Hơn một nửa số ngôi sao được sinh ra là thành viên của hệ nhiều sao, nhưng quá trình hình thành của nhiều sao vẫn chưa được hiểu rõ. Vì vậy, việc làm sáng tỏ bí ẩn về cơ chế hình thành nhiều sao là rất quan trọng để thiết lập một lý thuyết hình thành sao toàn diện. Cho đến nay, một số kịch bản về sự hình thành nhiều sao đã được đề xuất và các cuộc thảo luận về các kịch bản hình thành vẫn chưa thống nhất.

Ấn tượng nghệ thuật về ba tiền sao IRAS04239+2436. Nguồn: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)

Để hiểu được quá trình hình thành của nhiều sao, cần sử dụng các thiết bị có độ phân giải cao và độ nhạy cao như ALMA để quan sát trực tiếp thời điểm nhiều tiền sao (sao đang trong quá trình hình thành) ra đời. Ngoài ra, những quan sát gần đây về tiền sao thường cho thấy các cấu trúc khí gọi là “dòng khí tinh giản”, là dòng khí hướng tới tiền sao.

Việc quan sát những dòng tinh giản này rất quan trọng vì chúng cho thấy cách tiền sao hấp thụ khí và phát triển, nhưng hiện tại vẫn chưa rõ những dòng này hình thành như thế nào. Do các dòng khí xung quanh các tiền sao trong các hệ nhiều sao được cho là có cấu trúc phức tạp nên các quan sát chi tiết sử dụng độ phân giải cao của ALMA là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu nguồn gốc của các dòng khí.

Sự phân bố khí xung quanh tiền sao ba ngôi sao IRAS04239+2436, (trái) phát thải SO được quan sát bởi ALMA, (phải) tái tạo mô phỏng số của siêu máy tính ATERUI. Tiền sao A và B, được hiển thị bằng màu xanh lam ở bên trái, biểu thị sóng vô tuyến từ bụi xung quanh tiền sao. Trong Protostar A, hai tiền sao chưa được giải quyết được cho là tồn tại. Trong hình ảnh bên phải, vị trí của ba tiền sao được biểu thị bằng các dấu thập màu xanh lam. Nguồn: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), J.-E.Leeetal.Leeetal.

Các quan sát và phát hiện chi tiết

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng ALMA để quan sát sóng vô tuyến phát ra từ các phân tử monoxit lưu huỳnh (SO) xung quanh thế giới trẻ hệ thống nhiều sao IRAS04239+2436. IRAS04239+2436 là một "hệ thống tiền sao ba ngôi", một hệ thống bao gồm ba tiền sao, cách chúng ta khoảng 460 năm ánh sáng. Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ phát hiện được các phân tử SO trong khu vực xảy ra sóng xung kích và quan sát thấy những chuyển động khí dữ dội xung quanh tiền sao. Theo kết quả quan sát, họ đã phát hiện ra các phân tử SO có kích thước gấp khoảng ba lần tiền sao và phát hiện ra rằng sự phân bố của các phân tử SO tạo thành một nhánh xoắn ốc lớn kéo dài tới 400 đơn vị thiên văn. Ngoài ra, họ còn thu được thành công vận tốc của khí chứa phân tử SO dựa trên sự dịch chuyển tần số của sóng vô tuyến do hiệu ứng Doppler gây ra.

Dựa trên phân tích chuyển động của khí, họ phát hiện ra rằng các nhánh xoắn ốc được vạch ra bởi các phân tử SO thực sự là những dòng chảy thẳng tới bộ ba tiền sao. Li giải thích tầm quan trọng của phát hiện này: “Đặc điểm sâu sắc nhất trong các hình ảnh ALMA của chúng tôi là phát hiện các cấu trúc đa nhánh lớn, được xác định rõ ràng trong bức xạ SO”. “Ấn tượng đầu tiên của tôi là những cấu trúc này nhảy múa cùng nhau, xoay quanh hệ thống tiền sao trung tâm, nhưng sau đó chúng tôi phát hiện ra rằng các nhánh xoắn ốc là kênh vật chất nuôi sống các ngôi sao nhỏ.”

Siêu máy tính "ATERUI" mô phỏng sự hình thành nhiều sao. Bộ phim cho thấy nhiều tiền sao được sinh ra trong các đám mây khí hỗn loạn dạng sợi, kích thích các nhánh xoắn ốc và làm xáo trộn khí xung quanh khi chúng di chuyển. Nguồn: Tomaki Matsumoto, Takaaki Takeda, Dự án 4D2U, Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản

Phân tích so sánh và ý nghĩaTAG PH77

Để nghiên cứu sâu hơn về chuyển động của khí, nhóm nghiên cứu đã so sánh vận tốc khí thu được từ quan sát này với vận tốc thu được từ quan sát này mô phỏng số. Những mô phỏng này được thực hiện bằng cách sử dụng các siêu máy tính chuyên dụng về thiên văn học "ATERUI" và "ATERUIII" tại Đài quan sát thiên văn quốc gia thuộc Trung tâm Vật lý thiên văn tính toán của Nhật Bản. Trong mô phỏng, ba tiền sao hình thành trong đám mây khí và khí bị xáo trộn xung quanh ba tiền sao kích thích sóng xung kích dưới dạng các nhánh xoắn ốc.

Matsumoto, người đứng đầu mô phỏng số của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng các nhánh xoắn ốc thể hiện các dòng khí hướng về phía ba tiền sao; chúng là những dòng khí cung cấp khí cho các tiền sao”. “Vận tốc khí thu được từ các mô phỏng phù hợp tốt với các quan sát, cho thấy rằng các mô phỏng số thực sự có thể giải thích nguồn gốc của các dòng chảy.”

Kịch bản lai cho sự hình thành nhiều sao

Bằng cách so sánh dữ liệu quan sát và kết quả mô phỏng số, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu cách thức sinh ra bộ ba tiền sao này. Cho đến nay, có hai lựa chọn cho sự hình thành nhiều ngôi sao. Đầu tiên là "kịch bản phân mảnh hỗn loạn", trong đó một đám mây khí hỗn loạn phân mảnh thành chất khí ngưng tụ và mỗi chất ngưng tụ phát triển thành một tiền sao. Thứ hai là "kịch bản phân mảnh đĩa", trong đó đĩa khí xung quanh một mảnh tiền sao tạo thành một tiền sao mới, từ đó tạo ra nhiều ngôi sao.

Các tiền sao gấp ba được quan sát ở đây có thể được giải thích bằng một kịch bản lai, trong đó quá trình hình thành sao bắt đầu bằng một đám mây khí sơ cấp hỗn loạn, tương tự như kịch bản phân mảnh hỗn loạn. Sau đó, các hạt tiền sao mới được tạo ra trong đĩa, tương tự như kịch bản phân mảnh đĩa, và sự hỗn loạn khí xung quanh làm cho các nhánh xoắn ốc mở rộng ra. Các quan sát rất giống với mô phỏng, cho thấy rằng tiền sao bộ ba được quan sát là vật thể đầu tiên được xác nhận đã hình thành nhiều sao thông qua sơ đồ trộn.

Matsumoto cho biết: "Đây là lần đầu tiên nguồn gốc của tiền sao và sao băng được làm sáng tỏ đồng thời một cách toàn diện. Sự kết hợp giữa quan sát và mô phỏng ALMA là một công cụ mạnh mẽ để tiết lộ bí mật về sự hình thành sao."

T AGPH11Tác động lên sự hình thành hành tinh và tương lai nghiên cứu

Li tin rằng nghiên cứu này cũng tiết lộ những khó khăn trong việc hình thành hành tinh trong các hệ nhiều sao. Cô nói: "Các hành tinh được sinh ra trong đĩa khí và bụi hình thành xung quanh tiền sao. Trong hệ thống ba tiền sao này, tiền sao nằm trong một khu vực nhỏ, đĩa xung quanh tiền sao nhỏ và tiền sao quay quanh tiền sao sẽ tách đĩa ra khỏi các tiền sao khác. Các hành tinh được hình thành trong môi trường yên tĩnh lâu dài. Do đó, IRAS04239+2436 khó có thể là môi trường thuận lợi cho sự hình thành hành tinh."

Matsumoto thảo luận về ý nghĩa của nghiên cứu này đối với sự hiểu biết của chúng ta về sự hình thành nhiều sao. "Việc quan sát thực tế một hệ thống nhiều sao đang hình thành thông qua sơ đồ lai sẽ giúp giải quyết cuộc tranh luận về các sơ đồ hình thành nhiều sao. Hơn nữa, nghiên cứu này không chỉ xác nhận sự tồn tại của các dòng tinh giản được ghi nhận gần đây mà còn giải thích cách chúng hình thành, đánh dấu một bước tiến lớn."

Jeong-EunLee và cộng sự. đã giới thiệu nghiên cứu này trong bài báo “Ba nhánh xoắn ốc của hệ ba tiền sao được chụp ảnh bằng các đường phân tử” đăng trên Tạp chí Vật lý thiên văn.