Nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra các dạng thù hình amoniac trong bầu khí quyển của các sao lùn nâu, đánh dấu một bước tiến lớn trong thiên văn học. Khám phá của Kính viễn vọng Không gian James Webb làm sáng tỏ sự hình thành của các hành tinh khí khổng lồ và ngoại hành tinh, thách thức các lý thuyết hiện có và nêu bật các quá trình thay thế như sự suy sụp hấp dẫn.
Kính viễn vọng Không gian James Webb đã phát hiện một dạng thù hình của amoniac trong một sao lùn nâu, cung cấp những hiểu biết mang tính đột phá về sự hình thành của các hành tinh khí khổng lồ và ngoại hành tinh, tiết lộ các quá trình hình thành thay thế tiềm năng.
Chúng tiết lộ tuổi của xương và hóa thạch và có thể dùng làm công cụ chẩn đoán y tế. Các đồng vị và chất tương đồng đồng vị - các phân tử chỉ khác nhau về thành phần đồng vị - cũng đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong thiên văn học. Ví dụ, dựa trên tỷ lệ đồng vị carbon-12 (12C) và carbon-13 (13C) trong bầu khí quyển của một ngoại hành tinh, các nhà khoa học có thể suy ra khoảng cách ngoại hành tinh quay quanh ngôi sao trung tâm của nó.
Cho đến nay, 12C và 13C kết hợp trong carbon monoxide là những đồng vị duy nhất có thể đo được trong khí quyển của ngoại hành tinh. Giờ đây, một nhóm nghiên cứu đã phát hiện thành công đồng vị amoniac trong bầu khí quyển của một ngôi sao lùn nâu lạnh. Nhóm nghiên cứu vừa báo cáo trên tạp chí Nature rằng amoniac có thể được đo ở dạng 14NH3 và 15NH3. Các nhà vật lý thiên văn Polychronis Patapis và Adrian Glauser, thành viên của Khoa Vật lý và Trung tâm Nghiên cứu Hành tinh Quốc gia (NCCR), đã tham gia nghiên cứu, trong đó Patapis là một trong những tác giả đầu tiên.
Các sao lùn nâu nằm ở đâu đó giữa các ngôi sao và hành tinh: chúng giống với các hành tinh khí khổng lồ về nhiều mặt, đó là lý do tại sao chúng có thể được sử dụng làm hệ thống mô hình để nghiên cứu các hành tinh khí khổng lồ. Trong công việc của mình, Patapis và các đồng nghiệp đã quan sát thấy một ngôi sao lùn nâu có tên WISEJ1828, cách Trái đất 32,5 năm ánh sáng; trên bầu trời đêm, nó nằm trong chòm sao Lyra.
WISEJ1828 không thể nhìn thấy bằng mắt thường: nhiệt độ hiệu dụng của nó (tức là nhiệt độ của vật đen, phát ra năng lượng giống như vật được quan sát) chỉ 100°C, quá lạnh để xảy ra phản ứng tổng hợp hydro và ánh sáng truyền đến Trái đất. Để khám phá ngôi sao lùn cực lạnh này thuộc lớp quang phổ Y, gương của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) đã được quay về phía chòm sao Lydia vào mùa hè năm ngoái.
Thiết bị hồng ngoại trung (MIRI) là một máy dò hồng ngoại được cài đặt trên JWST giúp phát hiện các dạng thù hình amoniac trên WISEJ1828. Máy quang phổ có độ phân giải vừa phải (MRS) của MIRI đã ghi lại quang phổ của sao lùn nâu trong phạm vi bước sóng từ 4,9 đến 27,9 μm. Ngoài amoniac, các nhà nghiên cứu còn quan sát thấy các phân tử nước và phân tử metan, mỗi phân tử đều có dải hấp thụ đặc trưng. Đặc biệt, amoniac gây ra sự suy giảm tín hiệu tới máy dò trong phạm vi bước sóng từ 9 đến 13 μm.
Các dạng thù hình của amoniac cũng có thể được phân giải bằng phương pháp quang phổ: nếu phân tử amoniac không bao gồm đồng vị nitơ phổ biến nhất 14N (14N kết hợp với ba nguyên tử hydro) mà bao gồm 15N cộng với ba nguyên tử hydro, thì các neutron bổ sung trong hạt nhân nitơ sẽ đảm bảo sự xuất hiện của một vết sưng trong quang phổ, điều này có thể được giải thích là do sự hiện diện của 15NH3.
Tỷ lệ của hai đồng vị amoniac đo được trong bầu khí quyển của WISEJ1828 đặc biệt thú vị: Như Patapis và các đồng nghiệp giải thích, tỷ lệ 14NH3 so với 15NH3 là một chất đánh dấu, một chỉ số có thể được sử dụng trong tương lai để nghiên cứu sự hình thành sao và hành tinh. Đây là một công cụ mới giúp kiểm tra các cơ chế khác nhau đã biết về sự hình thành hành tinh khí khổng lồ.
Các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc hay Sao Thổ không phải chỉ có trong hệ mặt trời của chúng ta. Những vật thể này đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu ngoại hành tinh: chúng xuất hiện sớm trong quá trình hình thành sao và do đó là yếu tố chính quyết định liệu các hành tinh nhỏ hơn, nhẹ hơn có hình thành như thế nào hay không. Cho đến nay, vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn cho câu hỏi các hành tinh khí khổng lồ hình thành như thế nào. Các chuyên gia đã đề xuất các lý thuyết khác nhau, nhưng không rõ liệu những hành tinh này hình thành thông qua quá trình bồi tụ hạt nhân giống như hầu hết các hành tinh khác hay là kết quả của sự sụp đổ lực hấp dẫn của một đĩa tiền hành tinh xung quanh một tiền sao.
Các tỷ lệ đồng vị được Patapis và các đồng nghiệp ghi lại có thể cung cấp manh mối mới. Trên Trái Đất, cứ 15N thì có 272 nguyên tử 14N. Bài báo báo cáo rằng tỷ lệ 14NH3 so với 15NH3 đo được trong bầu khí quyển của WISEJ1828 là 670, nghĩa là sao lùn nâu tích lũy ít nitơ-15 trong quá trình hình thành hơn so với các hành tinh khác như Trái đất và Sao Mộc. Trên thực tế, lượng 15N dồi dào trên WISEJ1828 hiếm hơn bất kỳ vật thể nào trong hệ mặt trời.
Quá trình được gọi là phân đoạn đồng vị hay thay đổi độ phổ biến của đồng vị vẫn chưa được hiểu đầy đủ, nhưng tác động của sao chổi được cho là góp phần làm giàu nitơ-15 vì sao chổi có hàm lượng 15N cao hơn nhiều. Tác động của sao chổi cũng được cho là một khối xây dựng cơ bản của các hành tinh trong hệ mặt trời: sao chổi góp phần hình thành bầu khí quyển Trái đất, mặc dù mức độ đóng góp của chúng không hoàn toàn rõ ràng.
WISEJ1828 có hàm lượng 15NH3 rất thấp trong quang phổ của nó, điều này cho thấy rằng sao lùn nâu này không được hình thành theo phương pháp hình thành hành tinh thông thường (tức là bồi tụ lõi), mà được hình thành theo cách giống như một ngôi sao. Do đó, sự mất ổn định lực hấp dẫn này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các hành tinh khí khổng lồ, đặc biệt là những hành tinh chuyển động theo quỹ đạo lớn xung quanh các ngôi sao.
Trên thực tế, đây là một vấn đề quan trọng khác được thảo luận trong bài báo: tỷ lệ 14NH3 so với 15NH3 dường như thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào khoảng cách giữa hành tinh khí khổng lồ và ngôi sao của nó, điều này có thể được xác nhận bằng mô phỏng các hành tinh được hình thành giữa các dòng băng amoniac và nitơ phân tử. Trong thiên văn học, đường băng biểu thị khoảng cách tối thiểu đến một ngôi sao trung tâm, tại đó nhiệt độ đủ thấp để một số hợp chất dễ bay hơi chuyển thành trạng thái rắn.
Patapis và các đồng nghiệp tin rằng sự gia tăng quan sát được về tỷ lệ 14NH3 so với 15NH3 có thể cho thấy sự bồi tụ băng của hành tinh giữa các dòng băng amoniac và nitơ.
Các nhà thiên văn học có một công cụ khác trong nghiên cứu của họ về các ngoại hành tinh có thể quan sát trực tiếp. Nhờ JWST, dấu vết của amoniac đã hiện rõ, một lần nữa khẳng định giá trị to lớn và hiệu suất vô song của kính viễn vọng không gian này.