Tín dụng hình ảnh: NASA
Nếu các nhà thiên văn học ngoài hành tinh xung quanh một ngôi sao xa xôi đã nghiên cứu Mặt trời trẻ bốn tỷ rưỡi năm trước, liệu họ có thể thấy dấu hiệu của một Trái đất mới hình thành quay quanh ngôi sao vàng vô hại này? Câu trả lời là có, theo Scott Kenyon (Đài quan sát vật lý thiên văn Smithsonian) và Benjamin Bromley (Đại học Utah). Hơn nữa, mô hình máy tính của họ nói rằng chúng ta có thể sử dụng các dấu hiệu tương tự để định vị những nơi mà các hành tinh có kích thước Trái đất hiện đang hình thành - thế giới trẻ, một ngày nào đó, có thể tổ chức sự sống của chính họ.
Chìa khóa để định vị Trái đất sơ sinh, theo Kenyon và Bromley, là không tìm kiếm chính hành tinh này, mà là một vòng bụi quay quanh ngôi sao là dấu vân tay của sự hình thành hành tinh trên mặt đất.
Có thể có một cơ hội, nếu có một vòng bụi, thì có một hành tinh, có thể nói là Kenyon.
Các hành tinh tốt rất khó tìm
Hệ mặt trời của chúng ta hình thành từ một đĩa khí và bụi xoáy, được gọi là đĩa hình thành hành tinh, quay quanh Mặt trời trẻ. Các vật liệu tương tự được tìm thấy trên khắp thiên hà của chúng ta, vì vậy các định luật vật lý dự đoán rằng các hệ sao khác sẽ hình thành các hành tinh theo cách tương tự.
Mặc dù các hành tinh có thể phổ biến, chúng rất khó phát hiện vì chúng quá mờ và nằm quá gần một ngôi sao sáng hơn nhiều. Do đó, các nhà thiên văn tìm kiếm các hành tinh bằng cách tìm kiếm bằng chứng gián tiếp về sự tồn tại của chúng. Trong các hệ hành tinh trẻ, bằng chứng đó có thể có trong đĩa và trong cách hành tinh ảnh hưởng đến đĩa bụi mà nó hình thành.
Các hành tinh lớn, có kích thước sao Mộc sở hữu lực hấp dẫn mạnh mẽ. Trọng lực đó ảnh hưởng mạnh đến đĩa bụi. Một sao Mộc duy nhất có thể xóa một khoảng trống hình vòng tròn trong đĩa, làm cong đĩa hoặc tạo ra những đám bụi tập trung để lại một mô hình trong đĩa giống như một chiếc thuyền từ một chiếc thuyền. Sự hiện diện của một hành tinh khổng lồ có thể giải thích mô hình giống như thức giấc được nhìn thấy trong đĩa xung quanh ngôi sao 350 triệu năm tuổi Vega.
Thế giới nhỏ, cỡ Trái đất, mặt khác, sở hữu lực hấp dẫn yếu hơn. Chúng ảnh hưởng đến đĩa yếu hơn, để lại những dấu hiệu tinh tế hơn về sự hiện diện của chúng. Thay vì tìm kiếm sự cong vênh hoặc thức giấc, Kenyon và Bromley khuyên bạn nên tìm hiểu xem hệ thống sao sáng ở bước sóng hồng ngoại (IR) như thế nào. (Ánh sáng hồng ngoại, mà chúng ta coi là nhiệt, là ánh sáng có bước sóng dài hơn và ít năng lượng hơn ánh sáng khả kiến.)
Những ngôi sao có đĩa bụi thì sáng hơn trong IR so với những ngôi sao không có đĩa. Hệ thống sao càng giữ nhiều bụi, nó càng sáng trong IR. Kenyon và Bromley đã chỉ ra rằng các nhà thiên văn học có thể sử dụng độ sáng hồng ngoại không chỉ để phát hiện đĩa, mà còn để biết khi nào một hành tinh có kích thước Trái đất đang hình thành trong đĩa đó.
Chúng tôi là người đầu tiên tính toán mức độ sản xuất bụi dự kiến và lượng dư hồng ngoại liên quan, và là người đầu tiên chứng minh rằng sự hình thành hành tinh trên mặt đất tạo ra lượng bụi có thể quan sát được, ông Bromley nói.
Xây dựng các hành tinh từ mặt đất lên
Lý thuyết phổ biến nhất về sự hình thành hành tinh kêu gọi xây dựng các hành tinh tinh thần từ mặt đất lên. Theo lý thuyết đông máu, các bit nhỏ của vật liệu đá trong một đĩa hình thành hành tinh va chạm và dính vào nhau. Trải qua hàng ngàn năm, các cụm nhỏ phát triển thành các cụm lớn hơn và lớn hơn, giống như xây dựng một người tuyết một nắm tuyết tại một thời điểm. Cuối cùng, các khối đá phát triển lớn đến mức chúng trở thành các hành tinh đầy đủ.
Kenyon và Bromley mô hình hóa quá trình hình thành hành tinh bằng một chương trình máy tính phức tạp. Họ “hạt giống” một đĩa tiền hành tinh với một tỷ vi thể hành tinh 0,6 dặm (1 km) về kích thước, tất cả quay quanh một ngôi sao trung tâm, và bước về phía trước hệ thống trong thời gian để xem cách các hành tinh tiến hóa từ những thành phần cơ bản.
Chúng tôi đã thực hiện mô phỏng một cách chân thực nhất có thể và vẫn hoàn thành các tính toán trong một khoảng thời gian hợp lý, theo chuyên gia Bromley.
Họ tìm thấy quá trình hình thành hành tinh có hiệu quả rõ rệt. Ban đầu, va chạm giữa các hành tinh xảy ra ở vận tốc thấp, vì vậy các vật thể va chạm có xu hướng hợp nhất và phát triển. Ở khoảng cách Trái đất-Mặt trời điển hình, chỉ mất khoảng 1000 năm để các vật thể dài 1 km phát triển thành các vật thể dài 100 km (60 dặm). 10.000 năm nữa tạo ra các hành tinh có đường kính 600 dặm, phát triển hơn 10.000 năm để trở thành các hành tinh có đường kính 1200 dặm. Do đó, các vật thể có kích thước Mặt trăng có thể hình thành trong ít nhất 20.000 năm.
Khi các hành tinh trong đĩa phát triển ngày càng lớn hơn, trọng lực của chúng càng lớn mạnh. Khi một vài trong số các đối tượng đạt được một kích thước là 600 dặm, họ bắt đầu “khuấy động” các đối tượng nhỏ hơn còn lại. Trọng lực bắn súng cao su các khối đá nhỏ hơn, kích thước tiểu hành tinh đến tốc độ cao hơn và cao hơn. Chúng di chuyển nhanh đến mức khi chúng va chạm, chúng không hợp nhất - chúng nghiền nát, đập vỡ nhau dữ dội. Trong khi các protoplanet lớn nhất tiếp tục phát triển, phần còn lại của các hành tinh đá đã nghiền nhau thành bụi.
Bụi hình thành ngay tại nơi hành tinh đang hình thành, ở cùng khoảng cách với ngôi sao của nó, ông Kenyon nói. Kết quả là, nhiệt độ của bụi cho biết nơi hành tinh đang hình thành. Bụi trong quỹ đạo giống như sao Kim sẽ nóng hơn bụi trong quỹ đạo giống Trái đất, tạo ra manh mối cho hành tinh trẻ sơ sinh cách xa ngôi sao của nó.
Kích thước của các vật thể lớn nhất trong đĩa xác định tốc độ sản xuất bụi. Lượng bụi cực đại khi các hành tinh dài 600 dặm đã hình thành.
Kính viễn vọng không gian Spitzer có thể phát hiện các đỉnh bụi như vậy, theo ông Bromley.
Hiện tại, mô hình hình thành hành tinh trên mặt đất của Kenyon và Bromley, chỉ bao gồm một phần nhỏ của hệ mặt trời, từ quỹ đạo của Sao Kim đến khoảng cách giữa Trái đất và Sao Hỏa. Trong tương lai, họ có kế hoạch mở rộng mô hình để bao quanh các quỹ đạo gần Mặt trời như Sao Thủy và xa như Sao Hỏa.
Họ cũng đã mô hình hóa sự hình thành Vành đai Kuiper - một khu vực gồm các vật thể nhỏ, băng giá và đá vượt ra ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương. Bước hợp lý tiếp theo là mô hình hóa sự hình thành của những người khổng lồ khí như Sao Mộc và Sao Thổ.
Voi chúng tôi bắt đầu ở rìa của hệ mặt trời và hoạt động bên trong, chanh Kenyon nói với một nụ cười. Bạn cũng có thể làm việc với số lượng lớn. Trái đất nặng gấp 1000 lần so với vật thể Vành đai Kuiper và Sao Mộc nặng gấp 1000 lần Trái đất.
Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là mô hình hóa và hiểu được sự hình thành của toàn bộ hệ mặt trời của chúng tôi. Kenyon ước tính rằng mục tiêu của họ có thể đạt được trong vòng một thập kỷ, khi tốc độ máy tính tiếp tục tăng, cho phép mô phỏng toàn bộ hệ mặt trời.
Nghiên cứu này đã được công bố vào ngày 20 tháng 2 năm 2004, tạp chí The Astrophysical Journal Letters. Thông tin bổ sung và hình ảnh động có sẵn trực tuyến tại http://cfa-www.harvard.edu/~kenyon/.
Có trụ sở tại Cambridge, Mass., Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian là sự hợp tác giữa Đài quan sát vật lý thiên văn Smithsonian và Đài quan sát của Đại học Harvard. Các nhà khoa học CfA, được tổ chức thành sáu bộ phận nghiên cứu, nghiên cứu nguồn gốc, sự tiến hóa và số phận cuối cùng của vũ trụ.
Nguồn gốc: Bản tin CfA
