3I/ATLAS có thể là di vật đóng băng sâu từ một hệ sao cổ

3I/ATLAS không chỉ là một vị khách lướt qua từ ngoài Hệ Mặt Trời. Khí và các đồng vị trong nó lưu giữ dấu vết về điều kiện hình thành lớp băng ban đầu — và những dấu vết ấy cho thấy một môi trường lạnh hơn, khác biệt về hóa học so với nơi tạo ra các sao chổi trong Hệ Mặt Trời. Cách diễn giải có cơ sở nhất hiện nay là nó xuất phát từ vùng ngoài xa của một hệ sao già, tương đối nghèo kim loại; tuy vậy, các nhà thiên văn chưa thể lần ngược quỹ đạo để gắn nó với một ngôi sao mẹ cụ thể. 1718

Manh mối then chốt: nước giàu deuteri một cách khác thường

Kết quả giàu thông tin nhất là thành phần đồng vị của nước. Các phép đo bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) cho tỷ lệ deuteri/hydro, hay D/H, là (0,98 ± 0,06)% — cao hơn hơn một bậc độ lớn so với các sao chổi đã biết. ESA Webb mô tả mức này cao khoảng 30 lần so với sao chổi trong Hệ Mặt Trời. Các tỷ lệ đồng vị carbon trong carbon monoxide (CO) và carbon dioxide (CO₂) cũng nằm ngoài khoảng thường thấy ở Hệ Mặt Trời, các đám mây liên sao lân cận và đĩa tiền hành tinh. 1726

Những dấu hiệu này phù hợp với hóa học băng ở nhiệt độ 30 K trở xuống, tương đương khoảng −243°C. Trong cái lạnh cực độ ấy, deuteri có thể được tích hợp ưu tiên vào phân tử. Đây là hồ sơ hóa học còn được bảo tồn của điều kiện hình thành đặc biệt lạnh, không phải bằng chứng xác định một địa điểm chính xác. 17

Vầng khí chứa hỗn hợp chất bay hơi khác thường

3I/ATLAS cũng nổi bật bởi các khí thoát ra từ nhân sao chổi và vầng khí bao quanh nó.

• Carbon dioxide: Các quan sát cho thấy sao chổi giàu CO₂ bất thường so với nước. Tỷ lệ CO₂/H₂O được báo cáo ở mức khoảng 7–8:1, cao hơn rất nhiều so với tỷ lệ thường gắn với sao chổi trong Hệ Mặt Trời. 3542
• Methane: Thiết bị MIRI trên JWST ghi nhận lần phát hiện trực tiếp đầu tiên methane trong một vật thể liên sao. 33
• Nickel: Phổ hồng ngoại giữa phát hiện nickel nguyên tử; trong khi quan sát quang học cũng xác nhận sao chổi phát ra cyanogen (CN). Vì thế, nickel không được phát hiện thay cho CN: cả hai đều thuộc danh mục hóa học đã quan sát được của 3I/ATLAS. 3332

Chỉ riêng hỗn hợp này chưa đủ để xác định duy nhất một câu chuyện nguồn gốc. Nhưng khi kết hợp với các tỷ lệ đồng vị cực đoan, nó củng cố nhận định rằng 3I/ATLAS đã giữ lại vật chất giàu chất bay hơi từ một vùng lạnh ở rìa ngoài hệ sao nơi nó ra đời.

Đuôi giàu nitơ bổ sung bằng chứng về nguồn gốc lạnh sâu

Sau khi đi qua cận nhật, thiết bị WEAVE với đơn vị trường tích phân lớn LIFU trên Kính thiên văn William Herschel đã phân giải năm ion trong đuôi plasma hướng ngược Mặt Trời của 3I/ATLAS:

• N₂⁺
• CO⁺
• CO₂⁺
• H₂O⁺
• CH⁺

Tỷ lệ N₂⁺/CO⁺ đo được đặt ra cận dưới N₂/CO > 0,023 ± 0,001, cho thấy sao chổi giàu nitơ hơn các sao chổi trong Hệ Mặt Trời. Vì nitơ phân tử là chất rất dễ bay hơi, việc nó được bảo toàn phù hợp với điều kiện hình thành cực lạnh. Đây là bằng chứng hỗ trợ, không phải phép đo độc lập về một nơi sinh hay độ tuổi cụ thể. 37

Dữ liệu đồng vị nói gì về nguồn gốc của nó?

Quỹ đạo đã độc lập xác nhận 3I/ATLAS là vật thể liên sao; hóa học của nó càng cho thấy nguồn gốc ngoài Hệ Mặt Trời. Dữ liệu đồng vị gợi ý nó hình thành trong môi trường tương đối nghèo kim loại — trong thiên văn học, “kim loại” là mọi nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Các mô hình tiến hóa hóa học của Ngân Hà khiến một hệ sao già trở thành nguồn gốc hợp lý. Trong giới hạn bất định của mô hình, vùng ngoài của đĩa Ngân Hà với hàm lượng kim loại thấp cũng là một khả năng. 1718

Đây nhất thiết là suy luận theo xác suất. Một sao chổi có thể lưu giữ manh mối về môi trường hình thành, nhưng hiện chưa thể được liên kết động lực học với một ngôi sao mang tên cụ thể. Những tuyên bố rằng 3I/ATLAS chắc chắn đến từ một hệ sao nào đó, hoặc toàn bộ lịch sử của nó đã được tái dựng, đều vượt quá bằng chứng hiện có.

Vì sao 3I/ATLAS quan trọng với nghiên cứu vật thể liên sao?

Mới chỉ có rất ít vật thể liên sao được phát hiện đủ gần để nghiên cứu chi tiết. Mỗi vật thể có thể là một trường hợp không điển hình, nên vẫn chưa rõ 3I/ATLAS là ngoại lệ cực đoan hay là mẫu đại diện cho các thiên thể nhỏ cổ xưa ngoài Hệ Mặt Trời.

Khảo sát Legacy Survey of Space and Time (LSST) của Đài quan sát Vera C. Rubin có thể thay đổi tình hình. Dự báo số phát hiện vẫn rất bất định vì mật độ, kích thước, suất phản chiếu ánh sáng và phân bố vận tốc của vật thể liên sao còn ít bị ràng buộc: các ước tính công bố trải từ dưới một lần phát hiện mỗi năm đến nhiều chục vật thể mỗi năm, tùy giả định. 23

Một mẫu lớn hơn, đi kèm quan sát quang phổ nhanh, có thể giúp trả lời:

• vật thể liên sao dạng sao chổi phổ biến đến đâu so với dạng đá;
• phân bố kích thước, vận tốc và hướng đi vào của chúng;
• các vật thể giàu CO₂, có methane, giàu nitơ hoặc giàu deuteri có thường gặp hay không;
• thành phần hóa học thay đổi thế nào giữa các quần thể sao có khả năng là nguồn gốc; và
• các hệ hành tinh phóng thích thiên thể nhỏ vào không gian liên sao hiệu quả đến đâu.

Cơ hội mà Rubin mang lại không chỉ là tìm thêm những vị khách lạ. Mục tiêu là chuyển từ việc diễn giải từng trường hợp đơn lẻ sang so sánh cả một quần thể, qua đó kiểm tra liệu 3I/ATLAS là di vật hiếm hoi của một quá khứ đóng băng sâu hay chỉ là một thành viên trong gia đình thiên thể rộng lớn hơn của Ngân Hà. 15