinh đã được phát hiện xung quanh các ngôi sao khác; trong hệ mặt trời của chúng ta, sao chổi đến từ vành đai Kuiper băng giá và Đám mây Oort, vì vậy sao chổi ngoài hệ mặt trời phải có nguồn gốc từ một nơi nào đó tương tự.
Tuy nhiên, trong khi các đĩa mảnh vỡ xung quanh các ngôi sao khác đã được biết đến và chụp ảnh kể từ khi Vệ tinh thiên văn hồng ngoại (IRAS) phát hiện ra các đĩa mảnh vỡ xung quanh hai ngôi sao gần đó (Vega và beta Pictoris) cách đây một thời gian, thì cho đến nay chúng ta vẫn chưa có một thiết bị nào có thể phát hiện ra nước đá bên trong chúng.
Sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) và Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec), các nhà thiên văn học do Chen Xie của Đại học Johns Hopkins tại Hoa Kỳ dẫn đầu đã thăm dò đĩa mảnh vỡ xung quanh HD 181327. Ngôi sao và đĩa mảnh vỡ của nó trước đây đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Nằm cách xa 155,6 năm ánh sáng, chúng chỉ mới 18,5 triệu năm tuổi. Tuổi này cực kỳ trẻ so với tuổi của mặt trời của chúng ta là 4,6 tỷ năm. Ngôi sao này là loại F, nghĩa là nó nóng hơn một chút và có khối lượng lớn hơn một chút so với mặt trời của chúng ta.
NIRSpec đã phát hiện ra nước đặc trưng trong quang phổ của HD 181327, chủ yếu ở bước sóng 3 micron (một phần triệu mét), với đỉnh đạt tới 3,1 micron. Sự tăng đột biến này trong quang phổ, được gọi là "đỉnh Fresnel", là do sự khúc xạ ánh sáng của các hạt nước đá chỉ có kích thước vài milimét. Ví dụ, kích thước này tương tự như các hạt băng trong vành đai của Sao Thổ và băng có khả năng bị đóng băng xung quanh các hạt bụi liên hành tinh.
"Về cơ bản, chúng tôi đã phát hiện ra một bể chứa nước đá", Xie nói với Space.com.
Bể chứa nước đá này có thể đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của bất kỳ hệ hành tinh nào có thể tồn tại xung quanh HD 181327. Ví dụ, các hành tinh hành tinh khí khổng lồ hình thành bên ngoài ranh giới được gọi là đường tuyết, là khoảng cách từ một ngôi sao mà nhiệt độ đủ lạnh để vật liệu hình thành hành tinh có thể chứa nước đá. Nước đá giúp vật chất kết dính với nhau thành một loại hỗn hợp khổng lồ có thể tạo thành nền tảng của lõi hành tinh đá lớn, sau đó có thể kéo khí vào để tạo thành bầu khí quyển giãn nở của một hành tinh khổng lồ.
Nước trên các hành tinh đất đá như Trái Đất cũng có khả năng được cung cấp bởi các tiểu hành tinh và/hoặc sao chổi hình thành bên ngoài ranh giới tuyết và rất giàu nước đá. Do đó, việc phát hiện ra nước đá trong đĩa mảnh vỡ của HD 181327 có nghĩa là các vật liệu có mặt ở đó để hỗ trợ sự phát triển của bất kỳ hành tinh nào quay quanh ngôi sao, mặc dù tại thời điểm này vẫn chưa có hành tinh nào được phát hiện trong hệ thống.
"Sự hiện diện của một bể chứa nước đá trong vành đai hành tinh nhỏ xung quanh HD 181327 có khả năng cung cấp nước cho các hành tinh gần đó", Xie cho biết. "Nhưng chúng ta không biết cuối cùng có bao nhiêu nước đá có thể được đưa đến các hành tinh trong hệ thống."
Thật hấp dẫn khi so sánh giữa vành đai Kuiper của chúng ta và đĩa mảnh vỡ của HD 181327. Tuy nhiên, Xie cảnh báo về việc so sánh theo nghĩa đen, vì có những khoảng trống đáng kể trong kiến thức của chúng ta về cả hai vành đai băng giá và cách chúng liên quan đến nhau. Tuy nhiên, chúng ta có thể rút ra một số kết luận chung.
"Sự hiện diện của nước đá trong đĩa mảnh vỡ xung quanh một ngôi sao trẻ như vậy cho thấy rằng các hành tinh băng giá có thể hình thành tương đối nhanh, vì vậy có khả năng các vật thể băng giá trong vành đai Kuiper của chúng ta có thể đã hình thành sớm ở các vùng lạnh bên ngoài của hệ mặt trời", ông nói. Sự tồn tại ban đầu của chúng sau đó có thể đã giúp ích cho sự phát triển của các hành tinh trong hệ mặt trời.
Tuy nhiên, đĩa hình thành hành tinh xung quanh HD 181327 hiện đã tan biến, và bất kỳ hành tinh nào có mặt đều đã hình thành. Hơn nữa, các quan sát của JWST cho thấy vùng bên trong của đĩa mảnh vỡ đang bị xói mòn bởi ánh sáng cực tím của ngôi sao. Độ mạnh của vạch quang phổ đối với nước đá ở rìa bên trong của đĩa mảnh vỡ, 80 đến 90 đơn vị thiên văn (tức là gấp 80 đến 90 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời), cho thấy nước đá chỉ chiếm 0,1% tổng khối lượng trong phần đó của đĩa. Xa hơn nữa, giữa 90 và 105 đơn vị thiên văn, khối lượng nước đá tăng lên 7,5%, và giữa 105 và 120 đơn vị thiên văn, nó đạt đỉnh ở mức 21%, nơi lạnh nhất. Thật trùng hợp, đỉnh Fresnel nằm giữa 90 và 105 đơn vị thiên văn.
Vậy, điều gì đang xảy ra? Ánh sáng cực tím từ ngôi sao có thể làm bốc hơi nước đá, nhưng có vẻ như có thứ gì đó đang bổ sung nước đá — nếu không, nước đá trong đĩa mảnh vỡ đã bị xói mòn từ lâu rồi.
Sự bổ sung này có thể xuất phát từ các vụ va chạm giữa các hành tinh lùn, nhân sao chổi, thiên thạch siêu nhỏ và các mảnh vụn khác ẩn núp trong bóng tối của đĩa mảnh vỡ. Mỗi vụ va chạm sẽ bắn tung nhiều bụi và hạt băng hơn vào không gian, và mỗi vụ va chạm lớn sẽ tạo ra một trận mưa mảnh vỡ quay tròn. Nếu có đủ bụi, nó cũng có thể che chắn nước đá khỏi ánh sáng cực tím của ngôi sao. Bụi đã được phát hiện bao gồm các hạt olivin và sắt sunfua.
Các bài viết liên quan:
— Vành đai Kuiper thứ 2? Hệ mặt trời của chúng ta có thể lớn hơn nhiều so với suy nghĩ
— Kính viễn vọng Hubble phát hiện ra câu đố 'bài toán 3 vật thể' mới trong số các tiểu hành tinh Vành đai Kuiper (video)
— Các quan sát mới của JWST về 'các vật thể ngoài Sao Hải Vương' có thể giúp tiết lộ quá khứ của hệ mặt trời của chúng ta
Trong khi đó, Mảng Atacama Large Millimeter/submillimeter (ALMA), một kính viễn vọng vô tuyến ở Chile, đã phát hiện ra carbon monoxide trong đĩa mảnh vỡ, cũng có thể được giải phóng vào không gian do va chạm giữa các vật thể băng giá. Ngoài ra, NIRSpec của JWST đã tìm thấy bằng chứng tạm thời về sự hiện diện của carbon dioxide trong vùng đĩa giữa 105 và 120 đơn vị thiên văn từ ngôi sao, mặc dù điều này vẫn cần được xác nhận. Một vạch quang phổ thứ hai cho nước đá, ở 4,5 micron, cũng được JWST phát hiện trong vùng 105 đến 120 đơn vị thiên văn, cho thấy phần bên ngoài của đĩa mảnh vỡ này có thể giàu chất dễ bay hơi nhất: khí có điểm bốc hơi thấp.
Bây giờ JWST đã chứng minh rằng nó có thể phát hiện nước đá trong các hệ thống ngoại hành tinh, chúng ta có thể mong đợi những khám phá rộng rãi hơn trong tương lai. Thật vậy, Xie và nhóm của ông đã và đang nghiên cứu về nó.
"Ngoài HD 181327, chúng tôi cũng đã quan sát các hệ thống khác bằng JWST và NIRSPec", ông nói. "Chúng tôi hiện đang làm việc để công bố những dữ liệu đó, vì vậy hãy chú ý theo dõi!"
Phát hiện về nước đá xung quanh HD 181327 đã được công bố vào ngày 14 tháng 5 trên tạp chí Thiên nhiên.
Giống như Vành đai Kuiper trong hệ mặt trời của chúng ta, đĩa mảnh vụn ngoài Trái đất này có thể chứa đầy sao chổi, hành tinh lùn và rất nhiều hạt nước-băng bị vỡ ra từ các vật thể lớn hơn do va chạm. Đĩa mảnh vụn, cũng giống như vành đai Kuiper của chúng ta, được tạo thành từ tàn tích của một đĩa lớn hơn từng bao quanh ngôi sao — được gọi là HD 181327 — và có thể đã sinh ra các hành tinh. Tuy nhiên, cần nói rõ là cho đến nay vẫn chưa phát hiện ra hành tinh nào trong khu vực này.
Vì nước là một trong những phân tử phổ biến nhất trong vũ trụ, nên sự hiện diện của nó trong đĩa mảnh vụn của HD 181327 không phải là điều bất ngờ. Thật vậy, sao chổi ngoài hành tinh đã được phát hiện xung quanh các ngôi sao khác; trong hệ mặt trời của chúng ta, sao chổi đến từ vành đai Kuiper băng giá và Đám mây Oort, vì vậy sao chổi ngoài hệ mặt trời phải có nguồn gốc từ một nơi nào đó tương tự.
Tuy nhiên, trong khi các đĩa mảnh vỡ xung quanh các ngôi sao khác đã được biết đến và chụp ảnh kể từ khi Vệ tinh thiên văn hồng ngoại (IRAS) phát hiện ra các đĩa mảnh vỡ xung quanh hai ngôi sao gần đó (Vega và beta Pictoris) cách đây một thời gian, thì cho đến nay chúng ta vẫn chưa có một thiết bị nào có thể phát hiện ra nước đá bên trong chúng.
Sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) và Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec), các nhà thiên văn học do Chen Xie của Đại học Johns Hopkins tại Hoa Kỳ dẫn đầu đã thăm dò đĩa mảnh vỡ xung quanh HD 181327. Ngôi sao và đĩa mảnh vỡ của nó trước đây đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Nằm cách xa 155,6 năm ánh sáng, chúng chỉ mới 18,5 triệu năm tuổi. Tuổi này cực kỳ trẻ so với tuổi của mặt trời của chúng ta là 4,6 tỷ năm. Ngôi sao này là loại F, nghĩa là nó nóng hơn một chút và có khối lượng lớn hơn một chút so với mặt trời của chúng ta.
NIRSpec đã phát hiện ra nước đặc trưng trong quang phổ của HD 181327, chủ yếu ở bước sóng 3 micron (một phần triệu mét), với đỉnh đạt tới 3,1 micron. Sự tăng đột biến này trong quang phổ, được gọi là "đỉnh Fresnel", là do sự khúc xạ ánh sáng của các hạt nước đá chỉ có kích thước vài milimét. Ví dụ, kích thước này tương tự như các hạt băng trong vành đai của Sao Thổ và băng có khả năng bị đóng băng xung quanh các hạt bụi liên hành tinh.
"Về cơ bản, chúng tôi đã phát hiện ra một bể chứa nước đá", Xie nói với Space.com.
Bể chứa nước đá này có thể đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của bất kỳ hệ hành tinh nào có thể tồn tại xung quanh HD 181327. Ví dụ, các hành tinh hành tinh khí khổng lồ hình thành bên ngoài ranh giới được gọi là đường tuyết, là khoảng cách từ một ngôi sao mà nhiệt độ đủ lạnh để vật liệu hình thành hành tinh có thể chứa nước đá. Nước đá giúp vật chất kết dính với nhau thành một loại hỗn hợp khổng lồ có thể tạo thành nền tảng của lõi hành tinh đá lớn, sau đó có thể kéo khí vào để tạo thành bầu khí quyển giãn nở của một hành tinh khổng lồ.
Nước trên các hành tinh đất đá như Trái Đất cũng có khả năng được cung cấp bởi các tiểu hành tinh và/hoặc sao chổi hình thành bên ngoài ranh giới tuyết và rất giàu nước đá. Do đó, việc phát hiện ra nước đá trong đĩa mảnh vỡ của HD 181327 có nghĩa là các vật liệu có mặt ở đó để hỗ trợ sự phát triển của bất kỳ hành tinh nào quay quanh ngôi sao, mặc dù tại thời điểm này vẫn chưa có hành tinh nào được phát hiện trong hệ thống.
"Sự hiện diện của một bể chứa nước đá trong vành đai hành tinh nhỏ xung quanh HD 181327 có khả năng cung cấp nước cho các hành tinh gần đó", Xie cho biết. "Nhưng chúng ta không biết cuối cùng có bao nhiêu nước đá có thể được đưa đến các hành tinh trong hệ thống."
Thật hấp dẫn khi so sánh giữa vành đai Kuiper của chúng ta và đĩa mảnh vỡ của HD 181327. Tuy nhiên, Xie cảnh báo về việc so sánh theo nghĩa đen, vì có những khoảng trống đáng kể trong kiến thức của chúng ta về cả hai vành đai băng giá và cách chúng liên quan đến nhau. Tuy nhiên, chúng ta có thể rút ra một số kết luận chung.
"Sự hiện diện của nước đá trong đĩa mảnh vỡ xung quanh một ngôi sao trẻ như vậy cho thấy rằng các hành tinh băng giá có thể hình thành tương đối nhanh, vì vậy có khả năng các vật thể băng giá trong vành đai Kuiper của chúng ta có thể đã hình thành sớm ở các vùng lạnh bên ngoài của hệ mặt trời", ông nói. Sự tồn tại ban đầu của chúng sau đó có thể đã giúp ích cho sự phát triển của các hành tinh trong hệ mặt trời.
Tuy nhiên, đĩa hình thành hành tinh xung quanh HD 181327 hiện đã tan biến, và bất kỳ hành tinh nào có mặt đều đã hình thành. Hơn nữa, các quan sát của JWST cho thấy vùng bên trong của đĩa mảnh vỡ đang bị xói mòn bởi ánh sáng cực tím của ngôi sao. Độ mạnh của vạch quang phổ đối với nước đá ở rìa bên trong của đĩa mảnh vỡ, 80 đến 90 đơn vị thiên văn (tức là gấp 80 đến 90 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời), cho thấy nước đá chỉ chiếm 0,1% tổng khối lượng trong phần đó của đĩa. Xa hơn nữa, giữa 90 và 105 đơn vị thiên văn, khối lượng nước đá tăng lên 7,5%, và giữa 105 và 120 đơn vị thiên văn, nó đạt đỉnh ở mức 21%, nơi lạnh nhất. Thật trùng hợp, đỉnh Fresnel nằm giữa 90 và 105 đơn vị thiên văn.
Vậy, điều gì đang xảy ra? Ánh sáng cực tím từ ngôi sao có thể làm bốc hơi nước đá, nhưng có vẻ như có thứ gì đó đang bổ sung nước đá — nếu không, nước đá trong đĩa mảnh vỡ đã bị xói mòn từ lâu rồi.
Sự bổ sung này có thể xuất phát từ các vụ va chạm giữa các hành tinh lùn, nhân sao chổi, thiên thạch siêu nhỏ và các mảnh vụn khác ẩn núp trong bóng tối của đĩa mảnh vỡ. Mỗi vụ va chạm sẽ bắn tung nhiều bụi và hạt băng hơn vào không gian, và mỗi vụ va chạm lớn sẽ tạo ra một trận mưa mảnh vỡ quay tròn. Nếu có đủ bụi, nó cũng có thể che chắn nước đá khỏi ánh sáng cực tím của ngôi sao. Bụi đã được phát hiện bao gồm các hạt olivin và sắt sunfua.
Các bài viết liên quan:
— Vành đai Kuiper thứ 2? Hệ mặt trời của chúng ta có thể lớn hơn nhiều so với suy nghĩ
— Kính viễn vọng Hubble phát hiện ra câu đố 'bài toán 3 vật thể' mới trong số các tiểu hành tinh Vành đai Kuiper (video)
— Các quan sát mới của JWST về 'các vật thể ngoài Sao Hải Vương' có thể giúp tiết lộ quá khứ của hệ mặt trời của chúng ta
Trong khi đó, Mảng Atacama Large Millimeter/submillimeter (ALMA), một kính viễn vọng vô tuyến ở Chile, đã phát hiện ra carbon monoxide trong đĩa mảnh vỡ, cũng có thể được giải phóng vào không gian do va chạm giữa các vật thể băng giá. Ngoài ra, NIRSpec của JWST đã tìm thấy bằng chứng tạm thời về sự hiện diện của carbon dioxide trong vùng đĩa giữa 105 và 120 đơn vị thiên văn từ ngôi sao, mặc dù điều này vẫn cần được xác nhận. Một vạch quang phổ thứ hai cho nước đá, ở 4,5 micron, cũng được JWST phát hiện trong vùng 105 đến 120 đơn vị thiên văn, cho thấy phần bên ngoài của đĩa mảnh vỡ này có thể giàu chất dễ bay hơi nhất: khí có điểm bốc hơi thấp.
Bây giờ JWST đã chứng minh rằng nó có thể phát hiện nước đá trong các hệ thống ngoại hành tinh, chúng ta có thể mong đợi những khám phá rộng rãi hơn trong tương lai. Thật vậy, Xie và nhóm của ông đã và đang nghiên cứu về nó.
"Ngoài HD 181327, chúng tôi cũng đã quan sát các hệ thống khác bằng JWST và NIRSPec", ông nói. "Chúng tôi hiện đang làm việc để công bố những dữ liệu đó, vì vậy hãy chú ý theo dõi!"
Phát hiện về nước đá xung quanh HD 181327 đã được công bố vào ngày 14 tháng 5 trên tạp chí Thiên nhiên.
