Xoắn ốc là một chủ đề lặp lại trong thiên văn học, có thể nói ví dụ nổi tiếng nhất về cấu trúc vũ trang xoáy là thiên hà quê hương của chúng ta, Ngân Hà. Giờ đây, bằng cách sử dụng siêu máy tính mạnh mẽ của NASA có tên là "Pleiades", các nhà khoa học đã phát hiện ra một cấu trúc xoắn ốc khác ở rìa hệ mặt trời của chúng ta.
Xoắn ốc này bao gồm hàng tỷ thiên thể băng giá được bao quanh bởi một lớp vỏ sao chổi được gọi là đám mây Oort. Mặc dù đám mây Oort ẩn núp ở rìa hệ hành tinh của chúng ta và rộng gấp khoảng 99.000 lần khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời, nhưng cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa biết gì về cấu trúc của đám mây Oort. Tuy nhiên, những phát hiện mới này cung cấp cho các nhà nghiên cứu một manh mối quan trọng về vật thể này.
"Chúng tôi phát hiện ra rằng một số sao chổi trong đám mây Oort bên trong nằm trong khoảng từ 1.000 AU đến 10.000 AU, tạo thành một cấu trúc xoắn ốc lâu dài", Luke Dones, thành viên nhóm nghiên cứu và nhà khoa học chính tại Viện nghiên cứu Tây Nam, nói với Space.com. (Đơn vị đo "au" là viết tắt của "đơn vị thiên văn", và một au bằng khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời.)
"Chúng tôi khá ngạc nhiên", Dones tiếp tục. "Các vòng xoắn ốc được nhìn thấy trong các vành đai của Sao Thổ, các đĩa xung quanh các ngôi sao trẻ và các thiên hà. Vũ trụ dường như thích các vòng xoắn ốc!"
Mặc dù không đáng kể so với vòng xoắn ốc tạo nên cấu trúc của Ngân Hà, Dones và các đồng nghiệp phát hiện ra rằng vòng xoắn ốc băng giá của đám mây Oort này dài khoảng 15.000 au. Đường xoắn ốc chạy vuông góc, hoặc theo góc 90 độ, với mặt phẳng của Ngân Hà.
"Chỉ một phần nhỏ sao chổi trong đám mây Oort nằm trong đường xoắn ốc này", Dones nói thêm, "nhưng vẫn là hàng tỷ sao chổi".
Nhóm nghiên cứu cũng đi đến kết luận rằng đây không phải là một cấu trúc tạm thời; nó tồn tại lâu dài và vẫn tồn tại trong đám mây Oort bên trong cho đến ngày nay. Điều đó có nghĩa là nó vẫn ở ngoài đó để quan sát, nhưng những quan sát như vậy sẽ không phải là một kỳ tích dễ dàng.
Quần thể của Đám mây Oort, thường được gọi là "các thiên thể ngoài Sao Hải Vương", được lý thuyết hóa là bao gồm các vật liệu tồn tại khi các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta hình thành cách đây khoảng 4,5 tỷ năm.
"Các mô phỏng của chúng tôi theo dõi quỹ đạo của hàng triệu 'hạt thử nghiệm' đại diện cho các sao chổi có tuổi đời bằng hệ mặt trời, khoảng 4,5 tỷ năm", Dones cho biết. "Các mô phỏng mất quá nhiều thời gian tính toán nên chúng tôi cần sử dụng siêu máy tính."
Dones nói thêm rằng nhóm trực quan hóa tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ (AMNH) là người đầu tiên nhìn thấy xoắn ốc Đám mây Oort.
Mặc dù không phải là không thể phát hiện ra xoắn ốc xa xôi này bằng các quan sát thiên văn, nhưng nhiệm vụ này sẽ cực kỳ khó khăn. Điều này giải thích tại sao kiến thức về cấu trúc của đám mây Oort vẫn còn là ẩn số đối với các nhà khoa học cho đến tận bây giờ.
"Các vật thể ở xa nhìn thấy trong ánh sáng mặt trời phản chiếu rất mờ — độ sáng giảm dần theo lũy thừa bốn nghịch đảo của khoảng cách", Dones cho biết. "Nếu Trái Đất được đặt ở rìa bên trong của đám mây Oort ở 1.000 au, nó sẽ chỉ có thể nhìn thấy được qua một kính viễn vọng rất lớn. Sao chổi nhỏ hơn nhiều, vì vậy chúng không thể phát hiện được ở khoảng cách đó và xa hơn nữa bằng kính viễn vọng quang học."
Cho đến nay, cách đáng tin cậy nhất để nghiên cứu sao chổi từ đám mây Oort là bắt chúng khi quỹ đạo kéo dài của chúng đưa chúng vào hệ mặt trời bên trong. Tại đây, chúng được mặt trời làm nóng và trở nên hoạt động, thể hiện khí và bụi tạo ra quầng sáng xung quanh và đuôi đặc trưng.
Thật trớ trêu, sao chổi trong vòng xoáy Đám mây Oort bên trong này có thể tránh được các cuộc điều tra được tiến hành theo cách này bằng cách chống lại hành trình vào hệ mặt trời bên trong.
"Các sao chổi trong đám mây Oort bên ngoài có nhiều khả năng đi vào vùng hành tinh của hệ mặt trời và trở nên có thể quan sát được vì chúng không bị lực hấp dẫn của mặt trời giữ chặt như các sao chổi gần hơn trong đám mây bên trong, và do đó dễ bị nhiễu loạn hơn bởi các ngôi sao đi qua", Dones cho biết. "Các sao chổi trong đám mây Oort bên trong, đặc biệt là những sao chổi trong vòng xoắn ốc, ít có khả năng được quan sát hơn".
Điều đó không có nghĩa là Dones đã từ bỏ hy vọng nhìn thấy vòng xoắn ốc sao chổi này thông qua dữ liệu thiên văn.
"Chúng tôi vẫn dựa vào các sao chổi đi vào vùng hành tinh để suy ra quần thể sao chổi mà chúng tôi không thể quan sát trực tiếp, nhưng khoảng cách từ mặt trời đến nơi sao chổi được phát hiện đang tăng đều đặn", Dones cho biết. "Một số sao chổi hoạt động giữa quỹ đạo của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương."
Các bài viết liên quan:
— Mặt trời là một 'kẻ thu thập thế giới chạy trốn' có thể bẫy các hành tinh lang thang đi qua
— Những khám phá 'sao chổi tối' lớn có thể xuất hiện vào năm 2025
— Hàng nghìn tỷ sao chổi được phát hiện quay quanh các hệ hành tinh ngoài hành tinh (hình ảnh)
Dones giải thích rằng một trong những lựa chọn tốt nhất để quan sát vòng xoắn ốc Oort này có thể là Khảo sát Không gian và Thời gian Di sản (LSST), một chương trình được lên kế hoạch kéo dài 10 năm cho Đài quan sát Vera Rubin, dự kiến sẽ bắt đầu vào cuối năm nay.
"LSST sẽ phát hiện ra các sao chổi lớn ở khoảng cách xa hơn quỹ đạo của Sao Hải Vương, mặc dù vẫn cách xa khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời gấp 1.000 lần", Dones cho biết. "Vòng xoắn cũng có thể được phát hiện bằng cách tìm kiếm sự phát xạ nhiệt của bụi ở bước sóng hồng ngoại xa/dưới milimét trong dữ liệu có trọng tâm chính là nghiên cứu bức xạ nền vi sóng vũ trụ".
Nghiên cứu của nhóm có sẵn trong một bài báo được bình duyệt trước trên trang lưu trữ arXiv.
Xoắn ốc này bao gồm hàng tỷ thiên thể băng giá được bao quanh bởi một lớp vỏ sao chổi được gọi là đám mây Oort. Mặc dù đám mây Oort ẩn núp ở rìa hệ hành tinh của chúng ta và rộng gấp khoảng 99.000 lần khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời, nhưng cho đến nay các nhà khoa học vẫn chưa biết gì về cấu trúc của đám mây Oort. Tuy nhiên, những phát hiện mới này cung cấp cho các nhà nghiên cứu một manh mối quan trọng về vật thể này.
"Chúng tôi phát hiện ra rằng một số sao chổi trong đám mây Oort bên trong nằm trong khoảng từ 1.000 AU đến 10.000 AU, tạo thành một cấu trúc xoắn ốc lâu dài", Luke Dones, thành viên nhóm nghiên cứu và nhà khoa học chính tại Viện nghiên cứu Tây Nam, nói với Space.com. (Đơn vị đo "au" là viết tắt của "đơn vị thiên văn", và một au bằng khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời.)
"Chúng tôi khá ngạc nhiên", Dones tiếp tục. "Các vòng xoắn ốc được nhìn thấy trong các vành đai của Sao Thổ, các đĩa xung quanh các ngôi sao trẻ và các thiên hà. Vũ trụ dường như thích các vòng xoắn ốc!"
Mặc dù không đáng kể so với vòng xoắn ốc tạo nên cấu trúc của Ngân Hà, Dones và các đồng nghiệp phát hiện ra rằng vòng xoắn ốc băng giá của đám mây Oort này dài khoảng 15.000 au. Đường xoắn ốc chạy vuông góc, hoặc theo góc 90 độ, với mặt phẳng của Ngân Hà.
"Chỉ một phần nhỏ sao chổi trong đám mây Oort nằm trong đường xoắn ốc này", Dones nói thêm, "nhưng vẫn là hàng tỷ sao chổi".
Nhóm nghiên cứu cũng đi đến kết luận rằng đây không phải là một cấu trúc tạm thời; nó tồn tại lâu dài và vẫn tồn tại trong đám mây Oort bên trong cho đến ngày nay. Điều đó có nghĩa là nó vẫn ở ngoài đó để quan sát, nhưng những quan sát như vậy sẽ không phải là một kỳ tích dễ dàng.
Chỉ cần thư giãn ở rìa của hệ mặt trời
Để hiểu rõ hơn, đám mây Oort là một lớp vỏ hình cầu gồm các sao chổi và các vật thể băng giá tồn tại ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương, nằm cách Mặt trời khoảng 2,8 tỷ dặm (4,5 tỷ km). Lớp vỏ này được cho là đánh dấu ranh giới bên ngoài của hệ mặt trời và là nguồn gốc của các sao chổi ghé thăm hệ mặt trời bên trong, các hành tinh khí khổng lồ Sao Mộc và Sao Thổ, và các hành tinh đá bên trong Sao Hỏa, Trái Đất, Sao Kim và Sao Thủy.Quần thể của Đám mây Oort, thường được gọi là "các thiên thể ngoài Sao Hải Vương", được lý thuyết hóa là bao gồm các vật liệu tồn tại khi các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta hình thành cách đây khoảng 4,5 tỷ năm.
"Các mô phỏng của chúng tôi theo dõi quỹ đạo của hàng triệu 'hạt thử nghiệm' đại diện cho các sao chổi có tuổi đời bằng hệ mặt trời, khoảng 4,5 tỷ năm", Dones cho biết. "Các mô phỏng mất quá nhiều thời gian tính toán nên chúng tôi cần sử dụng siêu máy tính."
Dones nói thêm rằng nhóm trực quan hóa tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ (AMNH) là người đầu tiên nhìn thấy xoắn ốc Đám mây Oort.
Mặc dù không phải là không thể phát hiện ra xoắn ốc xa xôi này bằng các quan sát thiên văn, nhưng nhiệm vụ này sẽ cực kỳ khó khăn. Điều này giải thích tại sao kiến thức về cấu trúc của đám mây Oort vẫn còn là ẩn số đối với các nhà khoa học cho đến tận bây giờ.
"Các vật thể ở xa nhìn thấy trong ánh sáng mặt trời phản chiếu rất mờ — độ sáng giảm dần theo lũy thừa bốn nghịch đảo của khoảng cách", Dones cho biết. "Nếu Trái Đất được đặt ở rìa bên trong của đám mây Oort ở 1.000 au, nó sẽ chỉ có thể nhìn thấy được qua một kính viễn vọng rất lớn. Sao chổi nhỏ hơn nhiều, vì vậy chúng không thể phát hiện được ở khoảng cách đó và xa hơn nữa bằng kính viễn vọng quang học."
Cho đến nay, cách đáng tin cậy nhất để nghiên cứu sao chổi từ đám mây Oort là bắt chúng khi quỹ đạo kéo dài của chúng đưa chúng vào hệ mặt trời bên trong. Tại đây, chúng được mặt trời làm nóng và trở nên hoạt động, thể hiện khí và bụi tạo ra quầng sáng xung quanh và đuôi đặc trưng.
Thật trớ trêu, sao chổi trong vòng xoáy Đám mây Oort bên trong này có thể tránh được các cuộc điều tra được tiến hành theo cách này bằng cách chống lại hành trình vào hệ mặt trời bên trong.
"Các sao chổi trong đám mây Oort bên ngoài có nhiều khả năng đi vào vùng hành tinh của hệ mặt trời và trở nên có thể quan sát được vì chúng không bị lực hấp dẫn của mặt trời giữ chặt như các sao chổi gần hơn trong đám mây bên trong, và do đó dễ bị nhiễu loạn hơn bởi các ngôi sao đi qua", Dones cho biết. "Các sao chổi trong đám mây Oort bên trong, đặc biệt là những sao chổi trong vòng xoắn ốc, ít có khả năng được quan sát hơn".
Điều đó không có nghĩa là Dones đã từ bỏ hy vọng nhìn thấy vòng xoắn ốc sao chổi này thông qua dữ liệu thiên văn.
"Chúng tôi vẫn dựa vào các sao chổi đi vào vùng hành tinh để suy ra quần thể sao chổi mà chúng tôi không thể quan sát trực tiếp, nhưng khoảng cách từ mặt trời đến nơi sao chổi được phát hiện đang tăng đều đặn", Dones cho biết. "Một số sao chổi hoạt động giữa quỹ đạo của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương."
Các bài viết liên quan:
— Mặt trời là một 'kẻ thu thập thế giới chạy trốn' có thể bẫy các hành tinh lang thang đi qua
— Những khám phá 'sao chổi tối' lớn có thể xuất hiện vào năm 2025
— Hàng nghìn tỷ sao chổi được phát hiện quay quanh các hệ hành tinh ngoài hành tinh (hình ảnh)
Dones giải thích rằng một trong những lựa chọn tốt nhất để quan sát vòng xoắn ốc Oort này có thể là Khảo sát Không gian và Thời gian Di sản (LSST), một chương trình được lên kế hoạch kéo dài 10 năm cho Đài quan sát Vera Rubin, dự kiến sẽ bắt đầu vào cuối năm nay.
"LSST sẽ phát hiện ra các sao chổi lớn ở khoảng cách xa hơn quỹ đạo của Sao Hải Vương, mặc dù vẫn cách xa khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời gấp 1.000 lần", Dones cho biết. "Vòng xoắn cũng có thể được phát hiện bằng cách tìm kiếm sự phát xạ nhiệt của bụi ở bước sóng hồng ngoại xa/dưới milimét trong dữ liệu có trọng tâm chính là nghiên cứu bức xạ nền vi sóng vũ trụ".
Nghiên cứu của nhóm có sẵn trong một bài báo được bình duyệt trước trên trang lưu trữ arXiv.
