JWST hé lộ cách các hệ sao trẻ mất dần nguyên liệu tạo hành tinh

Bức tranh mới về vòng đời của đĩa tiền hành tinh

Các hành tinh hình thành trong những đĩa khí và bụi quay quanh sao non. Nhưng đĩa này không tồn tại mãi: vật chất có thể rơi vào ngôi sao, bị đẩy ra ngoài theo các luồng gió, hoặc bị bức xạ năng lượng cao nung nóng đến mức thoát khỏi hệ.

Phân tích dữ liệu lưu trữ từ Thiết bị Hồng ngoại Trung (MIRI) trên Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) cho thấy quá trình đó có vẻ diễn ra theo từng giai đoạn. Khi hệ sao còn trẻ và đang bồi tụ vật chất mạnh, các dòng khí phân tử và nguyên tử do từ trường thúc đẩy chiếm ưu thế. Về sau, khi tốc độ bồi tụ giảm, những dòng khí này yếu đi; bức xạ tia X và tia cực tím của ngôi sao có thể xuyên sâu hơn vào bề mặt đĩa, nung nóng khí và gây ra hiện tượng quang bốc hơi—một dạng gió nguyên tử tương đối nhẹ nhưng có khả năng dọn sạch phần khí còn lại. 23

Khảo sát 72 hệ sao cho thấy gì?

• Nhóm nghiên cứu xem xét 72 đĩa tiền hành tinh chủ yếu thuộc lớp II và có góc nghiêng lớn hơn 40 độ. Phát xạ của hydro phân tử (H₂) và neon ion hóa ([Ne II]) được phân giải trong không gian ở 66 hệ. 3

• Gió H₂ dạng hình nón được nhận diện ở 46 đĩa, trong khi các tia [Ne II] tốc độ cao được phát hiện ở 40 đĩa. 3

• Ở những hệ còn trẻ và bồi tụ vật chất tích cực, các nhà nghiên cứu thường thấy cả gió H₂ phân tử trải rộng lẫn tia neon nhanh, hẹp và có tính chuẩn trực. Hình thái này phù hợp với các dòng phun vật chất từ-thủy động lực học, trong đó khí được gia tốc dọc theo cấu trúc từ trường. 35

• H₂ lần theo phần gió phân tử rộng hơn, còn neon ban đầu chủ yếu đánh dấu tia phun nhanh. Một nghiên cứu JWST độc lập cũng ghi nhận tia nhanh, hẹp nằm bên trong một dòng chảy H₂ phân tử rộng và chậm hơn. 7

• Khi tốc độ bồi tụ giảm theo tuổi sao, các tia [Ne II] nhanh và gió H₂ xuất hiện ít hơn. Những thành phần H₂ nóng hơn cũng mờ đi nhanh hơn các thành phần lạnh hơn. Ngược lại, các đĩa có tốc độ bồi tụ thấp thường cho thấy [Ne II] chậm, vận tốc thấp và những luồng gió nguyên tử rõ nét hơn. 3

Những kết quả này gợi ý một sự chuyển giao trong quá trình tiến hóa: các tia từ trường và gió phân tử mạnh chi phối giai đoạn đầu, rồi suy yếu sau vài triệu năm. Khi lớp vật chất che chắn mỏng đi, tia X và tia cực tím từ sao trung tâm có thể tiếp cận bề mặt đĩa, làm khí nóng lên và đẩy nó ra ngoài qua quang bốc hơi. 23

Vì sao điều này quan trọng với các hành tinh khí?

Một hành tinh giống Sao Mộc cần một đĩa khí đủ lớn để tích tụ lớp vỏ hydro và heli. Khi các tia phun, gió từ trường và sau đó là quang bốc hơi lấy đi kho dự trữ này, một lõi rắn sẽ không còn đủ khí để phát triển thành hành tinh khí khổng lồ. 2

Vì vậy, thời điểm hình thành lõi có thể mang tính quyết định. Một lõi đạt đủ khối lượng sớm có thể nhanh chóng hút khí và trở thành hành tinh khổng lồ. Một lõi tương tự nhưng hoàn thiện muộn hơn có thể chỉ còn gặp một đĩa đã cạn khí, nên vẫn là một hành tinh nhỏ hơn với rất ít khí quyển nguyên thủy. Đây là hệ quả được suy ra từ chuỗi tiến hóa của đĩa, không phải quan sát trực tiếp cho thấy một hành tinh thay đổi loại hình. 23

Đối với Hệ Mặt Trời, hiện đã khoảng 4,5–4,6 tỷ năm tuổi, kết quả này cho thấy Mặt Trời non có thể từng trải qua giai đoạn gió từ trường mạnh rồi đến giai đoạn dọn sạch đĩa bằng quang bốc hơi. Sao Mộc vì thế phải hình thành phần lớn lớp vỏ khí lớn của mình trong vài triệu năm đầu, trước khi tinh vân Mặt Trời bị thổi và bốc hơi mất. 2

Điều gì vẫn chưa được xác định?

Khảo sát đã cho thấy sự hiện diện và hình thái thay đổi của các dòng phun vật chất, nhưng chưa đo đầy đủ ngân sách mất khối lượng của từng loại gió. Các nghiên cứu tiếp theo cần dữ liệu phân giải theo vận tốc và không gian đối với cả chất chỉ thị phân tử lẫn nguyên tử để xác định:

• mỗi tia hoặc luồng gió mang đi bao nhiêu khối lượng;
• vùng bán kính nào và các lớp độ cao nào trong đĩa cung cấp vật chất cho từng dòng chảy;
• nhiệt độ, vận tốc và sự tiến hóa của các luồng gió; và
• thời gian thực tế để khí bị dọn sạch, khép lại cơ hội hình thành các hành tinh khí khổng lồ. 34

Các tài liệu hiện có chưa đủ để đưa ra một thời hạn phổ quát chính xác cho việc đĩa tiền hành tinh tiêu tán, cũng như chưa cho phép xác định định lượng tốc độ mất khối lượng của từng thành phần gió.