Các nhà thiên văn lần đầu chứng kiến sự ra đời của một hệ hành tinh

Các nhà thiên văn học vừa chứng kiến sự ra đời của một hệ hành tinh – một hệ thống có thể một ngày nào đó sẽ giống với hệ Mặt trời. Phát hiện này mang lại cho giới khoa học một mô hình để nghiên cứu cách hệ hành tinh của chúng ta hình thành quanh Mặt trời cách đây khoảng 4,6 tỷ năm.

Nhóm nghiên cứu đã xác định được khoảnh khắc khi những hạt vật chất nhỏ bắt đầu tích tụ xung quanh ngôi sao sơ sinh có tên HOPS-315, cách Trái đất khoảng 1.300 năm ánh sáng – những hạt này về sau sẽ kết tụ thành các hành tinh.

Bước đột phá này có được nhờ dữ liệu từ Mảng Kính thiên văn ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) – tổ hợp 66 kính thiên văn vô tuyến đặt trong sa mạc phía bắc Chile – cùng với các quan sát từ Kính viễn vọng Không gian James Webb.

“Lần đầu tiên, chúng tôi đã xác định được thời điểm sớm nhất khi quá trình hình thành hành tinh được khởi động quanh một ngôi sao chủ khác (ngoài Mặt trời của chúng ta),” nhà nghiên cứu Melissa McClure từ Đại học Leiden, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết. Kết quả nghiên cứu của nhóm được công bố hôm thứ Tư (16/7) trên tạp chí Nature.

Ngôi sao sơ sinh và đĩa tiền hành tinh

Các ngôi sao ra đời khi những đám khí và bụi giữa các vì sao nguội lạnh và đặc lại, sau đó sụp đổ dưới tác động của trọng lực của chính chúng. Quá trình này hình thành nên một “ngôi sao sơ sinh” (protostar) được bao quanh bởi một lớp vật chất giống như chất liệu đã tạo nên nó.

Lớp vật chất này sau đó dần dẹt lại thành một đĩa quay xoáy với ngôi sao sơ sinh ở trung tâm. Cấu trúc đó được gọi là “đĩa tiền hành tinh” (protoplanetary disk), vì chính từ đó – và bên trong đó – các hành tinh mới sẽ hình thành.

Các nhà thiên văn đã từng quan sát thấy nhiều ngôi sao trẻ được bao quanh bởi các đĩa tiền hành tinh, trong đó có những hành tinh trẻ to lớn như sao Mộc. Tuy nhiên, để tận mắt thấy được gốc gác của những hành tinh ngoại hệ này (exoplanets), giới thiên văn cần bắt được khoảnh khắc đĩa tiền hành tinh ở giai đoạn sớm hơn.

“Chúng tôi luôn biết rằng những phần vật chất rắn đầu tiên của hành tinh – còn gọi là vi thể hành tinh hay ‘tiểu hành tinh mầm’ (planetesimals) – phải hình thành từ rất sớm, ở những giai đoạn trước đó,” McClure nói.

Một manh mối giúp các nhà khoa học biết cần tìm kiếm gì trong những đĩa ở giai đoạn đầu có thể được tìm thấy ngay trên Trái đất, nằm bên trong các thiên thạch đã rơi xuống hành tinh của chúng ta.

Gieo mầm hệ Mặt trời

Thiên thạch là những mảnh vỡ của tiểu hành tinh được hình thành cách đây 4,6 tỷ năm, cùng thời với sự hình thành của các hành tinh trong hệ Mặt trời.

Điều đó có nghĩa là bên trong những tảng đá không gian này là một “hồ sơ hóa thạch” của hệ hành tinh của chúng ta, lưu giữ các vật liệu đã tồn tại từ thuở sơ khai.

Trong thiên thạch, người ta tìm thấy nhiều khoáng chất kết tinh chứa oxit silic – loại vật chất có thể ngưng tụ ở nhiệt độ rất cao, chẳng hạn như trong đĩa tiền hành tinh quanh Mặt trời thuở ban đầu.

Vật chất kết tinh này chính là dạng vật chất rắn đầu tiên trong hệ Mặt trời và đã kết dính nhờ lực hấp dẫn để hình thành nên các tiểu hành tinh mầm có đường kính hàng cây số – những “hạt mầm” của các hành tinh đất đá như Trái đất và lõi của các hành tinh khí khổng lồ như sao Mộc.

Nhóm nghiên cứu lần này đã quan sát thấy dấu hiệu các khoáng chất nóng bắt đầu ngưng tụ trong đĩa tiền hành tinh xoay quanh HOPS-315. Cụ thể, họ phát hiện oxit silic tồn tại cả ở dạng khí lẫn vật chất kết tinh quanh ngôi sao sơ sinh này. Điều đó cho thấy quá trình ngưng tụ khoáng chất chỉ mới bắt đầu xảy ra quanh HOPS-315.

“Hiện tượng này chưa từng được quan sát trước đây trong một đĩa tiền hành tinh – hay bất cứ đâu ngoài hệ Mặt trời của chúng ta,” nhà nghiên cứu Edwin Bergin từ Đại học Michigan – thành viên nhóm nghiên cứu – cho biết.

Bức tranh của hệ Mặt trời sơ khai

Các khoáng chất đầu tiên được phát hiện bởi kính viễn vọng James Webb, còn ALMA giúp định vị vị trí của chúng trong một vùng nhỏ của đĩa tiền hành tinh. Vùng này có khoảng cách quỹ đạo với HOPS-315 tương tự như khoảng cách từ vành đai tiểu hành tinh chính đến Mặt trời trong hệ Mặt trời của chúng ta.

“Chúng tôi thực sự đang thấy những khoáng chất này xuất hiện ở đúng vị trí tương tự như nơi chúng ta tìm thấy chúng trong các tiểu hành tinh của hệ Mặt trời,” Logan Francis, nhà nghiên cứu tại Đại học Leiden, cho biết.

Điều đó cho thấy HOPS-315 là một mô hình lý tưởng để nghiên cứu lịch sử vũ trụ của chính chúng ta.

Thành viên khác trong nhóm, Merel van ‘t Hoff từ Đại học Purdue, ví khám phá này như một “bức ảnh của hệ Mặt trời khi còn sơ sinh.”

“Chúng ta đang quan sát một hệ thống giống như hệ Mặt trời trông thế nào khi mới bắt đầu hình thành,” van ‘t Hoff kết luận. “Đây là một trong những hệ thống tốt nhất mà chúng ta biết để thực sự khảo sát những quá trình đã từng xảy ra trong hệ Mặt trời của chúng ta.”

Ngôi sao sơ sinh HOPS-315 đang thể hiện những dấu hiệu đầu tiên của quá trình hình thành hành tinh. Ảnh: ALMA