Khám phá đĩa chứa hóa chất đa dạng quanh sao lùn nâu bằng JWST

Các nhà thiên văn sử dụng Kính viễn vọng James Webb của NASA (JWST) đã phát hiện đĩa giàu hóa chất nhất từng quan sát được xung quanh sao lùn nâu, một vật thể mát và yếu ánh sáng thường được gọi là “sao thất bại.”

Phát hiện này xuất phát từ Cha Hα 1, một sao lùn nâu trẻ được bao quanh bởi đĩa khí và bụi xoáy, nơi hành tinh có thể hình thành trong tương lai.

Mặc dù không bao giờ duy trì phản ứng tổng hợp hydro như các ngôi sao thật, sao lùn nâu và đĩa của chúng cung cấp manh mối quan trọng về cách hệ hành tinh hình thành. Phát hiện của Webb về hỗn hợp hóa học phong phú này cho thấy ngay cả những “kẻ yếu thế” trong hệ sao cũng có khả năng chứa nguyên liệu thô cho sự ra đời của hành tinh.

Nguyên nhân một phần do sao lùn nâu và sao khối lượng thấp không tỏa ra nhiều bức xạ hay nhiệt như Mặt Trời. Đĩa khí bụi xung quanh chúng vì thế trông lạnh hơn, mỏng hơn với áp suất và độ hỗn loạn yếu hơn. Những điều kiện này thay đổi cách các hạt bụi và phân tử di chuyển: các hạt giàu nước băng giá dễ trôi vào trong và bị sao nuốt, trong khi vật chất giàu cacbon nhẹ hơn có xu hướng lưu lại phía sau.

Môi trường yên tĩnh còn làm chậm sự trộn lẫn trong đĩa, cho phép sự khác biệt hóa học giữa các vùng tồn tại lâu hơn so với đĩa quanh các sao nóng hơn.

"Trong đĩa quanh sao khối lượng thấp và sao lùn nâu, các hạt bụi giàu nước di chuyển nhanh và bị sao hấp thụ, để lại các hạt giàu cacbon," Kamber Schwarz, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Viện Thiên văn Max Planck (MPIA) ở Heidelberg, Đức, chia sẻ.

"Hành tinh hình thành trong những đĩa này có khả năng có thành phần hóa học rất khác so với hành tinh quanh sao giống Mặt Trời hơn," Schwarz, đồng tác giả nghiên cứu đăng trên arXiv, bổ sung.

Dữ liệu thu thập từ công cụ Mid-Infrared Instrument (MIRI) của JWST vào tháng 8/2022 tương thích chặt chẽ với quan sát gần hai thập kỷ trước của Kính viễn vọng Không gian Spitzer của NASA. Sự tương đồng này khẳng định hóa chất phong phú quan sát được không phải là hiện tượng nhất thời hay sai số, mà là đặc trưng bền vững của đĩa Cha Hα 1.

Đĩa quanh Cha Hα 1 chứa nhiều hydrocacbon như methane, acetylene, ethane và benzene, cùng với nước, hydrogen, carbon dioxide (CO2) và các hạt bụi silicate lớn.

"Thật thú vị khi chúng ta nhìn thấy cả hydrocacbon và phân tử mang oxy trong dữ liệu JWST," Schwarz nói. "Carbon thường liên kết với oxy, và việc không tìm thấy oxy trong các hydrocacbon cho thấy chúng hình thành ở vùng rất nghèo oxy của đĩa, khác vùng tạo ra nước và CO2."

Thông thường, đĩa cũ hơn có xu hướng giàu oxy hoặc giàu cacbon. Việc quan sát đồng thời cả hai loại môi trường cho thấy hóa học của đĩa Cha Hα 1 phức tạp, có thể do chênh lệch nhiệt độ, hỗn loạn trộn vật chất hoặc đơn giản là tuổi đĩa còn trẻ.

Dữ liệu MIRI cũng ghi nhận tín hiệu phát xạ từ các hạt bụi silicate lớn ở lớp trên của đĩa trong, cho thấy quá trình phát triển hạt bụi đã bắt đầu ngay ở giai đoạn rất sớm.

"Bụi tạo ra bề mặt rắn trong không gian, rất cần thiết để hình thành phân tử phức tạp," Henning giải thích. "Các hạt bụi kích thước đa dạng giúp lõi hành tinh khổng lồ tăng trưởng nhanh hơn so với hạt cùng kích thước."

Sự vắng mặt của phân tử đơn giản như CO2 và hydroxide trong khi phân tử phức tạp xuất hiện cho thấy đĩa đã trải qua quá trình tiến hóa hóa học ở giai đoạn khá cao.

"So sánh đĩa ở các giai đoạn khác nhau giúp chúng ta kiểm chứng lý thuyết về động lực tiến hóa và hiểu rõ hơn vật chất dành cho hành tinh hình thành ở từng giai đoạn," Schwarz kết luận.

Nhìn nhận và tác động

Mô hình đĩa giàu hóa chất quanh sao lùn nâu Cha Hα 1 mở ra hướng nghiên cứu mới cho ngành thiên văn Việt Nam, nhất là trong bối cảnh phát triển quan sát vũ trụ và hợp tác quốc tế. Việc JWST có thể phân tích chi tiết thành phần phân tử ở mức độ thấp về nhiệt độ và bức xạ khiến giới khoa học trong nước cần xem xét đầu tư trang thiết bị hỗ trợ phân tích phổ, cũng như xây dựng nhóm nghiên cứu chuyên sâu về hóa học hành tinh.

Thành tựu này còn góp phần truyền cảm hứng cho sinh viên và nhà nghiên cứu trẻ: từ việc mô phỏng môi trường đĩa tiền hành tinh đến phát triển thuật toán xử lý dữ liệu hồng ngoại. Ở góc nhìn tổ chức, các viện nghiên cứu Việt Nam có thể tận dụng cơ hội tham gia dự án chung, trao đổi học giả hoặc đề xuất quan sát bổ sung với các kính thiên văn quốc tế.

Việc hiểu rõ tính đa dạng hóa học của đĩa bao quanh sao lùn nâu không chỉ giúp tái cấu trúc giả thuyết hình thành hành tinh mà còn mở ra viễn cảnh tìm kiếm hệ hành tinh khiêm tốn, đa dạng ở khắp vũ trụ. Với đà này, cộng đồng thiên văn Việt Nam hoàn toàn có cơ sở để nâng cao vị thế trên bản đồ nghiên cứu không gian toàn cầu.