James Webb phát hiện 'địa ngục' vũ trụ, giải mã vụ va chạm tạo nên Mặt Trăng

Những quan sát này không chỉ hé lộ cách các hành tinh đá hình thành mà còn có thể giúp giải thích vụ va chạm giả thuyết giữa Trái Đất sơ khai và một thiên thể có kích thước tương đương sao Hỏa, sự kiện được cho là đã tạo ra Mặt Trăng.

Hàng loạt vụ va chạm có thể đã góp phần khiến những hành tinh khí khổng lồ của Hệ Mặt Trời di chuyển từ vị trí gần Mặt Trời đến quỹ đạo mà chúng đang chiếm giữ ngày nay. Ảnh: NASA, ESA, CSA, Joseph Olmsted (STScI)

Với khả năng quan sát vượt trội của Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST), các nhà thiên văn đang nghiên cứu những hệ hành tinh trẻ đầy biến động, nơi các thế giới có thể lao vào nhau với năng lượng khổng lồ.

Nghiên cứu này có thể cung cấp những manh mối quan trọng về một trong những sự kiện lớn nhất trong lịch sử Trái Đất: vụ va chạm giả thuyết giữa Trái Đất sơ khai và Theia, một thiên thể có kích thước tương đương sao Hỏa.

Theo giả thuyết được chấp nhận rộng rãi, Theia đã đâm vào Trái Đất cách đây hàng tỷ năm, làm bắn một lượng vật chất khổng lồ ra không gian. Phần vật chất này sau đó tập hợp lại dưới tác động của lực hấp dẫn và hình thành nên Mặt Trăng.

Những hệ hành tinh trẻ có thể dữ dội hơn chúng ta tưởng

Các hệ hành tinh trẻ vốn nổi tiếng là những môi trường hỗn loạn. Khi một ngôi sao mới hình thành, nó thường được bao quanh bởi một đĩa khí và bụi gọi là đĩa tiền hành tinh.

Trong những đĩa này tồn tại các vật thể nhỏ gọi là vi hành tinh, liên tục va chạm, kết tụ và dần lớn lên, mở đầu quá trình hình thành các hành tinh.

Tuy nhiên, Kính viễn vọng Không gian Spitzer đã nghỉ hưu của NASA từng phát hiện một nhóm đĩa tiền hành tinh còn dữ dội hơn nhiều. Các nhà khoa học gọi chúng là “đĩa mảnh vụn cực đoan” (extreme debris disks).

Những hệ này chứa lượng bụi ấm bất thường nằm rất gần ngôi sao trung tâm, trong khu vực có vị trí tương tự vùng mà các hành tinh đá của Hệ Mặt Trời đang tồn tại.

Việc nghiên cứu các đĩa mảnh vụn cực đoan không hề dễ dàng, một phần bởi chúng cực kỳ hiếm.

Các nhà khoa học ước tính chỉ khoảng 1% số ngôi sao có thể sở hữu những hệ như vậy.

Đáng chú ý, giới nghiên cứu nghi ngờ Mặt Trời của chúng ta cũng từng trải qua giai đoạn tương tự khi còn trẻ.

Để tìm hiểu sâu hơn, một nhóm nhà khoa học đã sử dụng JWST để nghiên cứu 21 đĩa mảnh vụn cực đoan.

Mẫu nghiên cứu bao gồm dữ liệu quan sát bổ sung đối với 4 trong số 5 hệ từng được Spitzer ghi nhận, cùng 16 hệ được JWST nghiên cứu, trong đó có 12 hệ mới được quan sát.

“Đây là lần đầu tiên chúng tôi có đủ số lượng hệ để thực sự hiểu được phân lớp này, mà chúng tôi gọi là các đĩa mảnh vụn cực đoan”, Kate Su thuộc Viện Khoa học Không gian ở Boulder, Colorado, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết.

Trước khi JWST hoạt động, các nhà khoa học có rất ít thông tin về những hệ này. Họ chỉ biết rằng chúng rất khác thường và không giống các đĩa mảnh vụn lạnh điển hình như những hệ quanh Vega hay Fomalhaut.

“Giờ đây, khi có thêm dữ liệu, chúng tôi có thể xác định rõ hơn những đĩa này đại diện cho điều gì đối với quá trình hình thành và tiến hóa của các hành tinh”, Su nói.

Dấu vết của những vụ va chạm khủng khiếp

Các nhà nghiên cứu phát hiện 3 đặc điểm chung ở những đĩa mảnh vụn cực đoan. Thứ nhất, chúng chứa các hạt bụi nhỏ hơn so với những hạt bụi thường thấy trong các đĩa tiền hành tinh “cổ điển”.

Thứ hai, chúng có nồng độ bụi ấm rất cao. Cuối cùng, độ sáng của chúng biến đổi một cách bất thường theo thời gian.

Câu hỏi tiếp theo là điều gì tạo ra những đặc điểm này.

Để tìm câu trả lời, nhóm nghiên cứu phân tích các khoáng chất cấu thành những đĩa bụi. Kết quả cho thấy chúng có thể được chia thành hai nhóm chính: giàu silica và nghèo silica.

Thành phần khoáng chất này cung cấp manh mối về kiểu va chạm đang diễn ra trong từng hệ và loại mảnh vụn được tạo ra sau các vụ va chạm. Nó cũng có thể giải thích những biến đổi độ sáng quan sát được.

Hình ảnh minh họa về từ tính trong Hệ Mặt Trời sơ khai. Nguồn ảnh: Hernan Canellas/Space

“Việc có thể quan sát bức xạ hồng ngoại trung và những đặc điểm quang phổ tuyệt đẹp bằng JWST, qua đó xác định được thành phần của chúng, là điều thú vị nhất đối với tôi”, Agnes Kospal thuộc Đài quan sát Konkoly ở Budapest, Hungary, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết.

Theo bà, con người không có cách nào khác để nghiên cứu trực tiếp những “phôi hành tinh” này, bởi chúng quá nhỏ để có thể quan sát bằng các phương pháp thông thường.

Nhóm nghiên cứu cho rằng những đĩa giàu silica được hình thành sau các vụ va chạm năng lượng cực lớn giữa những vật thể có kích thước tương đương sao Hỏa. Trong những sự kiện như vậy, phần lớn vật chất của các thiên thể có thể bị hóa hơi.

Trong khi đó, các đĩa nghèo silica có khả năng xuất phát từ những vụ va chạm ít năng lượng hơn, khi các thiên thể có kích thước tương đương Mặt Trăng sượt qua và va vào nhau.

Khoảng một phần ba số đĩa mảnh vụn cực đoan trong mẫu nghiên cứu thuộc nhóm giàu silica.

Đáng chú ý, tất cả chúng đều được phát hiện quanh những ngôi sao trẻ hơn 300 triệu năm.

Các đĩa nghèo silica lại xuất hiện quanh những ngôi sao có độ tuổi rất khác nhau. Chúng cũng thường có mức biến đổi độ sáng mạnh hơn nhóm giàu silica.

Các nhà nghiên cứu cho rằng hiện tượng này có thể bắt nguồn từ quá trình tiến hóa nhanh chóng của những mảnh vụn mới hình thành, khi chúng tiếp tục va chạm và quỹ đạo của các vật thể trong hệ thay đổi.

James Webb mở lại câu chuyện về nguồn gốc Mặt Trăng

Những phát hiện mới có thể được áp dụng để nghiên cứu chính Hệ Mặt Trời, qua đó giúp các nhà khoa học xây dựng bức tranh rõ hơn về quá trình tiến hóa kéo dài 4,6 tỷ năm của hệ hành tinh chúng ta.

Các mô phỏng về giai đoạn sơ khai của Hệ Mặt Trời cho thấy những hành tinh đá như Trái Đất có thể đã hình thành chỉ trong vài trăm triệu năm đầu tiên.

Khoảng thời gian này phù hợp với tuổi của những đĩa mảnh vụn cực đoan giàu silica được quan sát quanh các ngôi sao trẻ. Nó cũng tương đồng với ước tính rằng Trái Đất và Mặt Trăng hình thành khoảng 100 triệu năm sau khi Mặt Trời ra đời.

Hệ Mặt Trời nhiều khả năng cũng từng trải qua một giai đoạn tương tự các đĩa cực đoan nghèo silica trong thời kỳ được gọi là Vụ Bắn phá mạnh cuối cùng (Late Heavy Bombardment).

Trong giai đoạn này, các nhà khoa học cho rằng hàng loạt vụ va chạm có thể đã góp phần khiến những hành tinh khí khổng lồ của Hệ Mặt Trời di chuyển từ vị trí gần Mặt Trời đến quỹ đạo mà chúng đang chiếm giữ ngày nay.

“Cách các hành tinh đá hình thành và cách các hành tinh khổng lồ tiến hóa là một phần của câu chuyện lớn hơn về sự hình thành Hệ Mặt Trời. Tất cả thực chất chỉ là một câu chuyện”, Su nhận định.

Theo bà, nghiên cứu về các đĩa mảnh vụn cực đoan đang giúp các nhà khoa học kết nối những mảnh ghép riêng lẻ để hiểu rõ hơn bức tranh tổng thể về nguồn gốc và quá trình tiến hóa của Hệ Mặt Trời.

Nghiên cứu của nhóm được công bố ngày 1/10 trên The Astrophysical Journal, mở ra một hướng tiếp cận mới để tìm hiểu những giai đoạn hỗn loạn nhất trong quá trình hình thành hành tinh.

Quan trọng hơn, những vụ va chạm đang diễn ra quanh các ngôi sao trẻ có thể chính là “phòng thí nghiệm vũ trụ” giúp các nhà khoa học nhìn lại những gì từng xảy ra với Trái Đất và Mặt Trăng hàng tỷ năm trước.

(Theo Space, Earthsky, Astronomy)