Các nhà khoa học sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA vừa thực hiện một khám phá đột phá trong việc tiết lộ cách các hành tinh hình thành. Bằng cách quan sát hơi nước trong đĩa tiền hành tinh, Webb đã xác nhận một quá trình vật lý liên quan đến sự trôi dạt của chất rắn bọc băng từ các vùng bên ngoài của đĩa hành tinh vào các vùng hành tinh đá.

Ý tưởng của nghệ sĩ này so sánh hai đĩa hình thành hành tinh điển hình xung quanh các ngôi sao giống Mặt trời mới sinh. Bên trái là chảo nhỏ gọn, bên phải là chảo mở rộng có khe hở. Các nhà khoa học gần đây đã sử dụng kính thiên văn Webb để nghiên cứu bốn đĩa tiền hành tinh - hai đĩa compact và hai đĩa mở rộng. Các nhà nghiên cứu đã thiết kế các quan sát của mình để kiểm tra xem các vùng bên trong của các đĩa hình thành hành tinh nhỏ gọn có chứa nhiều nước hơn các đĩa hình thành hành tinh mở rộng có khoảng trống hay không. Đây có thể là trường hợp nếu những viên sỏi phủ băng trong các đĩa sao nhỏ gọn trôi dạt hiệu quả hơn đến gần ngôi sao, vận chuyển một lượng lớn chất rắn và nước vào các hành tinh đá bên trong mới sinh. Nguồn: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Phát hiện của Kính viễn vọng Không gian Webb của NASA hỗ trợ cho Quá trình Hình thành Sao hành động đã được đề xuất từ lâu

Lý thuyết từ lâu đã cho rằng các viên băng hình thành ở các vùng lạnh bên ngoài của Trái đất các đĩa tiền hành tinh - khu vực nơi sao chổi bắt nguồn trong hệ mặt trời - sẽ là hạt giống cơ bản cho sự hình thành hành tinh. Yêu cầu chính của những lý thuyết này là các viên sỏi băng giá phải trôi vào bên trong ngôi sao do ma sát của đĩa khí, cung cấp cho hành tinh chất rắn và nước.

Dự đoán cơ bản của lý thuyết này là khi sỏi băng di chuyển vào khu vực ấm hơn trong "đường tuyết" - nơi băng biến thành hơi nước - chúng sẽ giải phóng một lượng lớn hơi nước lạnh. Đây chính xác là những gì Weber quan sát được.

"Webb cuối cùng đã tiết lộ mối liên hệ giữa hơi nước ở đĩa bên trong và sự trôi dạt của sỏi băng ở đĩa bên ngoài", nhà nghiên cứu chính Andrea Banzatti của Đại học Bang Texas ở San Marcos, Texas cho biết. “Khám phá này mở ra triển vọng thú vị cho việc sử dụng kính viễn vọng Webb để nghiên cứu sự hình thành của các hành tinh đá!”

Hình này so sánh dữ liệu quang phổ của nước lạnh và nước ấm trong đĩa GKTau, một đĩa compact không có vòng và đĩa CITau mở rộng, có ít nhất ba vòng ở các quỹ đạo khác nhau. Nhóm khoa học đã tận dụng khả năng phân giải chưa từng có của MRS (Máy quang phổ độ phân giải trung bình) của MIRI để tách quang phổ thành các vạch đơn phát hiện nước ở các nhiệt độ khác nhau. Như bạn có thể thấy trong hình trên, những quang phổ này cho thấy rõ ràng rằng có một lượng nước lạnh dư thừa trong đĩa GKTau nhỏ gọn so với đĩa CITau lớn. Biểu đồ bên dưới hiển thị dữ liệu nước lạnh dư thừa trong đĩa GKTau nhỏ gọn trừ đi dữ liệu nước lạnh trong đĩa CITau mở rộng. Dữ liệu thực tế có màu tím chồng lên quang phổ mô hình nước lạnh. Chú ý xem họ ở gần nhau như thế nào. Nguồn: NASA, ESA, CSA, Leah Hustak (STScI), Andrea Banzatti (Đại học bang Texas)

Thành viên nhóm, Collet, Vassar College, Poughkeepsie, NY Colette Salyk giải thích: "Trước đây, chúng tôi có một hình ảnh rất tĩnh về sự hình thành hành tinh, gần giống như có những khu vực biệt lập mà từ đó các hành tinh được hình thành. Giờ đây chúng tôi có bằng chứng cho thấy các khu vực này có thể ảnh hưởng lẫn nhau. Điều này đó cũng là những gì xảy ra trong hệ mặt trời."

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Máy ảnh hồng ngoại giữa (MIRI) của Kính viễn vọng Webb để nghiên cứu bốn đĩa xung quanh các ngôi sao giống Mặt trời - hai đĩa nhỏ và hai đĩa mở rộng. Cả bốn ngôi sao được ước tính có độ tuổi từ 2 triệu đến 3 triệu năm, khiến chúng trở thành những ngôi sao mới sinh trong thời gian vũ trụ.

Hai đĩa nhỏ gọn dự kiến ​​sẽ trải nghiệm sự trôi dạt của sỏi băng hiệu quả, đưa những viên sỏi băng giá đến những khoảng cách tương đương với quỹ đạo của Sao Hải Vương. Ngược lại, các viên sỏi của đĩa mở rộng được giữ lại thành nhiều vòng ở khoảng cách xa gấp sáu lần quỹ đạo của Sao Hải Vương.

Hình ảnh này là sự diễn giải dữ liệu từ Máy ảnh hồng ngoại giữa (MIRI) của Kính thiên văn Webb, thiết bị nhạy cảm với hơi nước trong máy đo độ cao thiên văn. Nó cho thấy sự khác biệt về độ trôi của sỏi và hàm lượng nước giữa các đĩa nén và các đĩa mở rộng có vòng và khoảng trống. Trong đĩa compact bên trái, những viên băng phủ đầy tuyết không bị cản trở khi chúng trôi vào trong về phía những vùng ấm hơn gần ngôi sao hơn. Khi họ băng qua đường tuyết, băng biến thành hơi nước, cung cấp lượng nước lớn cho các hành tinh đá bên trong mới hình thành. Bên phải là một đĩa mở rộng có các vòng và khoảng trống. Khi những viên băng phủ đầy tuyết bắt đầu bay vào trong, nhiều viên bị mắc vào các khoảng trống và bị mắc kẹt trong võ đài. Ít sỏi băng hơn có thể vượt qua đường tuyết và vận chuyển nước vào khu vực bên trong của đĩa. Nguồn: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Webb quan sát được thiết kế để xác định xem các vùng hành tinh đá bên trong đĩa compact có lượng nước dồi dào cao hơn hay không, điều này sẽ xảy ra nếu sỏi trôi đi hiệu quả hơn và cung cấp một lượng lớn vật chất rắn và nước cho các hành tinh bên trong. Nhóm đã chọn sử dụng MRS (Máy quang phổ có độ phân giải vừa phải) của MIRI vì nó rất nhạy cảm với hơi nước trong đĩa.

Các phát hiện đã xác nhận kỳ vọng, cho thấy lượng nước dồi dào ở các đĩa nhỏ cao hơn so với các đĩa lớn. Khi các viên sỏi trôi đi, bất cứ khi nào chúng gặp phải một va chạm áp suất (áp suất tăng lên), chúng sẽ tập trung lại ở đó. Những bẫy áp lực này không nhất thiết ngăn chặn sự trôi dạt của sỏi, nhưng chúng cản trở điều đó. Đây dường như là điều xảy ra trong các đĩa lớn có vòng và khoảng trống.

Nghiên cứu hiện tại đề xuất rằng các hành tinh lớn có thể tạo ra các vòng áp suất tăng lên nơi các viên sỏi có xu hướng tích tụ. Đó cũng có thể là vai trò của Sao Mộc trong hệ mặt trời của chúng ta - ngăn cản sự vận chuyển đá cuội và nước đến hành tinh đá nhỏ, bên trong, tương đối thiếu nước của chúng ta.

Khi dữ liệu lần đầu tiên được đưa vào, nhóm nghiên cứu đã rất bối rối trước kết quả. Banzati nhớ lại: “Trong hai tháng, chúng tôi bị mắc kẹt với những kết quả sơ bộ này, chúng cho chúng tôi biết rằng nước trong đĩa compact mát hơn, trong khi nước trong đĩa lớn nhìn chung nóng hơn”. “Điều đó vô nghĩa vì mẫu sao chúng tôi chọn có nhiệt độ rất gần nhau.”

Chỉ khi Benzati phủ dữ liệu từ đĩa compact lên dữ liệu từ đĩa lớn hơn, câu trả lời mới xuất hiện rõ ràng: Có thêm nước lạnh trong đường tuyết của đĩa compact, gần hơn quỹ đạo của Sao Hải Vương khoảng 10 lần. Anh ấy nói: "Bây giờ cuối cùng chúng tôi cũng thấy rõ rằng có quá nhiều nước lạnh. Đây là điều chưa từng có và hoàn toàn là do độ phân giải cao hơn của Webb!"

Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu đã được công bố trên "Tạp chí Vật lý thiên văn" xuất bản ngày 8 tháng 11.