Sự hình thành hành tinh xung quanh các ngôi sao khối lượng thấp có thể đang mắc phải hội chứng Peter Pan. Trong khi các quan sát và mô hình trước đây cho rằng một đĩa các khối xây dựng hành tinh sẽ 'trưởng thành hoàn toàn' - đã đốt cháy vật liệu tạo nên thế giới của nó - trong khoảng 10 triệu năm, thì một đứa trẻ mới trong khối này đang chứng minh rằng họ sai, nặng khoảng 30 triệu năm.
Sử dụng Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), các nhà thiên văn học đã thăm dò một trong những đĩa Peter Pan đã được xác định trước đó xung quanh một ngôi sao khối lượng thấp. Nhưng thay vì nhìn thấy một đĩa đã chuyển ra khỏi quá trình hình thành hành tinh, họ đã tìm thấy một đĩa giàu hydrocarbon, với các dấu hiệu hóa học chưa từng thấy trước đây trong một đĩa có niên đại như vậy. Tuổi thọ kéo dài này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình hình thành hành tinh, ít nhất là xung quanh các ngôi sao có khối lượng thấp.
"Một đĩa tồn tại lâu có thể cung cấp nhiều thời gian hơn cho quá trình hình thành lõi khổng lồ", Feng Long, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Mặt trăng và Hành tinh của Đại học Arizona và là tác giả đầu tiên của bài báo mới, được công bố trên The Astrophysical Journal Letters, đã trả lời Space.com qua email. "Do đó, các hành tinh khổng lồ có thể hình thành trước khi đĩa bị tiêu tán."
Vào năm 2020, các nhà nghiên cứu làm việc với dự án khoa học công dân Disk Detective đã xác định được bốn ngôi sao có khối lượng thấp đang lưu trữ thứ mà họ gọi là 'Đĩa Peter Pan'.
"Chúng tôi mô tả chúng là 'không bao giờ lớn lên' vì chúng vẫn duy trì được trạng thái nguyên thủy của mình đĩa rất lâu sau khung thời gian dự kiến cho các đĩa nguyên thủy đã tiêu tan", Steven Silverberg, người đứng đầu dự án hiện tại của Disk Detectives, đã nói với Space.com qua email. Silverburg, người không tham gia vào nghiên cứu mới, nghiên cứu các ngôi sao khối lượng thấp trẻ và các đĩa tiền hành tinh.
Theo Silverburg và các đồng nghiệp của ông, các đĩa Peter Pan có bốn đặc điểm chính: chúng quay quanh một ngôi sao khối lượng thấp, có tuổi đời không dưới 20 triệu năm, tỏa sáng rực rỡ trong tia hồng ngoại và đặc điểm của chúng cho thấy dấu hiệu của khí ấm. Hiện tại, chỉ có chín đĩa phù hợp với tiêu chuẩn này.
Nhưng các quan sát trước đây chỉ xác định rằng có một đĩa có dấu vết của khí. Cần phải quan sát thêm để xác định xem chúng có chứa vật liệu lạnh hay không và ước tính hàm lượng bụi và khí của chúng.
Long và các đồng nghiệp đã hướng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của NASA về phía một trong những đĩa này xung quanh ngôi sao WISE J044634.16–262756.1B, được gọi là J0446B. JWST có khả năng nhìn sâu vào vật liệu bụi và xác định được vô số phân tử chưa từng thấy trước đây trong một đĩa cũ như vậy. Theo Long, độ nhạy được cải thiện của JWST cho phép nó phát hiện ra các phân tử có thể quá mờ để các thiết bị cũ hơn như kính viễn vọng Spitzer của NASA nhận thấy.
Các thành phần khuấy động trong đĩa J0446B cho các nhà thiên văn học biết rất nhiều về những gì đang xảy ra trong đĩa. Sự hiện diện của các vạch nguyên tử argon và neon cho thấy tia X mềm và tia cực tím cực mạnh có thể chịu trách nhiệm ion hóa đĩa. Điều đó có thể giúp giải thích tại sao đĩa tồn tại lâu như vậy. Năng lượng sao tác động vào đĩa có thể ion hóa khí bên trong đĩa, thổi bay khí. Bức xạ sao và quá trình ion hóa cũng tác động trực tiếp đến nhiệt độ của đĩa, ảnh hưởng đến cách bụi và khí di chuyển. Cùng nhau, điều này có thể tác động đến tính chất hóa học của đĩa, thúc đẩy sự hình thành các phân tử phức tạp hơn.
Các nhà khoa học xác định tuổi của đĩa như thế nào? Tất cả phụ thuộc vào ngôi sao.
"Việc đo tuổi của sao được biết là rất khó khăn", Long nói. May mắn thay, hầu hết các ngôi sao không tự hình thành mà vẫn nằm trong một nhóm. "Mặc dù tuổi tuyệt đối của sao là không chắc chắn, nhưng sự chênh lệch tuổi tương đối có thể rất lớn".
Các nhà thiên văn học kiểm tra cụm sao xung quanh một cá nhân. Các cụm sao di chuyển qua thiên hà cùng nhau như một nhóm côn đồ, và có thể được xác định niên đại như một nhóm. Điều đó cho thấy chúng hình thành vào cùng thời điểm.
Khi các thiết bị trở nên chính xác hơn, các nhà thiên văn học có thể hạn chế tốt hơn những độ tuổi đó. Nhiệm vụ Gaia của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đã cung cấp các phép đo chính xác cho hơn một tỷ ngôi sao trong nhiệm vụ kéo dài 12 năm mới hoàn thành, cho phép các nhà nghiên cứu tinh chỉnh thêm các độ tuổi đó, xác định J0446B và đĩa của nó có tuổi đời khoảng 33 triệu năm.
Nhưng nếu khí tồn tại trong khoảng thời gian dài hơn, điều đó có thể cho phép có nhiều thời gian hơn để các hành tinh khổng lồ được hình thành. Và sự hiện diện của khí có thể giúp chúng tồn tại lâu hơn, làm giảm các dao động quỹ đạo dữ dội có thể dẫn đến các thế giới bị đẩy ra ngoài.
Silverberg thận trọng, chỉ ra rằng các ngôi sao khối lượng thấp có xu hướng bắt đầu với ít khí hơn so với các anh em họ sao lớn hơn của chúng. Ngay cả khi khí tồn tại lâu hơn, vẫn có thể không đủ để tạo nên các hành tinh khổng lồ khổng lồ. Điều đó phù hợp với các quan sát, trong đó các ngôi sao khối lượng thấp có ít hoặc không có hành tinh khổng lồ.
Cấu tạo của đĩa cũng ảnh hưởng đến loại hành tinh có thể đã hình thành. Hydrocarbon đặc biệt dày trong J0446B. Long cho rằng các đĩa giàu carbon có thể là dấu hiệu của các đĩa tồn tại lâu dài xung quanh các ngôi sao khối lượng thấp. Nồng độ carbon cao có thể kéo dài và ảnh hưởng đến bầu khí quyển của các hành tinh. Các hành tinh đá quay quanh các ngôi sao nhỏ hơn này có thể có bầu khí quyển giàu carbon hoặc thậm chí là sương mù, giống như vệ tinh Titan của Sao Thổ. Titan được coi là một trong những ứng cử viên tốt nhất cho sự sống tiến hóa trong hệ mặt trời của chúng ta.
"Tỷ lệ carbon-oxy cao có thể giúp xây dựng bầu khí quyển giàu mê-tan và dẫn đến sự hình thành sương mù", Long cho biết.
Câu hỏi tại sao những ngôi sao này, cụ thể là, lại có những đĩa tồn tại lâu dài như vậy vẫn chưa được biết. Các ngôi sao khối lượng thấp có bức xạ thấp hơn, điều này có thể cho phép các đĩa của chúng có nhiều thời gian hơn để tồn tại. Nhưng rõ ràng không phải tất cả các ngôi sao khối lượng thấp đều tạo thành đĩa Peter Pan.
Sự thiếu hụt có thể liên quan đến những gì các thiết bị có thể tìm thấy ngày nay. "Có vẻ như hợp lý khi cho rằng sự khan hiếm các phát hiện về đĩa loại này thay vào đó là do giới hạn quan sát, chứ không phải là sự khan hiếm thực sự của các hệ thống như vậy", Silverstone đã viết trong bài báo năm 2020 của mình.
Ngoài ra, nó có thể là một cái gì đó cụ thể đối với bản thân các đĩa.
"Đối với các đĩa tồn tại lâu dài cụ thể này, đĩa của chúng cũng có thể tiến hóa chậm hơn so với các đĩa không có đĩa xung quanh các ngôi sao tương tự", Long cho biết.
Sử dụng Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), các nhà thiên văn học đã thăm dò một trong những đĩa Peter Pan đã được xác định trước đó xung quanh một ngôi sao khối lượng thấp. Nhưng thay vì nhìn thấy một đĩa đã chuyển ra khỏi quá trình hình thành hành tinh, họ đã tìm thấy một đĩa giàu hydrocarbon, với các dấu hiệu hóa học chưa từng thấy trước đây trong một đĩa có niên đại như vậy. Tuổi thọ kéo dài này có thể có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình hình thành hành tinh, ít nhất là xung quanh các ngôi sao có khối lượng thấp.
"Một đĩa tồn tại lâu có thể cung cấp nhiều thời gian hơn cho quá trình hình thành lõi khổng lồ", Feng Long, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Mặt trăng và Hành tinh của Đại học Arizona và là tác giả đầu tiên của bài báo mới, được công bố trên The Astrophysical Journal Letters, đã trả lời Space.com qua email. "Do đó, các hành tinh khổng lồ có thể hình thành trước khi đĩa bị tiêu tán."
Tôi sẽ không lớn lên!
Sau khi một ngôi sao hình thành, bụi và khí còn sót lại kết hợp với nhau để tạo thành một bể chứa giàu vật chất được gọi là đĩa tiền hành tinh. Sự va chạm của vật chất, được thúc đẩy và ổn định bởi khí, sẽ kích hoạt quá trình hình thành hành tinh. Các quan sát về đĩa trong hai thập kỷ qua đã tiết lộ rằng hầu hết các đĩa này đều hết khí trong vòng 10 triệu năm đầu tiên, để lại những khối đá và băng để hoàn thành việc xây dựng thế giới.Vào năm 2020, các nhà nghiên cứu làm việc với dự án khoa học công dân Disk Detective đã xác định được bốn ngôi sao có khối lượng thấp đang lưu trữ thứ mà họ gọi là 'Đĩa Peter Pan'.
"Chúng tôi mô tả chúng là 'không bao giờ lớn lên' vì chúng vẫn duy trì được trạng thái nguyên thủy của mình đĩa rất lâu sau khung thời gian dự kiến cho các đĩa nguyên thủy đã tiêu tan", Steven Silverberg, người đứng đầu dự án hiện tại của Disk Detectives, đã nói với Space.com qua email. Silverburg, người không tham gia vào nghiên cứu mới, nghiên cứu các ngôi sao khối lượng thấp trẻ và các đĩa tiền hành tinh.
Theo Silverburg và các đồng nghiệp của ông, các đĩa Peter Pan có bốn đặc điểm chính: chúng quay quanh một ngôi sao khối lượng thấp, có tuổi đời không dưới 20 triệu năm, tỏa sáng rực rỡ trong tia hồng ngoại và đặc điểm của chúng cho thấy dấu hiệu của khí ấm. Hiện tại, chỉ có chín đĩa phù hợp với tiêu chuẩn này.
Nhưng các quan sát trước đây chỉ xác định rằng có một đĩa có dấu vết của khí. Cần phải quan sát thêm để xác định xem chúng có chứa vật liệu lạnh hay không và ước tính hàm lượng bụi và khí của chúng.
Long và các đồng nghiệp đã hướng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của NASA về phía một trong những đĩa này xung quanh ngôi sao WISE J044634.16–262756.1B, được gọi là J0446B. JWST có khả năng nhìn sâu vào vật liệu bụi và xác định được vô số phân tử chưa từng thấy trước đây trong một đĩa cũ như vậy. Theo Long, độ nhạy được cải thiện của JWST cho phép nó phát hiện ra các phân tử có thể quá mờ để các thiết bị cũ hơn như kính viễn vọng Spitzer của NASA nhận thấy.
Các thành phần khuấy động trong đĩa J0446B cho các nhà thiên văn học biết rất nhiều về những gì đang xảy ra trong đĩa. Sự hiện diện của các vạch nguyên tử argon và neon cho thấy tia X mềm và tia cực tím cực mạnh có thể chịu trách nhiệm ion hóa đĩa. Điều đó có thể giúp giải thích tại sao đĩa tồn tại lâu như vậy. Năng lượng sao tác động vào đĩa có thể ion hóa khí bên trong đĩa, thổi bay khí. Bức xạ sao và quá trình ion hóa cũng tác động trực tiếp đến nhiệt độ của đĩa, ảnh hưởng đến cách bụi và khí di chuyển. Cùng nhau, điều này có thể tác động đến tính chất hóa học của đĩa, thúc đẩy sự hình thành các phân tử phức tạp hơn.
Các nhà khoa học xác định tuổi của đĩa như thế nào? Tất cả phụ thuộc vào ngôi sao.
"Việc đo tuổi của sao được biết là rất khó khăn", Long nói. May mắn thay, hầu hết các ngôi sao không tự hình thành mà vẫn nằm trong một nhóm. "Mặc dù tuổi tuyệt đối của sao là không chắc chắn, nhưng sự chênh lệch tuổi tương đối có thể rất lớn".
Các nhà thiên văn học kiểm tra cụm sao xung quanh một cá nhân. Các cụm sao di chuyển qua thiên hà cùng nhau như một nhóm côn đồ, và có thể được xác định niên đại như một nhóm. Điều đó cho thấy chúng hình thành vào cùng thời điểm.
Khi các thiết bị trở nên chính xác hơn, các nhà thiên văn học có thể hạn chế tốt hơn những độ tuổi đó. Nhiệm vụ Gaia của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đã cung cấp các phép đo chính xác cho hơn một tỷ ngôi sao trong nhiệm vụ kéo dài 12 năm mới hoàn thành, cho phép các nhà nghiên cứu tinh chỉnh thêm các độ tuổi đó, xác định J0446B và đĩa của nó có tuổi đời khoảng 33 triệu năm.
Để xây dựng một hành tinh
Vào một số điểm trong suốt vòng đời của đĩa tiền hành tinh, đá, băng và khí bắt đầu kết hợp thành lõi hành tinh. Các đĩa tồn tại lâu dài có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành và bảo tồn của chúng. Người ta cho rằng các hành tinh khổng lồ hình thành trong vòng vài triệu năm đầu tiên vì chúng cần một lượng lớn khí. Long cho biết các hành tinh đá có thể mất tới hàng chục triệu năm sau khi khí biến mất để hình thành.Nhưng nếu khí tồn tại trong khoảng thời gian dài hơn, điều đó có thể cho phép có nhiều thời gian hơn để các hành tinh khổng lồ được hình thành. Và sự hiện diện của khí có thể giúp chúng tồn tại lâu hơn, làm giảm các dao động quỹ đạo dữ dội có thể dẫn đến các thế giới bị đẩy ra ngoài.
Silverberg thận trọng, chỉ ra rằng các ngôi sao khối lượng thấp có xu hướng bắt đầu với ít khí hơn so với các anh em họ sao lớn hơn của chúng. Ngay cả khi khí tồn tại lâu hơn, vẫn có thể không đủ để tạo nên các hành tinh khổng lồ khổng lồ. Điều đó phù hợp với các quan sát, trong đó các ngôi sao khối lượng thấp có ít hoặc không có hành tinh khổng lồ.
Cấu tạo của đĩa cũng ảnh hưởng đến loại hành tinh có thể đã hình thành. Hydrocarbon đặc biệt dày trong J0446B. Long cho rằng các đĩa giàu carbon có thể là dấu hiệu của các đĩa tồn tại lâu dài xung quanh các ngôi sao khối lượng thấp. Nồng độ carbon cao có thể kéo dài và ảnh hưởng đến bầu khí quyển của các hành tinh. Các hành tinh đá quay quanh các ngôi sao nhỏ hơn này có thể có bầu khí quyển giàu carbon hoặc thậm chí là sương mù, giống như vệ tinh Titan của Sao Thổ. Titan được coi là một trong những ứng cử viên tốt nhất cho sự sống tiến hóa trong hệ mặt trời của chúng ta.
"Tỷ lệ carbon-oxy cao có thể giúp xây dựng bầu khí quyển giàu mê-tan và dẫn đến sự hình thành sương mù", Long cho biết.
Sự hiếm có trong vũ trụ
Vậy những đĩa Peter Pan này phổ biến như thế nào? Không phổ biến lắm. Cho đến nay chỉ có chín đĩa được phát hiện, không có đĩa nào được kiểm tra sâu như J0446B. Trong khi hầu hết sống trong các cụm sao cho phép xác định niên đại dễ dàng, độ chính xác được cải thiện của Gaia đang khiến độ tuổi của một số ngôi sao phải điều chỉnh.Câu hỏi tại sao những ngôi sao này, cụ thể là, lại có những đĩa tồn tại lâu dài như vậy vẫn chưa được biết. Các ngôi sao khối lượng thấp có bức xạ thấp hơn, điều này có thể cho phép các đĩa của chúng có nhiều thời gian hơn để tồn tại. Nhưng rõ ràng không phải tất cả các ngôi sao khối lượng thấp đều tạo thành đĩa Peter Pan.
Sự thiếu hụt có thể liên quan đến những gì các thiết bị có thể tìm thấy ngày nay. "Có vẻ như hợp lý khi cho rằng sự khan hiếm các phát hiện về đĩa loại này thay vào đó là do giới hạn quan sát, chứ không phải là sự khan hiếm thực sự của các hệ thống như vậy", Silverstone đã viết trong bài báo năm 2020 của mình.
Ngoài ra, nó có thể là một cái gì đó cụ thể đối với bản thân các đĩa.
"Đối với các đĩa tồn tại lâu dài cụ thể này, đĩa của chúng cũng có thể tiến hóa chậm hơn so với các đĩa không có đĩa xung quanh các ngôi sao tương tự", Long cho biết.
