Chúng có phải là sao không? Chúng có phải là hành tinh không? Hay chúng không phải cả hai? Một số vật thể khối lượng hành tinh lang thang trong vũ trụ một mình có thể được tạo ra khi các hệ thống sao trẻ va chạm, nghĩa là chúng đại diện cho toàn bộ một lớp vũ trụ của riêng chúng.
Các vật thể khối lượng hành tinh trôi nổi tự do là các vật thể có khối lượng gấp khoảng 13 lần Sao Mộc thường được tìm thấy trôi dạt qua các cụm sao trẻ, chẳng hạn như Cụm sao Trapezium trong Orion. Nguồn gốc của chúng đặt ra một câu đố đặc biệt vào năm 2023, khi các nhà thiên văn học phát hiện ra 40 cặp vật thể khối lượng hành tinh được gọi là Đối tượng nhị phân khối lượng Sao Mộc, hay JuMBO, trong tinh vân Orion.
Với khối lượng thấp hơn khối lượng của các ngôi sao nhỏ nhất nhưng lớn hơn khối lượng của các hành tinh lớn nhất, câu hỏi lớn được đặt ra là: Những vật thể này hình thành giống như các ngôi sao hay giống như các hành tinh? Tuy nhiên, vấn đề là không có nguồn gốc nào có thể giải thích được bản chất nhị phân của JuMBO — hay thực tế là, sự dư thừa của các vật thể khối lượng hành tinh trôi nổi tự do nói chung.
"Các vật thể khối lượng hành tinh không phù hợp với các loại sao hoặc hành tinh hiện có", Deng Hongping thuộc Đài quan sát thiên văn Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc nói trong một tuyên bố. "Các mô phỏng của chúng tôi cho thấy chúng có khả năng hình thành thông qua một quá trình hoàn toàn khác — một quá trình gắn liền với động lực hỗn loạn của các cụm sao trẻ."
Nghiên cứu mới đã chỉ ra rằng những đứa trẻ mồ côi vũ trụ này có thể được hình thành khi các đám mây khí và bụi dẹt được gọi là "đĩa quanh sao" xung quanh các ngôi sao trẻ tương tác dữ dội. Tương tác dữ dội này có thể xảy ra khi các ngôi sao trẻ tụ lại với nhau.
Tuy nhiên, sự tồn tại của các cặp JuMBO đã thách thức ý tưởng này.
Đó là bởi vì rất khó để giải thích làm thế nào một sự kiện có thể đủ dữ dội để đẩy một hành tinh ra khỏi hệ sao của nó với tốc độ cao trong khi không tách nó ra khỏi một đối tác nhị phân.
Mặc dù có thể hình dung rằng một số sự kiện bất thường có thể gây ra điều này, nhưng việc phát hiện ra 40 cặp JuMBO trong một tinh vân cho thấy bất cứ thứ gì tạo ra chúng đều phổ biến hơn một sự kiện xảy ra một lần.
Một "danh tính bí mật" khác được đề xuất cho các vật thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do là sao lùn nâu. Những vật thể này được cho là hình thành giống như các ngôi sao khi các mảng dày đặc trong các đám mây khí và bụi khổng lồ sụp đổ.
Tuy nhiên, trong khi các ngôi sao thu thập khối lượng từ lớp khí và bụi trước khi sinh của chúng cho đến khi áp suất và nhiệt độ trong lõi của chúng đủ để kích hoạt phản ứng tổng hợp hydro thành heli, quá trình hạt nhân xác định bản chất của một ngôi sao, thì các sao lùn nâu không thu thập đủ khối lượng để kích hoạt quá trình như vậy. Điều đó khiến những "ngôi sao thất bại" này có khối lượng từ 13 đến 75 lần so với Sao Mộc (gấp 0,013 đến 0,075 lần khối lượng của Mặt trời).
Hơn nữa, cơ hội tìm thấy các ngôi sao có các sao đôi giảm nhanh khi khối lượng của chúng giảm. Vì vậy, trong khi 75% các ngôi sao có khối lượng lớn có một sao đôi, thì chỉ có khoảng 50% các ngôi sao có khối lượng như Mặt trời là sao đôi. Tỷ lệ sao đôi này giảm xuống gần bằng không đối với các ngôi sao nhỏ nhất, vì vậy, với tư cách là các thiên thể sao có khối lượng thậm chí còn nhỏ hơn, sẽ có rất ít khả năng tìm thấy các sao lùn nâu trong các sao đôi.
Do đó, nếu các vật thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do thực sự là các sao lùn nâu, thì số lượng lớn các vật thể này được coi là các hệ sao đôi rất khó giải thích.
Để đi đến tận cùng của bí ẩn này, Deng và các đồng nghiệp đã thực hiện mô phỏng thủy động lực học độ phân giải cao về các cuộc chạm trán gần giữa hai đĩa quanh sao xung quanh các ngôi sao mới sinh.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi những đĩa này va chạm với tốc độ khoảng 4.500 đến 6.700 dặm một giờ (7.242 đến 10.783 km một giờ), ở khoảng cách khoảng 300 đến 400 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời, một "cầu thủy triều" gồm khí và bụi được hình thành.
Những cầu thủy triều này cầu sụp đổ để tạo ra các sợi khí dày đặc, sau đó tách ra để tạo thành "hạt giống" của các vật thể có khối lượng hành tinh, nhóm nghiên cứu giải thích, với khối lượng gấp khoảng 10 lần khối lượng của Sao Mộc.
Các mô phỏng cho thấy khoảng 14% các vật thể này được hình thành theo cặp hoặc bộ ba với khoảng cách gấp khoảng bảy đến 15 lần khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất.
Điều này sẽ giải thích sự phong phú của JuMBO trong Orion.
Kết quả của nhóm nghiên cứu được hỗ trợ bởi thực tế là các cuộc chạm trán đĩa giữa các ngôi sao được biết là phổ biến trong các môi trường sao dày đặc như Cụm Trapezium. Điều đó có nghĩa là các khu vực này có thể tạo ra hàng trăm vật thể có khối lượng hành tinh, giải thích cho quần thể dồi dào của chúng trong vũ trụ.
Các bài viết liên quan:
— Bí ẩn về cách các vật thể vũ trụ kỳ lạ được gọi là 'JuMBO' trở nên bất thường
— Các ngôi sao bị xé toạc như quà tặng Giáng sinh để tạo ra các thế giới 'JuMBO' kỳ lạ
— Kính viễn vọng không gian James Webb thoáng nhìn thấy Earendel, ngôi sao xa nhất được biết đến trong vũ trụ
"Phát hiện này một phần định hình lại cách chúng ta nhìn nhận sự đa dạng của vũ trụ", thành viên nhóm nghiên cứu Lucio Mayer đến từ Đại học Zurich cho biết. "Các vật thể có khối lượng hành tinh có thể đại diện cho một loại vật thể thứ ba, không sinh ra từ nguyên liệu thô của các đám mây hình thành sao hoặc thông qua các quá trình hình thành hành tinh, mà từ sự hỗn loạn hấp dẫn của các vụ va chạm đĩa"
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 26 tháng 2 trên tạp chí Science Advances.
Các vật thể khối lượng hành tinh trôi nổi tự do là các vật thể có khối lượng gấp khoảng 13 lần Sao Mộc thường được tìm thấy trôi dạt qua các cụm sao trẻ, chẳng hạn như Cụm sao Trapezium trong Orion. Nguồn gốc của chúng đặt ra một câu đố đặc biệt vào năm 2023, khi các nhà thiên văn học phát hiện ra 40 cặp vật thể khối lượng hành tinh được gọi là Đối tượng nhị phân khối lượng Sao Mộc, hay JuMBO, trong tinh vân Orion.
Với khối lượng thấp hơn khối lượng của các ngôi sao nhỏ nhất nhưng lớn hơn khối lượng của các hành tinh lớn nhất, câu hỏi lớn được đặt ra là: Những vật thể này hình thành giống như các ngôi sao hay giống như các hành tinh? Tuy nhiên, vấn đề là không có nguồn gốc nào có thể giải thích được bản chất nhị phân của JuMBO — hay thực tế là, sự dư thừa của các vật thể khối lượng hành tinh trôi nổi tự do nói chung.
"Các vật thể khối lượng hành tinh không phù hợp với các loại sao hoặc hành tinh hiện có", Deng Hongping thuộc Đài quan sát thiên văn Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc nói trong một tuyên bố. "Các mô phỏng của chúng tôi cho thấy chúng có khả năng hình thành thông qua một quá trình hoàn toàn khác — một quá trình gắn liền với động lực hỗn loạn của các cụm sao trẻ."
Nghiên cứu mới đã chỉ ra rằng những đứa trẻ mồ côi vũ trụ này có thể được hình thành khi các đám mây khí và bụi dẹt được gọi là "đĩa quanh sao" xung quanh các ngôi sao trẻ tương tác dữ dội. Tương tác dữ dội này có thể xảy ra khi các ngôi sao trẻ tụ lại với nhau.
Hành tinh lang thang, ngôi sao thất bại hay thứ gì khác?
Trước đây, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng các vật thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do chỉ đơn giản là các hành tinh lang thang, bị đẩy ra khỏi hệ sao quê hương của chúng thông qua tương tác với các ngôi sao đi qua hoặc xung đột hấp dẫn với các hành tinh anh chị em của chúng.Tuy nhiên, sự tồn tại của các cặp JuMBO đã thách thức ý tưởng này.
Đó là bởi vì rất khó để giải thích làm thế nào một sự kiện có thể đủ dữ dội để đẩy một hành tinh ra khỏi hệ sao của nó với tốc độ cao trong khi không tách nó ra khỏi một đối tác nhị phân.
Mặc dù có thể hình dung rằng một số sự kiện bất thường có thể gây ra điều này, nhưng việc phát hiện ra 40 cặp JuMBO trong một tinh vân cho thấy bất cứ thứ gì tạo ra chúng đều phổ biến hơn một sự kiện xảy ra một lần.
Một "danh tính bí mật" khác được đề xuất cho các vật thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do là sao lùn nâu. Những vật thể này được cho là hình thành giống như các ngôi sao khi các mảng dày đặc trong các đám mây khí và bụi khổng lồ sụp đổ.
Tuy nhiên, trong khi các ngôi sao thu thập khối lượng từ lớp khí và bụi trước khi sinh của chúng cho đến khi áp suất và nhiệt độ trong lõi của chúng đủ để kích hoạt phản ứng tổng hợp hydro thành heli, quá trình hạt nhân xác định bản chất của một ngôi sao, thì các sao lùn nâu không thu thập đủ khối lượng để kích hoạt quá trình như vậy. Điều đó khiến những "ngôi sao thất bại" này có khối lượng từ 13 đến 75 lần so với Sao Mộc (gấp 0,013 đến 0,075 lần khối lượng của Mặt trời).
Hơn nữa, cơ hội tìm thấy các ngôi sao có các sao đôi giảm nhanh khi khối lượng của chúng giảm. Vì vậy, trong khi 75% các ngôi sao có khối lượng lớn có một sao đôi, thì chỉ có khoảng 50% các ngôi sao có khối lượng như Mặt trời là sao đôi. Tỷ lệ sao đôi này giảm xuống gần bằng không đối với các ngôi sao nhỏ nhất, vì vậy, với tư cách là các thiên thể sao có khối lượng thậm chí còn nhỏ hơn, sẽ có rất ít khả năng tìm thấy các sao lùn nâu trong các sao đôi.
Do đó, nếu các vật thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do thực sự là các sao lùn nâu, thì số lượng lớn các vật thể này được coi là các hệ sao đôi rất khó giải thích.
Để đi đến tận cùng của bí ẩn này, Deng và các đồng nghiệp đã thực hiện mô phỏng thủy động lực học độ phân giải cao về các cuộc chạm trán gần giữa hai đĩa quanh sao xung quanh các ngôi sao mới sinh.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng khi những đĩa này va chạm với tốc độ khoảng 4.500 đến 6.700 dặm một giờ (7.242 đến 10.783 km một giờ), ở khoảng cách khoảng 300 đến 400 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời, một "cầu thủy triều" gồm khí và bụi được hình thành.
Những cầu thủy triều này cầu sụp đổ để tạo ra các sợi khí dày đặc, sau đó tách ra để tạo thành "hạt giống" của các vật thể có khối lượng hành tinh, nhóm nghiên cứu giải thích, với khối lượng gấp khoảng 10 lần khối lượng của Sao Mộc.
Các mô phỏng cho thấy khoảng 14% các vật thể này được hình thành theo cặp hoặc bộ ba với khoảng cách gấp khoảng bảy đến 15 lần khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất.
Điều này sẽ giải thích sự phong phú của JuMBO trong Orion.
Kết quả của nhóm nghiên cứu được hỗ trợ bởi thực tế là các cuộc chạm trán đĩa giữa các ngôi sao được biết là phổ biến trong các môi trường sao dày đặc như Cụm Trapezium. Điều đó có nghĩa là các khu vực này có thể tạo ra hàng trăm vật thể có khối lượng hành tinh, giải thích cho quần thể dồi dào của chúng trong vũ trụ.
Các bài viết liên quan:
— Bí ẩn về cách các vật thể vũ trụ kỳ lạ được gọi là 'JuMBO' trở nên bất thường
— Các ngôi sao bị xé toạc như quà tặng Giáng sinh để tạo ra các thế giới 'JuMBO' kỳ lạ
— Kính viễn vọng không gian James Webb thoáng nhìn thấy Earendel, ngôi sao xa nhất được biết đến trong vũ trụ
"Phát hiện này một phần định hình lại cách chúng ta nhìn nhận sự đa dạng của vũ trụ", thành viên nhóm nghiên cứu Lucio Mayer đến từ Đại học Zurich cho biết. "Các vật thể có khối lượng hành tinh có thể đại diện cho một loại vật thể thứ ba, không sinh ra từ nguyên liệu thô của các đám mây hình thành sao hoặc thông qua các quá trình hình thành hành tinh, mà từ sự hỗn loạn hấp dẫn của các vụ va chạm đĩa"
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 26 tháng 2 trên tạp chí Science Advances.
