Các nhà thiên văn học vẫn luôn quan sát “vườn ươm” hành tinh để tìm manh mối về cách Hệ Mặt Trời của chúng ta và các hệ khác hình thành.
Khoảng 100 nghìn năm trước, khi người Neanderthals vẫn còn tồn tại trong các hang động ở Nam Âu, một ngôi sao đã được sinh ra. Trong “nhà máy sản xuất sao” tên là Đám mây phân tử Taurus (Taurus Molecular Cloud), “quả bóng khí” co sụp và kích hoạt, sinh ra ngôi sao. Các vật liệu còn sót lại bắt đầu nguội dần, tạo thành các hạt bụi và một lớp vỏ khí dày đặc.
Tháng 9 năm 2014, những tia sáng từ ngôi sao trẻ, nóng này và vùng lân cận của nó đã truyền đến 66 chảo parabol màu trắng bạc của hệ thống kính thiên văn đặt trên một cao nguyên ở sa mạc Atacama, Chile - nơi khô hạn nhất Trái Đất. Các photon phải mất 450 năm để thực hiện cuộc hành trình mà các nhà thiên văn học đang rất mong đợi này. Lúc đó, các nhà thiên văn học đang tiến hành thử nghiệm trên kính thiên văn ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), với hệ thống ăng-ten radio cách nhau tối đa 15km, cho phép chúng hoạt động giống như đầu thu độ phân giải cao, có thể phân biệt được các vật thể nguội đường kính nhỏ hơn 1mm.
Khi đội ngũ ALMA nhắm đến ngôi sao trẻ tên là HL Tauri này, họ mong rằng sẽ quan sát được một vệt sáng bụi và khí. Nhưng, thay vào đó, siêu máy tính của ALMA đã phân tích các photon và cho ra hình ảnh một đĩa gồm các vòng sáng và tối xen kẽ, rõ ràng. Các khoảng trống tối màu đó dường như được tạo bởi các hành tinh mới quay quanh ngôi sao. Nó trông giống như một Sao Thổ màu cam loang lổ, và không giống với những gì các nhà thiên văn học từng quan sát được.
Kate Follette, nhà thiên văn học ở Amherst College, Massachusets nói “Tôi lật qua lật lại bài báo của họ và băn khoăn “Đâu là bức ảnh thật? Đây hiển nhiên là mô hình thôi.”
Những gì các nhà khoa học chụp được chính là hình ảnh một “vườn ươm” hành tinh xung quanh sao HL Tauri - nơi các hành tinh được sinh ra từ đĩa khí và bụi. Quan sát này đã đánh dấu sự khởi đầu của một cuộc cách mạng trong lĩnh vực chụp ảnh đĩa hành tinh. Trong vòng 4 năm sau đó, các nhà thiên văn học đã chụp được hình ảnh của rất nhiều hệ hành tinh ở thời điểm mới hình thành. Những vùng hình thành hành tinh này rất đa dạng về kiểu mẫu. Một số là hình gần bầu dục, với các khoảng trống rõ nét như “đường đua”. Một số khác thì trông như các thiên hà thu nhỏ, với các cánh tay xoắn ốc phân nhánh thành các vòng cung mở.
Những quan sát mới nhất, bao gồm kết quả được công bố vào tháng 4 và tháng 7, cho biết các hành tinh đang trong quá trình hình thành, với bụi và khí chảy vào tiền hành tinh nóng đỏ.
Hình ảnh từ ALMA về những khoảng trống được khắc bởi các hành tinh đang phát triển trong một đĩa vật chất bao quanh ngôi sao trẻ HL Tauri. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)
Nhưng khi các hệ hành tinh trẻ lớn dần, các nhà nghiên cứu đang đau đầu để quan sát của họ phù hợp với lý thuyết hiện tại về sự hình thành của Hệ Mặt Trời và các hệ thống khác. Những ý tưởng này đã bị xáo trộn kể từ khi các nhà thiên văn học bắt đầu khám phá các hành tinh xung quanh các ngôi sao xa xôi - danh sách hiện nay đã lên tới hàng ngàn hành tinh. Hệ Mặt Trời bao gồm những hành tinh đất đá gần Mặt Trời và những hành tinh khí khổng lồ ở xa hơn, tuy nhiên các ngoại hành tinh không tuân theo quy luật này lại đang gây hoang mang. Và quy luật xây dựng thế giới này đang ngày càng phức tạp vì các nhà khoa học đã tìm thấy các chứng cứ về các hành tinh đang trong quá trình hình thành. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học hy vọng rằng việc chứng kiến quá trình hình thành đó sẽ làm sáng tỏ tất cả các hệ thống hành tinh, bao gồm cả Hệ Mặt Trời, đã ra sao. Follette cho biết “Chúng ta đã quan sát thấy các loại cấu trúc của những đĩa hành tinh này, thậm chí của những đĩa rất trẻ, trẻ hơn so với những gì chúng ta nghĩ là hành tinh có thể hình thành.”
Va chạm và sát nhập
Lý thuyết phổ biến về sự hình thành Hệ Mặt Trời của nhà triết học người Đức Immanuel Kant cho rằng: đám mây khí và bụi khổng lồ dần co sụp và làm phẳng thành dạng đĩa, sinh ra Mặt Trời và các hành tinh. Ngày nay, mô hình về sự hình thành của Mặt Trời từ sự co sụp của đám mây phân tử, “xưởng sản xuất sao” chứa đầy phân tử khí, được chấp nhận rộng rãi. Sau khi ngôi sao được hình thành, vành khí và bụi tiếp tục tồn tại, nguội dần và cô đọng lại thành các hạt bụi lớn hơn, cỡ như các tiểu hành tinh, gọi là các mảnh hành tinh (planetesimals), và cuối cùng lớn dần thành hành tinh.
Các nhà lý thuyết đã tinh chỉnh các chi tiết của quá trình hình thành thành tinh từ những năm 1970, tính đến sự phân bố các hành tinh trong Hệ Mặt Trời và các thành phần hóa học của thiên thạch - mảnh vụn từ sự hình thành Hệ Mặt Trời. Đầu những năm 2000, hai viễn cảnh về sự hình thành các hành tinh đất đá và hành tinh khí được giải quyết.
Lý thuyết sự bồi đắp lõi cho rằng, vật liệu đá va đập mạnh với nhau, tan chảy, đông lại và tạo thành các vật thể lớn hơn, dần dần tạo ra các tiền hành tinh (protoplanet) - “phôi thai” nhỏ cỡ vài nghìn km. Với lực hấp dẫn của chúng, các tiền hành tinh có thể hút một lượng khí khổng lồ khi chúng quay quanh đĩa hành tinh. Điều này cho phép chúng biến thành lõi của một hành tinh khổng lồ, như Sao Mộc; mặt khác, sự phát triển của chúng có thể dừng lại và trở thành hành tinh đá, như đã xảy ra với Trái đất, Sao Hỏa và các hành tinh trên mặt đất khác.
Lý thuyết khác lại cho rằng Hệ Mặt Trời không hình thành từ quá trình va chạm mà từ sự sát nhập. Ở viễn cảnh sự bất ổn định dòng (streaming instability), khí và bụi xung quanh ngôi sao nguội đi nhanh chóng và bắt đầu trôi dạt, trở nên đặc lại và co sụp dưới chính lực hấp dẫn của chúng. Khối bụi và băng kích cỡ cm tạo thành khối kết tụ phát triển thành các khối lớn hơn, đặc hơn từ 1 đến 100 km. Sau đó, thông qua các quá trình khác, chúng phát triển thành những “phôi thai” hành tinh lớn hơn, và cuối cùng trở thành hành tinh.
Nhưng chưa lý thuyết nào có thể giải thích Vũ trụ mà chúng ta thấy hiện nay. Ví dụ như Sao Mộc, hành tinh chứa phần lớn nguyên liệu sót lại sau sự ra đời của Mặt Trời, vẫn còn là một câu hỏi lớn là: làm thế nào lõi của hành tinh khí lớn đủ nhanh để đạt tới khối lượng khổng lồ như vậy, trong khi sự va chạm giữa các mảnh hành tinh rồi kết dính thành khối lớn hơn tốn hàng triệu năm. Mặt khác, các nhà lý thuyết cho rằng, đĩa khí và bụi bao quanh Mặt Trời trẻ sẽ biến mất trong vòng 1 triệu đến 10 triệu năm sau khi hình thành vì khí sẽ phân tán và bụi bị hút về phía ngôi sao. (Liên quan đến vấn đề này, tàu thăm dò Juno của NASA gần đây đã tiết lộ rằng lõi của Sao Mộc thậm chí còn lớn hơn tính toán, có nghĩa là quá trình hình thành phải cực kỳ nhanh.) Với vị trí hiện tại của Sao Mộc, cũng không giải đáp được câu hỏi trên. Từ những năm 1970, các nhà lý thuyết đã nảy ra ý tưởng hành tinh có thể di trú từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác khi chúng hình thành hay xô đẩy với các hành tinh đang phát triển khác.
Vào giữa những năm 2000, việc khám phá các hệ hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời đã cho thấy lý thuyết hình thành hành tinh có những hạn chế. Một vài hành tinh khổng lồ hình thành rất gần sao chủ, chỉ mất vài ngày để quay quanh ngôi sao. Trong khi một số hành tinh khác lại ở khoảng cách rất xa so với sao chủ. Mặc dù các mô phỏng ngày càng phát triển trở nên phức tạp nhờ cải tiến phần cứng và phần mềm, nhưng cả hai mô hình bồi đắp lõi và sự bất ổn dòng vẫn chưa giải thích được sự hình thành của các hành tinh khổng lồ ở những khoảng cách khác nhau so với sao chủ.
Năm 2012, hai nhà thiên văn học Anders Johansen and Michiel Lambrechts, trường Đại học Lund, Thuỵ Điển đã đưa ra một viễn cảnh khác cho những hành tinh ở xa sao chủ bằng cách đưa ra một biến thể trong mô hình bồi đắp lõi (core-accretion) và sự bất ổn định dòng (streaming-instability). Trong lý thuyết của họ, gọi là bồi đắp đá cuội (pebbles), những vật liệu còn sót lại sau quá trình hình thành sao tập hợp thành bể bụi và đá cuội có liên kết lỏng lẻo. Những mảnh hành tinh (planetesimals) “bơi” trong bể này và tích dần các viên đá cuội để lớn lên nhanh chóng, giống như những quả bóng tuyết lớn dần khi chúng lăn từ trên đồi xuống. Johansen nói, ở viễn cảnh này, hành tinh sẽ xuất phát từ rìa ngoài của đĩa hành tinh, và thu thập các viên đá cuội trên đường nó di trú vào gần sao chủ. Tuỳ thuộc vào tương tác hấp dẫn giữa các vật thể, quá trình này có thể kết thúc khi hành tinh ở gần hay ở xa sao chủ. Các nhà thiên văn cho rằng Sao Mộc và Sao Thổ có lẽ đã trải qua quá trình di trú ở thời kỳ đầu của Hệ Mặt Trời.
SPHERE 'bắt' một đĩa bụi xung quanh IM Lupi. Credit: ESO/H. Avenhaus et al./DARTT-S collaboration
Mô hình bồi đắp đá cuội nhanh chóng trở nên phổ biến nhờ giải thích được những hệ như HL Tauri, nơi có những vành tối có thể là nơi chứa các hành tinh ít hơn 100 nghìn năm tuổi, xen kẽ với các vành sáng. “Những vành tối này có thể là nơi các hành tinh trẻ hình thành. Điều này đã thực sự truyền cảm hứng cho chúng tôi. Theo một cách nào đó, nó xác nhận rằng các hành tinh phát triển rất nhanh.”, nhà thiên văn học Matthew Clement của Đại học Oklahoma, Norman, cho biết.
Kiểm đếm số lượng hành tinh
Mặc dù lý thuyết về sự bồi đắp đá cuội có thể giải thích cách hành tinh lớn nhanh, nhưng nó chưa đi sâu vào vấn đề làm thế nào để “hạt giống” hành tinh, khởi đầu của quá bóng tuyết, hình thành.
Một đĩa xoắn ốc xung quanh HD 135344B. Credit: ESO, T. Stolker et al.
Thách thức hiện nay là thu hẹp khoảng cách giữa các mảnh bụi cỡ centimet và các vật thể có kích thước cỡ Mặt Trăng. Các mô phỏng trước đây giả thiết rằng bụi và khí di chuyển cùng nhau. Nhà thiên văn Philip Hopkins, Viện Công nghệ California (California Institute of Technology), Pasadena cho biết: “Trước đây khi các nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề này, họ luôn giả sử rằng khí và bụi gắn kết chặt chẽ với nhau.” Ông và Jono Squire, nghiên cứu viên sau tiến sĩ cùng lab, đã chỉnh sửa lại các mô hình, tách bụi và khí riêng rẽ để khám phá các tương tác phức tạp trong đĩa hành tinh làm cho khí xoáy quanh bụi, giống như cách dòng nước xoáy quanh cành cây nổi trên dòng suối. Những luồng khí chuyển hướng này nhanh chóng trở nên hỗn loạn và không ổn định, buộc các hạt bụi phải kết tụ lại với nhau thành mảnh vụn. Mô hình như vậy có thể giúp làm sáng tỏ các nguyên tắc cơ bản của sự đóng cục của mảnh hành tinh (planetesimals), Hopkins nói. “Điều này thực sự có thể thay đổi câu chuyện.”
Nhưng khi các nhà lý thuyết mày mò với việc tích tụ đá cuội và khí xoáy, một vấn đề khác đang ẩn nấp trong ở trong bóng tối. Năm 2013, nhà vật lý thiên văn Subhanjoy Mohanty thuộc Đại học Hoàng gia Luân Đôn và nhà thiên văn học Jane Greaves, Đại học Cardiff, Vương quốc Anh, đã công bố một cuộc khảo sát ban đầu về các đĩa tiền hành tinh trong Đám mây phân tử Taurus. Các đài quan sát mà họ sử dụng không đủ mạnh để phân giải rõ ràng các rãnh trong các đĩa như ALMA nhìn thấy xung quanh HL Tauri, nhưng khi các nhà nghiên cứu kiểm tra xem có bao nhiêu khí và bụi, dường như họ phát hiện ra rằng các ngôi sao có kích thước trung bình có khối lượng đĩa ít hơn nhiều so với dự kiến.
Mùa hè 2019, nhà thiên văn học Carlo Manara tại Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO) ở Garched, Đức, đã có một cái nhìn khác, và thấy điều này là đúng với các hệ trong Dải Ngân Hà. Ông thấy rằng, các đĩa tiền hành tinh chỉ có một phần (đôi khi chỉ bằng 1%) tổng khối lượng của các ngoại hành tinh quay quanh các ngôi sao tương tự. Điều này có nghĩa là các hệ thống hành tinh có khối lượng lớn hơn nguyên liệu được sử dụng để tạo ra chúng.
Dù giải thích cho kịch bản dường như không thể này, các nhà lý thuyết sẽ phải vật lộn với những hàm ý. Để giải thích cho các quan sát ngoại hành tinh, họ thường bắt đầu với số lượng lớn vật liệu. “Bạn cần một khối lượng lớn trong đĩa [để nó] tạo lực hấp dẫn lên chính nó và hoạt động giống như một hạt giống và tự sụp đổ”, theo ông Greaves.
Sự phát sáng của bụi khí khổng lồ xung quanh PDS 70. Credit: ESO/A. Müller et al.
Chẳng hạn, có thể có những loại vật liệu trong đĩa mà rất khó để kính viễn vọng bắt được. Hoặc, như Manara và đồng nghiệp Alessandro Morbidelli, nhà động lực học tại Đài thiên văn Côte d’Azur ở Nice, Pháp, cho rằng, các nhà thiên văn học có thể chỉ nhìn thấy một bức ảnh chụp nhanh; các ngôi sao có thể đang tích lũy vật liệu mới từ bên ngoài đĩa tiền hành tinh, từ các đám mây phân tử đã tạo ra chúng.
Quá trình tích luỹ này có thể khó phát hiện. Nhưng trong nghiên cứu được công bố vào năm 2017, nhà vật lý thiên văn Hsi-Wei Yen tại ESO và các đồng nghiệp của ông đã mô tả hai luồng khí dường như được kết nối với đĩa HL Tauri - mặc dù họ không thể phân biệt liệu khí đang chảy về phía trước hay rời khỏi ngôi sao. Morbidelli nói, nếu nó đang hướng về phía ngôi sao, khí thổi vào sẽ có tác động rộng, bởi vì nó cũng sẽ ảnh hưởng đến các yếu tố như nhiệt độ, mật độ và từ tính của đĩa. Việc tìm kiếm bằng chứng về những dòng chảy như vậy cho thấy rằng các ngôi sao và hành tinh không bị cô lập khỏi vũ trụ khi chúng hình thành và phát triển. Ông cho rằng, “Cái đĩa không nằm trong một cái hộp, và đây cũng là một cuộc cách mạng trong suy nghĩ của chúng tôi về đĩa.”
Bộ sưu tập hành tinh
Trong khi quan sát về “vườn ươm” hành tinh ngày càng nhiều, các nhà lý thuyết lại chưa đủ công cụ để giải thích. Những phát hiện mới nhất cho thấy ý tưởng rằng các hành tinh đang hình thành sớm cùng lúc với các sao chủ của chúng và ở những khoảng cách khác nhau.
Không chỉ kính thiên văn ALMA cung cấp hình ảnh về hành tinh, còn có thiết bị SPHERE gắn trên kính thiên văn rất lớn VLT (Very Large Telescope) của ESO (European Southern Observatory, Đài quan sát Nam Âu) đặt tại sa mạc Atacama, cách ALMA khoảng sáu giờ lái xe về phía nam. SPHERE có một hệ thống có thể loại bỏ các ảnh hưởng làm mờ của bầu khí quyển và bộ lọc chặn ánh sáng sao. Vào tháng Tư, các nhà thiên văn học tuyên bố họ đã sử dụng nó để chụp một loạt các đĩa khác nhau xung quanh tám ngôi sao trẻ giống như Mặt Trời. Một số giống như những chiếc đĩa rộng, một số có hình bầu dục gồm nhiều vành sáng rõ, và một cái giống như một thiên hà với các tia phát ra từ trung tâm. Sự đa dạng như vậy cho thấy quá trình hình thành hành tinh phức tạp, mang lại nhiều kết quả khác nhau.
Chỉ hai tháng sau, ALMA đã chụp được một ngoại hành tinh trẻ nhất từng thấy, quay quanh một ngôi sao 4 triệu năm tuổi, cách khoảng 100 Parsec (330 năm ánh sáng) từ Trái Đất. ALMA có độ nhạy cao với các vật thể nhỏ, nguội, và không thể nhìn thấy ánh sao phản chiếu trực tiếp từ các hành tinh. Nhưng vòng xoáy khí carbon monoxide trong đĩa hành tinh cho thấy ba hành tinh - mỗi hành tinh có khối lượng gần bằng sao Mộc - đang ở trên quỹ đạo, buộc dòng khí phải chảy xung quanh chúng, giống như viên đá điều khiển dòng nước chảy.
Không chịu thua kém, các nhà thiên văn học đã hướng kính SPHERE tới một ngôi sao trẻ khác, PDS 70, và tìm được hình ảnh trực tiếp của một hành tinh khổng lồ. Hành tinh này quay quanh sao chủ với khoảng cách gấp bốn lần so với từ Sao Mộc đến Mặt Trời, và vẫn đang hút vật chất từ đĩa bụi và khí tự nhiên của nó. Quan sát này đã xác nhận dự đoán rằng các hành tinh khí như Sao Mộc hình thành ở xa sao chủ.
Một thiết bị khác, Gemini Planet Imager (GPI), được gắn trên Kính viễn vọng Nam Gemini (Gemini South Telescope) ở chân đồi Andean, Chile, cũng đã chụp được các đĩa với các hành tinh trong đó, bao gồm một hành tinh khí khổng lồ. Quan sát này ủng hộ cho kịch bản bồi tụ lõi để hình thành hành tinh. Khi có nhiều quan sát, những nghi ngờ về việc liệu những đĩa tiền hành tinh này có thực sự là cái nôi sinh ra hành tinh đang được đặt vào trạng thái nghỉ ngơi, và không thể hiện trạng thái bất ổn trong đĩa của chúng. “Sự hình thành hành tinh có thể giải thích dễ dàng hầu như tất cả các đặc điểm mà chúng ta thấy”, theo ông Follette, người làm việc trên GPI.
Những phát hiện mới nhất cũng cho các nhà thiên văn học thấy Vũ trụ phức tạp và chi tiết hơn nhiều so với những lý thuyết tiên tiến nhất của chúng ta có thể dự đoán. Một số nhà thiên văn học nhận ra rằng công việc lý thuyết mà họ đang làm cách đây một thập kỷ không còn giá trị, nhưng họ vẫn không chắc chắn cách khắc phục nó.
“Tôi rất buồn vì những thứ tôi đã làm trong quá khứ không còn đúng nữa, luôn luôn là vậy. Nhưng sự thật là, không có điều gì luôn đúng. Hy vọng đó là một bước tiến.”, ông Sean Raymond, một nhà thiên văn học tại Phòng thí nghiệm Vật lý thiên văn Bordeaux ở Pháp, nói.
Mỗi quan sát chỉ giới hạn ở một vùng ánh sáng. Ví dụ, ALMA và các đài quan sát vô tuyến khác có thể nhìn thấy bụi và khí bao quanh các ngôi sao trẻ; các thiết bị quang học như SPHERE và GPI có thể thấy các đĩa và hành tinh phản chiếu lại ánh sáng của ngôi sao. Nhưng các mảnh vỡ nhỏ và các vật thể cỡ 1.000 km vẫn chưa được quan sát.
Tuy nhiên, kính viễn vọng hiện tại và tương lai có thể giúp lấp đầy một số khoảng trống. Greaves cho rằng, các nhà thiên văn học có thể vượt xa tầm nhìn milimet của ALMA đến phạm vi centimet, với các quan sát vô tuyến có độ phân giải cao hơn từ các kính viễn vọng như chuỗi kính thiên văn Merlin của Vương quốc Anh - cũng như từ chuỗi Square Kilometre Array sắp tới, do được đặt ở Nam Phi và miền tây Australia. Những quan sát như vậy có thể phần nào thu hẹp khoảng cách giữa bụi và protoplanet. Greaves háo hức dự đoán khả năng tìm thấy vật liệu có kích thước centimet xoay quanh vật thể có thể là các hành tinh đá trong tương lai. “Nhìn thấy một “Trái Đất” đang hình thành trong đĩa hành tinh, cách sao chủ một khoảng giống như từ Trái Đất đến Mặt Trời - đó là một điều kì diệu, ít nhất là đối với tôi”.
Việc quan sát các đĩa tiền hành tinh tuy còn ở giai đoạn sơ khai, nhưng toàn bộ câu chuyện về việc tạo ra hành tinh có thể sẽ phức tạp hơn bất kỳ dự đoán nào, và các ý tưởng cũng có thể bị đảo lộn và sau đó lại bị lật ngược. Clement cho biết, “Trong trường hợp Hệ Mặt Trời không phải là hệ thống phổ biến nhất hiện có, chúng ta sẽ là điều kỳ lạ. Hóa ra có rất nhiều điều phức tạp ngoài kia.”
