Các nhà thiên văn học sử dụng Kính viễn vọng không gian Hubble đã phát hiện ra rằng các hành tinh rất khó hình thành trong vùng trung tâm hỗn loạn của cụm sao Westerlund 2 khổng lồ và đông đúc. Nằm cách xa 20.000 năm ánh sáng, Westerlund 2 là một phòng thí nghiệm độc đáo để nghiên cứu quá trình tiến hóa của sao vì nó tương đối gần, khá trẻ và chứa một số lượng lớn các ngôi sao. Một nghiên cứu kéo dài ba năm về các ngôi sao Westerlund 2 của Kính viễn vọng không gian Hubble đã tiết lộ rằng tiền thân của các đĩa tiền hành tinh bao quanh các ngôi sao gần trung tâm của cụm sao này lại không có những đám mây bụi lớn và dày đặc.
Bởi vì những đám mây bụi này có thể biến thành các hành tinh hàng triệu năm sau. Tuy nhiên, các quan sát cho thấy các ngôi sao ở vùng ngoài của cụm sao này có những đám mây bụi khổng lồ hình thành nên hành tinh được nhúng trong các đĩa tiền hành tinh. Các nhà nghiên cứu tin rằng hệ mặt trời của chúng ta tuân theo mô hình này khi nó hình thành cách đây 4,6 tỷ năm. Vậy tại sao một số ngôi sao trong Westerlund 2 lại gặp khó khăn trong việc hình thành hành tinh, trong khi những ngôi sao khác thì không? Có vẻ như sự hình thành hành tinh phụ thuộc vào vị trí, với những ngôi sao lớn nhất và sáng nhất trong một cụm tập trung ở lõi, điều này được xác nhận qua quan sát các vùng hình thành sao khác.
Các cụm sao lớn chứa ít nhất 30 ngôi sao cực lớn ở trung tâm, một số ngôi sao có khối lượng gấp 80 lần mặt trời của chúng ta. Bức xạ cực tím rực rỡ và những cơn gió mạnh như bão của các hạt tích điện thổi bay các đĩa tiền hành tinh xung quanh các ngôi sao có khối lượng thấp hơn gần đó và phân tán những đám mây bụi khổng lồ. Elena Sabbi thuộc Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian ở Baltimore và là nhà nghiên cứu chính của nghiên cứu Hubble, giải thích: "Về cơ bản, nếu bạn có những ngôi sao khổng lồ, năng lượng của chúng sẽ làm thay đổi đặc tính của các đĩa tiền hành tinh xung quanh những ngôi sao nhỏ hơn ở gần đó".
Có thể vẫn còn một đĩa tiền hành tinh, nhưng ngôi sao làm thay đổi thành phần bụi trong đĩa khiến việc tạo ra các cấu trúc ổn định trở nên khó khăn hơn và cuối cùng khiến cho việc hình thành các hành tinh trở nên khó khăn. Nghiên cứu cho thấy bụi đã bốc hơi sau một triệu năm hoặc thay đổi quá nhiều về thành phần và kích thước đến mức hành tinh không thể hình thành. Các quan sát của Hubble đánh dấu lần đầu tiên các nhà thiên văn học phân tích một cụm sao cực kỳ dày đặc để nghiên cứu xem môi trường nào thuận lợi cho sự hình thành hành tinh. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn đang tranh luận liệu các ngôi sao khổng lồ có được sinh ra ở trung tâm hay di chuyển đến đó không.
Westerlund 2 vốn đã có những ngôi sao khổng lồ ở lõi, mặc dù đây là một hệ thống tương đối trẻ với tuổi đời chỉ 2 triệu năm. Sử dụng Camera trường rộng 3 của Hubble, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trong số gần 5.000 ngôi sao trong cụm sao Westerlund 2, với khối lượng từ 0,1 đến 5 lần khối lượng Mặt trời, 1.500 ngôi sao trong số đó có sự dao động về ánh sáng khi các ngôi sao tích tụ vật chất từ các đĩa tiền hành tinh. Vật chất quỹ đạo tích tụ bên trong đĩa tiền hành tinh có thể tạm thời chặn một số ánh sáng sao, gây ra sự dao động độ sáng. Tuy nhiên, Hubble chỉ phát hiện ra dấu hiệu này của vật chất quay quanh các ngôi sao bên ngoài vùng trung tâm dày đặc của cụm sao.
Kính Hubble đã chứng kiến những đợt giảm độ sáng lớn kéo dài tới 10 đến 20 ngày trước khi khoảng 5% số ngôi sao trở lại độ sáng bình thường và những đợt giảm này không được phát hiện ở những ngôi sao cách tâm trong vòng 4 năm ánh sáng. Những biến động này có thể được gây ra bởi những đám mây bụi lớn đi qua phía trước ngôi sao. Những khối này sẽ xuất hiện trên một đĩa nghiêng, gần như nằm ngang, khi nhìn từ Trái Đất, và các nhà nghiên cứu tin rằng chúng là những thiên thể hoặc cấu trúc hành tinh đang trong quá trình hình thành. Đây có thể là những hạt giống cuối cùng hình thành nên các hành tinh trong các hệ thống đang tiến hóa. Những hệ thống này không được nhìn thấy gần những ngôi sao có khối lượng rất lớn, mà chỉ thấy ở những hệ thống bên ngoài trung tâm.
Nhờ Hubble, các nhà thiên văn học hiện có thể quan sát cách các ngôi sao tích tụ trong môi trường tương tự như vũ trụ sơ khai, nơi các cụm sao bị chi phối bởi những ngôi sao khổng lồ. Cho đến nay, môi trường sao gần đó chứa các ngôi sao lớn được biết đến nhiều nhất là vùng hình thành sao trong Tinh vân Orion. Tuy nhiên, Westerlund 2 là mục tiêu có nhiều tiềm năng hơn vì nó có số lượng sao lớn hơn nhiều. Các quan sát của Hubble về Westerlund 2 đã giúp các nhà thiên văn học hiểu rõ hơn về cách các ngôi sao có khối lượng khác nhau thay đổi theo thời gian và cách những cơn gió và bức xạ mạnh từ các ngôi sao siêu lớn ảnh hưởng đến các ngôi sao có khối lượng thấp hơn ở gần và đĩa tiền hành tinh của chúng.
Ví dụ, chúng ta thấy rằng các ngôi sao có khối lượng thấp hơn như Mặt Trời của chúng ta, khi ở gần các ngôi sao cực lớn trong một cụm, vẫn có đĩa tiền hành tinh và vẫn có thể cùng tồn tại với vật chất khi chúng phát triển. Nhưng cấu trúc của các đĩa tiền hành tinh của chúng dường như rất khác so với các đĩa xung quanh các ngôi sao hình thành trong môi trường yên tĩnh, cách xa lõi của một cụm sao, và thông tin này rất quan trọng để xây dựng các mô hình về sự hình thành hành tinh và quá trình tiến hóa của sao. Cụm sao này sẽ là phòng thí nghiệm tuyệt vời cho các quan sát tiếp theo của Kính viễn vọng không gian James Webb sắp ra mắt của NASA. Kính viễn vọng không gian Hubble đã giúp các nhà thiên văn học xác định các ngôi sao có thể có cấu trúc hành tinh.
Với Kính viễn vọng không gian Webb, các nhà nghiên cứu có thể nghiên cứu đĩa tiền hành tinh nào xung quanh các ngôi sao không tích tụ vật chất và đĩa nào vẫn còn vật chất có khả năng hình thành hành tinh. Thông tin về 1.500 ngôi sao này sẽ cho phép các nhà thiên văn học lập bản đồ về cách các hệ thống sao phát triển và tiến hóa. Kính viễn vọng không gian Webb cũng có thể nghiên cứu thành phần hóa học của các đĩa tiền hành tinh ở các giai đoạn tiến hóa khác nhau, quan sát cách chúng thay đổi và giúp các nhà thiên văn học xác định vai trò của môi trường trong quá trình tiến hóa của chúng.
Bác Khắc Nguyên | Nghiên cứu/Từ: Trung tâm bay vũ trụ Goddard của NASA
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Astrophysics
DOI: 10.3847/1538-4357/ab7372
BoKeYuan｜Khoa học, công nghệ, nghiên cứu, khoa học phổ thông
Theo dõi [Bokeyuan] để xem thêm nhiều khoa học vũ trụ đẹp hơn
