Các hành tinh lớn đang "âm thầm" hình thành bên ngoài Hệ mặt trời

Mới đây, kính viễn vọng ALMA đã phát hiện thấy rất nhiều nhóm ánh sáng có dạng đĩa, là loại vật chất hình thành các hành tinh. Nhờ đó, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về sự hình thành của các hành tinh nằm ngoài Hệ mặt trời.

Trước tiên, cần phải khẳng định rằng công lớn trong việc phát hiện này thuộc về Hệ thống Kính Thiên văn vô tuyến ALMA, một siêu quần thể kính viễn vọng được khởi công xây dựng từ một thập kỷ trước. Hệ thống được đặt tại cao nguyên Chajnantor tại hoang mạc Atacama, cách thủ đô Santiago của Chile 1.670km về phía bắc với sự phối hợp của Mỹ, Canada, Nhật Bản, Chile và nhiều nước châu Âu.

ALMA đã theo dõi và nắm bắt được tới một loạt 20 hành tinh khổng lồ đang hình thành bên ngoài Hệ Mặt trời.

ALMA là hệ thống kính viễn vọng lớn nhất thế giới được khánh thành vào năm 2013 với tổng kinh phí 1,3 tỷ USD. Ở độ cao 5.000m trên mặt biển, là nơi quanh năm trời quang mây tạnh nên được các nhà khoa học ví như thiên đường cho việc quan sát thiên văn, ALMA có thể quan sát vũ trụ từ những hạt bụi và khí hình thành nên các ngôi sao, các hành tinh cho tới cả những bức xạ còn sót lại trong vụ nổ lớn Big Bang.

Đây là một công cụ siêu mạnh giúp nghiên cứu các ngôi sao nguyên thủy hình thành từ hàng tỷ năm trước và cho phép các nhà khoa học vươn tới các dải thiên hà xa xôi hình thành nên rìa của vũ trụ cách đây cả 10 tỷ năm.

ALMA là quần thể kính viễn vọng vô tuyến với 66 ăng ten được nối với nhau bằng cáp quang, toàn bộ dữ liệu thu hoạch sẽ được kết hợp với siêu máy tính nhanh nhất thế giới khiến ALMA có khả năng thực hiện tới 17.000 tỷ hoạt động mỗi giây.

Ảnh do nhà thiên văn Miguel Claro chụp qua kính thiên văn ALMA đúng lúc thiên hà Milky Way tức Ngân Hà của chúng ta, vô tình lọt vào ống kính, có đầy đủ sao, khí, bụi, phát sáng tuyệt đẹp, khu vực thẫm màu do dày đặc khí và bụi, thường là nơi sản sinh ra các ngôi sao và hành tinh.

Hiện ALMA được sử dụng để nghiên cứu nguồn gốc các hành tinh, sao, thiên hà và vũ trụ với độ phân giải hình ảnh gấp 10 lần kính thiên văn Hubble. Nhờ khả năng bắt sóng ăng ten lợi thế hơn so với các kính thiên văn quang học nắm bắt ánh sáng qua kính phản chiếu, do vậy có thể quan sát ánh sáng vũ trụ trên bước sóng nhỏ hơn và lớn hơn milimét, dài hơn 1.000 lần so với các bước sóng ánh sáng nhìn thấy được.

Chính nhờ vậy, mới đây, ALMA đã phát hiện thấy rất nhiều nhóm ánh sáng có dạng đĩa, là loại vật chất hình thành các hành tinh, trong thuật ngữ thiên văn gọi là protoplanetary disk. Và cũng nhờ vậy mà có thể hiểu rõ hơn về sự hình thành của các exoplanet, thuật ngữ trong giới thiên văn chỉ các hành tinh nằm bên ngoài Hệ Mặt trời.

Các nhóm ánh sáng có dạng đĩa này (protoplanetary disk) là những cấu trúc bao gồm các vật liệu và khí bao quanh các ngôi sao ngay sau khi sinh ra. Chính trong các đĩa này, các hạt nhỏ sẽ tập hợp lại để tạo thành các exoplanet. Đây cũng chính là hiện tượng tương tự xảy ra chung quanh mặt trời để sinh ra trái đất và các hành tinh khác của hệ mặt trời. Và chính ALMA đã phát hiện được tới một loạt 20 exoplanet như vậy với đủ các kích thước khác nhau.

Theo nguyên lý, mô hình chính của sự hình thành hành tinh cho rằng các ngôi sao được sinh ra từ sự tích tụ lũy tiến của bụi và khí bên trong một protoplanetary disk. Thoạt tiên, những hạt bụi băng giá nhỏ kết hợp với nhau tạo thành những tảng đá lớn hơn và lớn hơn cho đến khi trở thành các thiên thạch, rồi thành tiểu hành tinh, và cuối cùng là các hành tinh xuất hiện.

Một nhóm trong quần thể ăng ten của ALMA.

Một quá trình như vậy được cho là kéo dài vài triệu năm nhưng ngày càng có nhiều bằng chứng nghiêng về một kịch bản nhanh hơn nhiều. Vì chính những cấu trúc bên trong các exoplanet mà ALMA phát hiện có niên đại chỉ… một triệu năm.

ALMA đã theo dõi và quan sát thấy các vòng xoáy, các rãnh và những khoảng trống, những cấu trúc này chính là các minh chứng cho thấy các hành tinh đã xuất hiện, vì chúng biểu thị sự hiện diện của một khối lượng rất lớn đã tạo ra một lực nhiễu động hấp dẫn gần đó. ALMA cũng cho thấy các exoplanet này có kích cỡ rất lớn, tương đương với… Saturn (sao Thổ) và Neptune (sao Hải Vương).

Các exoplanet cũng có xu hướng hình thành rất xa ngôi sao chủ tới hơn 100 AU (Astronomical Unit, tức đơn vị thiên văn, là khoảng cách của trái đất - mặt trời) vì để chừa lại đủ chỗ cho các thiên thạch nhỏ hơn hình thành.