James Webb cho thấy hành tinh khí khổng lồ phải chạy đua với thời gian

Một cuộc chạy đua giữa hành tinh và đĩa khí

Nguyên liệu tạo nên một hành tinh khí khổng lồ không tồn tại mãi mãi. Xung quanh các ngôi sao trẻ là những đĩa tiền hành tinh quay nhanh, chứa khí và bụi để hình thành hành tinh. Theo thời gian, vật chất trong đĩa bị lấy đi bởi các tia phụt, gió sao, quá trình bồi tụ vào ngôi sao và bức xạ sao.

Một khảo sát do Naman Bajaj thuộc Đại học Arizona dẫn đầu đã biến quá trình này thành một bức tranh tiến hóa ở quy mô quần thể. Nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu lưu trữ từ thiết bị MIRI (Thiết bị Hồng ngoại Trung) trên Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) để xem xét 72 đĩa nghiêng, phần lớn thuộc nhóm Class II, bao quanh những ngôi sao trẻ tương tự Mặt Trời. Kết quả được công bố trên The Astronomical Journal cho thấy cách các đĩa mất khí thay đổi khi chúng già đi. 12

Lõi đá phải kịp giữ lấy lớp vỏ khí

Một lõi hành tinh bằng đá chỉ có thể trở thành hành tinh khí khổng lồ nếu kịp thu gom một lớp vỏ lớn gồm hydro và heli trong lúc đĩa xung quanh vẫn còn đủ khí. Nếu đĩa bị quét sạch trước, lõi đó có thể chỉ còn là một hành tinh đá hoặc phát triển thành một hành tinh nhỏ, nghèo khí.

Vì vậy, sự hình thành hành tinh khí khổng lồ thực chất là cuộc chạy đua giữa tốc độ lớn lên của lớp vỏ khí và tốc độ phân tán nguồn khí. 12

Điều này đặc biệt đáng chú ý khi xét đến Sao Mộc. Khảo sát không thể xác định chính xác Sao Mộc hình thành vào thời điểm nào, nhưng củng cố yêu cầu cơ bản rằng lõi và bầu khí quyển khổng lồ của nó phải được tạo ra khi Hệ Mặt Trời còn giữ một đĩa khí đáng kể. 12

Webb nhìn thấy gì trong 72 đĩa tiền hành tinh?

Nhóm nghiên cứu dùng bức xạ hồng ngoại từ các phân tử và nguyên tử như dấu vết của vật chất đang rời khỏi đĩa. Phát xạ mở rộng của hydro phân tử hoặc neon ion hóa được phát hiện ở 66 trong số 72 hệ.

Cụ thể, các nhà khoa học nhận diện được:

• 46 luồng gió hydro phân tử dạng nón, cho thấy những dòng vật chất rộng hơn đang thoát khỏi đĩa.
• 40 tia phụt neon ion hóa tốc độ cao, đại diện cho các dòng khí nhanh và tập trung hơn.

Mọi hệ có tia neon ion hóa đều đồng thời cho thấy bằng chứng về một luồng gió rộng hơn. Trong phần lớn trường hợp, luồng gió này được nhận diện qua hydro phân tử; ở các trường hợp còn lại, dấu vết đến từ oxy nguyên tử. Mối liên hệ này nối tia phụt hẹp, nhanh với một quá trình rộng hơn có khả năng lấy đi khí khỏi môi trường hình thành hành tinh. 2

72 đĩa trong mẫu không phải là một hệ duy nhất được quan sát liên tục từ lúc mới hình thành đến khi trưởng thành. Thay vào đó, chúng đại diện cho những giai đoạn khác nhau của quá trình tiến hóa sớm. Khi so sánh các hệ này, các nhà nghiên cứu có thể ghép lại một chuỗi tiến hóa — giống như dùng nhiều khung hình tĩnh để tái dựng một bộ phim về sự tiêu tán của đĩa. 12

Cơ chế làm đĩa mất khí thay đổi theo tuổi

Mô hình quan sát được phù hợp với hai giai đoạn chính, diễn ra nối tiếp trong vài triệu năm đầu của một hệ hành tinh. 1

Giai đoạn đầu: tia phụt từ trường và gió phân tử

Những hệ có tốc độ bồi tụ vật chất vào ngôi sao cao hơn thường có nhiều khả năng xuất hiện tia phụt và gió phân tử. Mối liên hệ này phù hợp với giai đoạn đầu, khi các tia phụt và luồng gió được điều khiển bởi từ trường — còn gọi là dòng từ-thủy động lực học — đóng vai trò chính trong việc đẩy vật chất khỏi đĩa. Các dòng khí này có thể cuốn khí đi ngay cả khi đĩa vẫn đang tích cực cung cấp vật chất cho ngôi sao trẻ. 12

Đối với một lõi hành tinh đang lớn, đây là giai đoạn đầy rủi ro. Đĩa vẫn còn nhiều khí để tạo hành tinh khí khổng lồ, nhưng chính môi trường hoạt động mạnh đó cũng bắt đầu làm cạn nguồn nguyên liệu.

Giai đoạn sau: tia phụt yếu dần, bức xạ chi phối hơn

Khi tốc độ bồi tụ giảm, tia phụt yếu đi và các dấu vết của gió phân tử nóng hơn mờ dần trước. Những luồng khí còn lại ngày càng mang tính nguyên tử. Nhóm nghiên cứu diễn giải trạng thái muộn này là giai đoạn bức xạ sao, trong đó có hiện tượng bay hơi quang học, trở nên quan trọng hơn trong việc làm tiêu tan chiếc đĩa đã mỏng đi. 12

Điều đó không có nghĩa một cơ chế lập tức thay thế hoàn toàn cơ chế kia. Đúng hơn, tầm quan trọng tương đối của từng cơ chế thay đổi khi hệ sao–đĩa tiến hóa. Sự chuyển tiếp quan sát được giúp giới hạn thời điểm thay đổi này, dù các số liệu hiện tại vẫn chưa cho biết đầy đủ tổng khối lượng bị cuốn đi bởi từng luồng gió. 12

Vì sao có hệ hình thành hành tinh khí khổng lồ, có hệ thì không?

Phát hiện mới đưa ra một lời giải thích vật lý cho sự khác biệt giữa các hệ sao trẻ có vẻ tương tự nhau nhưng lại tạo ra những kiến trúc hành tinh rất khác nhau. Một hệ có thể hình thành hành tinh khí khổng lồ nếu một lõi đủ lớn xuất hiện sớm và bắt đầu thu gom lớp vỏ khí với tốc độ nhanh. Trong một hệ khác, phần lớn khí trong đĩa có thể biến mất trước khi lõi đạt đến ngưỡng đó.

Kết quả còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như khối lượng đĩa, tốc độ phát triển của lõi, lịch sử bồi tụ của ngôi sao, cường độ dòng vật chất do từ trường tạo ra và mức bức xạ năng lượng cao từ sao. Khảo sát ủng hộ việc gió sao đóng vai trò quan trọng trong sự phân tán đĩa, nhưng không cho thấy đây là yếu tố duy nhất quyết định một hành tinh khí khổng lồ có hình thành hay không. 2

Điều này cũng đặt kiến trúc Hệ Mặt Trời vào đúng bối cảnh. Hệ Mặt Trời hiện khoảng 4,6 tỷ năm tuổi, còn đĩa nguyên thủy từng tạo ra các hành tinh đã biến mất từ lâu. Những hành tinh còn lại là kết quả của một cuộc cạnh tranh ngắn ngủi trong giai đoạn đầu: hành tinh lớn lên, vật chất rơi vào Mặt Trời non trẻ, trong khi khí bị đẩy ra ngoài qua tia phụt, gió và bức xạ. 12

Bước tiếp theo: đo lượng khí thực sự bị cuốn đi

Việc xác định loại dòng vật chất nào xuất hiện ở từng giai đoạn là bước quan trọng đầu tiên. Tuy nhiên, chỉ biết một luồng gió có tồn tại vẫn chưa đủ để kết luận liệu nó đã lấy đi lượng khí đủ lớn nhằm chi phối quá trình hình thành hành tinh hay chưa.

Nhóm nghiên cứu dự định đo tốc độ mất khối lượng của từng luồng gió và xác định bán kính trong đĩa nơi các luồng gió được phóng ra. 12

Những phép đo này có thể nối các dấu hiệu hồng ngoại với một câu hỏi định lượng: liệu các luồng gió quan sát được có thể loại bỏ khí đủ nhanh để làm thay đổi khả năng hình thành một hành tinh giống Sao Mộc hay không? Câu trả lời sẽ giúp các nhà khoa học phân biệt một chuỗi tiến hóa có sức thuyết phục với phép đo trực tiếp về cách sự tiêu tán của đĩa quyết định kiến trúc cuối cùng của các hệ hành tinh.