Kính viễn vọng James Webb phát hiện “đồng hồ đếm ngược” của các hành tinh khí khổng lồ

Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) đang giúp các nhà thiên văn nhìn rõ hơn “đồng hồ phân tán đĩa” của một hệ hành tinh: khoảng thời gian đĩa khí và bụi bao quanh một ngôi sao trẻ còn đủ vật chất để tạo ra các hành tinh khổng lồ.

Khảo sát sử dụng thiết bị MIRI của JWST trên 72 đĩa, phần lớn thuộc nhóm Class II và có góc nghiêng lớn, cho thấy các luồng khí thoát ra khỏi đĩa thay đổi theo quá trình tiến hóa. Ở những ngôi sao còn trẻ và đang tích tụ vật chất, gió phân tử mạnh do từ trường và các tia phản lực nhanh xuất hiện rõ hơn. Khi quá trình bồi tụ suy yếu, những luồng này mờ dần, nhường chỗ cho gió nguyên tử chậm hơn. Sau đó, bức xạ năng lượng cao từ ngôi sao có thể nung nóng phần khí còn lại và thúc đẩy quá trình bốc hơi quang học. 12310

Điều này không có nghĩa mọi hệ hành tinh đều có cùng một “hạn chót”. Kết quả cho thấy thời điểm một lõi hành tinh phát triển và bắt đầu thu giữ khí có thể quyết định nó trở thành hành tinh khí khổng lồ hay chỉ dừng lại ở một thế giới nhỏ hơn.

JWST phát hiện gì trong 72 đĩa đang tạo hành tinh?

Nhóm nghiên cứu phân tích dữ liệu lưu trữ từ MIRI, theo dõi hai dấu hiệu phát xạ chính: hydro phân tử (H₂) và neon ion hóa ([Ne II]). Đây là những “chất chỉ thị” giúp nhận diện khí đang rời khỏi đĩa.

Phát xạ H₂ mở rộng, [Ne II] mở rộng hoặc cả hai được phát hiện trong 66 trên 72 hệ. Các nhà nghiên cứu nhận diện gió H₂ có dạng hình nón ở 46 đĩa và tia [Ne II] tốc độ cao ở 40 đĩa. 2

Hai dấu hiệu này cho thấy những thành phần khác nhau của cấu trúc dòng khí:

• Hydro phân tử thường lần theo những gió phân tử ấm, lan rộng ra khỏi mặt phẳng đĩa.
• Neon ion hóa có thể chỉ ra khí nguyên tử nóng hơn, bao gồm các tia nhanh, tập trung và những luồng gió chậm hơn ở các hệ đã tiến hóa hơn. 23

Bức tranh này phù hợp với các quan sát JWST trước đó: một tia phản lực hẹp, tốc độ cao nằm bên trong một luồng hydro phân tử rộng hơn và chậm hơn. 5

Khi sao già đi, cơ chế thổi bay khí cũng thay đổi

Ở giai đoạn đầu, sao trẻ liên tục hút khí từ đĩa xung quanh. Từ trường có thể nâng khí khỏi đĩa rồi dẫn nó ra ngoài, tạo nên các dòng thoát khí mạnh được gọi là gió từ–thủy động lực học. Một số gió từ có thể di chuyển với tốc độ hàng chục dặm mỗi giây, tương đương hàng chục kilomet mỗi giây. 13

Trong những hệ còn trẻ và bồi tụ mạnh, gió phân tử rộng thường xuất hiện cùng các tia phản lực nhanh. Khi lượng vật chất rơi vào sao giảm, khảo sát ghi nhận ít gió H₂ mạnh và ít tia [Ne II] tốc độ cao hơn. Các dòng khí còn lại có xu hướng chủ yếu là nguyên tử và di chuyển chậm hơn. 123

Quá trình chuyển tiếp có thể hình dung như sau:

1. Gió do từ trường chi phối giai đoạn đầu. Cấu trúc từ trường gia tốc khí từ các vùng bên trong và bên ngoài đĩa, đẩy khí ra khỏi hệ.
2. Đĩa mỏng dần khi bồi tụ và hoạt động phun khí suy yếu. Khi lượng vật chất che chắn quanh sao giảm, tia X và tia cực tím năng lượng cao có thể xuyên sâu hơn vào đĩa.
3. Bốc hơi quang học dọn phần khí còn lại. Bức xạ làm nóng bề mặt đĩa đến mức khí thoát ra ngoài, tạo thành một luồng gió chậm hơn và phần lớn ở dạng nguyên tử. 1310

Vì vậy, sự thay đổi của phát xạ H₂ và [Ne II] phản ánh quá trình nguồn khí – “kho nguyên liệu” để tạo hành tinh – dần bị rút cạn.

Vì sao đây là cuộc chạy đua với thời gian để tạo Sao Mộc?

Một hành tinh khí khổng lồ cần nhiều hơn một lõi đá hoặc băng. Nó phải thu giữ một lớp vỏ lớn gồm hydro và heli trong lúc đĩa tiền hành tinh vẫn còn giàu khí. Khi quá trình phân tán đĩa loại bỏ nguồn dự trữ này, một lõi hình thành muộn sẽ khó phát triển thành hành tinh giống Sao Mộc theo cơ chế bồi tụ khí nhanh.

Điều đó tạo ra một hiệu ứng phụ thuộc vào thời điểm:

• Một lõi đủ lớn khi đĩa còn giàu khí có thể bắt đầu thu giữ nhanh lớp vỏ hydro–heli.
• Một lõi tương tự nhưng chỉ đạt kích thước cần thiết sau khi gió mạnh và bốc hơi quang học đã làm đĩa cạn khí có thể vẫn là 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 một hành tinh chuyển từ nhóm này sang nhóm khác. Nghiên cứu cho thấy nguồn khí thay đổi ra sao; kết cục của mỗi hành tinh vẫn còn phụ thuộc vào tốc độ phát triển của lõi, cấu trúc đĩa và nhiều điều kiện khác. 23

Các thông tin tóm lược về nghiên cứu đặt quá trình chuyển đổi giữa những cơ chế chính trong 10 triệu năm đầu của một hệ sao. Tuy nhiên, lượng khí cần cho hành tinh khổng lồ có thể biến mất sớm hơn nhiều ở từng hệ riêng lẻ. Bằng chứng hiện có ủng hộ một “cửa sổ” hình thành tương đối ngắn, chứ chưa xác lập một mốc kết thúc chính xác và giống nhau cho mọi hệ. 12

Gợi ý nào cho Hệ Mặt Trời?

Hệ Mặt Trời hiện khoảng 4,5–4,6 tỷ năm tuổi, nhưng Sao Mộc hình thành khi Mặt Trời vẫn còn được bao quanh bởi một đĩa tiền hành tinh rất trẻ. Nếu Mặt Trời non trẻ từng trải qua chuỗi tiến hóa tương tự, lõi Sao Mộc phải thu giữ lớp vỏ hydro–heli lớn trước khi gió từ và sau đó là bốc hơi quang học cuốn phần lớn khí của tinh vân Mặt Trời đi.

JWST không quan sát trực tiếp quá trình hình thành Sao Mộc. Thay vào đó, khảo sát cung cấp một khung vật lý để hiểu vì sao thời điểm hình thành hành tinh khí khổng lồ lại quan trọng: nguồn khí của đĩa không cố định, còn những cơ chế lấy đi nguồn khí đó thay đổi khi ngôi sao chủ già đi. 123

Các nhà thiên văn vẫn cần đo thêm điều gì?

Khảo sát 72 đĩa đã cho thấy sự hiện diện và hình thái thay đổi của các luồng khí, nhưng chưa hoàn chỉnh “ngân sách mất khối lượng” của từng thành phần gió. Bước tiếp theo là liên hệ chính xác hơn giữa lượng phát xạ quan sát được và lượng khí thực sự rời khỏi mỗi đĩa.

Các quan sát trong tương lai, có khả năng phân giải cả vận tốc lẫn không gian, cần làm rõ:

• mỗi gió phân tử, gió nguyên tử và tia phản lực cuốn đi bao nhiêu khối lượng;
• vùng bán kính nào của đĩa cung cấp vật chất cho từng luồng;
• những lớp nào theo chiều đứng của đĩa đang bị loại bỏ;
• nhiệt độ và vận tốc của gió thay đổi ra sao; và
• sau khi chuyển sang bốc hơi quang học, phần khí còn lại bị dọn sạch trong bao lâu. 234

Những phép đo đó sẽ cho biết liệu các nhà thiên văn có thể chuyển chuỗi tiến hóa của gió thành một thời gian tồn tại định lượng cho quá trình hình thành hành tinh khí khổng lồ hay không. Hiện tại, kết luận rõ nhất từ JWST nằm ở trình tự: đĩa trẻ bắt đầu với gió phân tử và dòng thoát khí do từ trường mạnh hơn, dần chuyển sang gió nguyên tử, rồi cuối cùng mất đi nguồn khí cần thiết để tạo nên những lớp khí quyển giống Sao Mộc.