Một 'đứa bé của Jupiter' mới đang mang đến những dấu hiệu mới về quá trình hình thành hành tinh

Hành tinh hình thành như thế nào? Trong nhiều năm, các nhà khoa học nghĩ rằng họ hiểu quá trình này thông qua việc nghiên cứu ví dụ duy nhất mà chúng ta có quyền truy cập, tức Hệ Mặt Trời của chúng ta.

Tuy nhiên, việc phát hiện ra các hành tinh xung quanh các ngôi sao xa trong những năm 1990 đã làm rõ rằng bức tranh này phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta biết.

Trong nghiên cứu mới, chúng tôi đã phát hiện một hành tinh khí lớn giống như Jupiter đang hình thành xung quanh một ngôi sao cách Trái Đất khoảng 500 năm ánh sáng.

Bức ảnh hiếm hoi của một hành tinh đang trong quá trình hình thành, thu hút chất từ một đĩa rộng của bụi và khí xoáy quanh mặt trời còn ở giai đoạn trẻ, đã mở ra một cửa sổ về những bí ẩn làm nghiêng đầu các nhà thiên văn suốt nhiều năm.

Một chiến thắng khoa học đáng kể?

Cuộc điều tra khoa học về nguồn gốc của Trái Đất và các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời của chúng ta bắt đầu vào giữa thế kỷ 18.

Dựa trên công việc của nhà tư tưởng Thụy Điển Emanuel Swedenborg, nhà triết học nổi tiếng người Đức Immanuel Kant đề xuất rằng Mặt Trời và gia đình hành tinh nhỏ của nó đều phát triển từ một đám mây nguyên thủy lớn xoay tròn; Kant gọi điều này là “Urnebel”, tiếng Đức có nghĩa là tinh vân.

Ý tưởng này sau đó được đổi mới bởi người đa tài người Pháp Pierre Laplace, và từ đó đã có thêm nhiều bổ sung và sửa đổi, nhưng các nhà khoa học hiện đại cho rằng nó về cơ bản là đúng đường. Học thuyết của Kant, hiện đại hóa với vật lý chi tiết, có thể giải thích hầu hết các đặc điểm quan sát được trong hệ Mặt Trời của chúng ta.

Chúng ta hiện có thể chạy mô phỏng máy tính với tất cả các thiết lập đúng, và một bản sao kỹ thuật số tuyệt vời của hệ Mặt Trời của chúng ta sẽ xuất hiện. Nó sẽ có những loại hành tinh đúng ở những quỹ đạo đúng xoay quanh theo trật tự như máy đồng hồ, giống như thực tế.

Mô hình này là sự tổng hợp thành công của các yếu tố từ địa chất học, hóa học, vật lý và thiên văn, và dường như đã đáp ứng đầy đủ. Cho đến khi, những hành tinh từ bên ngoài hệ Mặt Trời của chúng ta đối mặt với nó.

Vượt ra khỏi Hệ Mặt Trời

Khi các hệ thống hành tinh đầu tiên xoay quanh các ngôi sao xa xôi được phát hiện vào giữa thập kỷ 1990, đã có sự tranh cãi và bối rối ngay lập tức. Các hành tinh mới này hoàn toàn không phù hợp với mô hình: phát hiện, hóa ra, thế giới ngoại vi không quan tâm nhiều đến những gì xảy ra xung quanh mặt trời nhỏ của chúng ta.

Từ đó, nhận thức ngày càng nảy ra rằng có thể có các con đường khác nhau để hình thành một hệ thống hành tinh. Trong hàng nghìn hành tinh xoay quanh các ngôi sao khác hiện đang xuất hiện trong các danh mục của chúng ta, gia đình hành tinh của Mặt Trời đang bắt đầu trông có vẻ hơi kỳ lạ.

Bất chấp điều này, một trong những thành phần vật lý cơ bản nhất của máy xây dựng hành tinh mà chúng ta tin rằng đó là nguyên nhân hình thành các hành tinh khí lớn như Jupiter và Saturn đã vượt qua thời gian: ý tưởng về “tăng cường hạt nhân”.

Quá trình tăng cường hạt nhân bắt đầu với các khí và hạt bụi vi mô được cho là tạo nên đám mây nguyên thủy điển hình của Kant (có hình dạng như một đĩa xoay phẳng với ngôi sao nhỏ ở trung tâm). Hạt bụi kết hợp lại thành những hạt to lớn liên tiếp, sau đó là những hòn sỏi, đá và liên tiếp lên một cấp độ cao hơn đến các hành tinh nhỏ hoặc “hành tinh bé”.

Khi một cụm nhỏ đủ lớn, nó đạt đến điểm chót. Sức hấp dẫn của trọng lực bây giờ giúp hành tinh phôi nhanh chóng hút vào khí, bụi và các cụm khác, làm sạch đường quỹ đạo của nó và tạo ra một khoảng tròn trong đĩa.

Đó là một trong những chiến thắng đặc trưng cho thiên văn học hiện đại khi chính những loại “khe đĩa” được dự đoán bởi lý thuyết hiện đang được quan sát và nghiên cứu trong vũ trụ.

Sự sụp đổ lớn

Tuy nhiên, có những điều mà việc tăng cường hạt nhân không thể giải thích. Các hành tinh khổng lồ đã được nhìn thấy xoay quanh xa xa từ ngôi sao chủ của chúng, ở ngoại ô lạnh lẽo.

Theo lý thuyết tăng cường hạt nhân, những hành tinh như vậy không nên tồn tại. Chúng quá xa, nơi quỹ đạo di chuyển quá chậm để thực hiện quá trình xây dựng hành tinh.

Một mô hình “sụp đổ theo trọng lực” mới được đưa ra để giải thích những hành tinh lớn xa xôi không mong đợi này. Ý tưởng cơ bản là nếu đĩa nguyên thủy có đủ khối lượng, cả hệ thống có thể trở nên không ổn định và sụp đổ để nhanh chóng hình thành hành tinh trong một sự sụp đổ lớn.

Bức tranh mới này dường như có thể giải thích các hành tinh lạc lõng, nhưng vì tất cả các ví dụ đã biết đều rất cũ (thường là tỷ năm), lý thuyết này vẫn chỉ là một lý thuyết. Cho đến bây giờ.

Một hành tinh ra đời

Năm ngoái, chúng tôi và đồng nghiệp của mình phát hiện một hành tinh khổng lồ, đang trong quá trình hình thành, xoay quanh một ngôi sao cách Trái Đất khoảng 500 năm ánh sáng.

Ngôi sao này, được đặt tên là AB Aurigae, đã trở nên nổi tiếng trong các vòng thiên văn học với đĩa xoay phức tạp và đẹp mắt bao quanh nó.

Những cụm và sóng thấy trong đĩa này (và trong những đĩa khác giống như nó) nhất quán với những gì người ta có thể thấy nếu sụp đổ theo trọng lực đang xảy ra. Nhưng cho đến bây giờ, chứng cứ về việc hình thành hành tinh vẫn chưa xuất hiện.

Hành tinh mới phát hiện này - được đặt tên là AB Aurigae b - được nhúng trong một vòng halo dày đặc của bụi và khí xoay tròn, giữa những vòng xoắn và sóng tiêu biểu cho sụp đổ theo trọng lực. Hành tinh cách ngôi sao của nó khoảng 93 lần xa hơn so với Trái Đất so với Mặt Trời, nằm ngoài vùng mà lý thuyết tăng cường hạt nhân truyền thống có thể giải thích được sự hình thành của nó.

Khám phá này cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho lý thuyết thay thế về sụp đổ theo trọng lực.

Khám phá được thực hiện bằng cách sử dụng quan sát từ Kính thiên văn Subaru tại Mauna Kea, Hawaiʻi, cũng như từ Kính thiên văn Hubble.

Nồng độ năng lượng từ quá trình hình thành mạnh mẽ, nhanh chóng, làm cho hành tinh nóng đến nỗi tỏa sáng (khoảng 2000 ℃). Là sự tỏa sáng này đã tiết lộ sự hiện diện của hành tinh. Đồng thời, khí và bụi xoay tròn xung quanh hành tinh hình thành được nhìn thấy được chiếu sáng bởi ánh sáng màu xanh của ngôi sao trung tâm AB Aurigae.

Kính thiên văn lớn hơn và tốt hơn

Khám phá mới này cung cấp một phần quan trọng của câu đố hình thành hành tinh, nhưng vụ án chưa chắc đã kết thúc.

Khi kính thiên văn của chúng ta trở nên lớn hơn và phương pháp quan sát của chúng ta tiến bộ hơn, chúng tôi mong đợi sẽ thấy nhiều hành tinh đang hình thành ở mọi giai đoạn phát triển của chúng, cũng như các hành tinh đã hình thành hoàn chỉnh như Trái Đất.

Và cuối cùng, chúng ta có thể hy vọng trả lời những câu hỏi lớn: làm thế nào các hệ thống hành tinh kỳ lạ và đa dạng đã hình thành trên toàn dải ngân hà, điều kiện trên những thế giới mới như thế nào, và Hệ Mặt Trời nhỏ bé của chúng ta thì sao trong số chúng?

Peter Tuthill, Nhà thiên văn học, Đại học Sydney, và Barnaby Norris, Nghiên cứu viên, Đại học Sydney

Bài viết này được đăng lại từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.