Va chạm hành tinh: bức tranh thô bạo nhưng trung thực về hình thành hành tinh
Va chạm hành tinh là những cú đụng độ dữ dội giữa các thiên thể lớn, nơi năng lượng khổng lồ làm nóng chảy, bốc hơi vật chất và tạo ra các đám mảnh vụn bụi đá bao quanh sao; chính các quá trình hỗn loạn này được xem là bước đi tất yếu trong giai đoạn đầu hình thành hành tinh đất đá, khi các phôi hành tinh liên tục hợp nhất, phá hủy và tái cấu trúc quỹ đạo trong các hệ sao trẻ. Những vụ va chạm dữ dội giữa các thiên thể kích thước tương đương sao Hỏa vừa được kính viễn vọng không gian James Webb ghi nhận quanh các hệ sao trẻ, và đó không chỉ là một phát hiện thú vị, mà là bằng chứng trực tiếp cho thấy các hệ hành tinh sinh ra trong bạo lực có trật tự. Nghiên cứu do nhà thiên văn học Kate Su thuộc Viện Khoa học Không gian ở Boulder, Colorado, Mỹ dẫn đầu, được công bố trên The Astrophysical Journal.
Kính James Webb nhìn thấy gì trong các "đĩa mảnh vụn cực đoan"?
Điểm nổi bật của nghiên cứu không phải là một bức ảnh ngoạn mục, mà là cách kính James Webb đọc được hóa học của bụi vũ trụ. Nhóm nghiên cứu kết hợp dữ liệu quang phổ hồng ngoại từ kính James Webb (JWST) với dữ liệu lưu trữ của kính Spitzer để phân tích 21 "đĩa mảnh vụn cực đoan" (extreme debris disks – EDD). Đây là những hệ thống chứa lượng lớn bụi ấm, có độ sáng hồng ngoại biến đổi bất thường – dấu hiệu cho thấy bụi liên tục được tạo ra từ các va chạm hành tinh quy mô lớn. Theo mô tả, EDD là một nhóm đặc biệt hiếm, khi các nhà khoa học ước tính chỉ khoảng 1% sao trẻ có dấu hiệu của giai đoạn này có thể quan sát được. Con số nhỏ đó lại là lợi thế: nó nói rằng chúng ta đang bắt gặp các hệ sao đúng vào thời điểm hỗn loạn nhất, khi quá trình hình thành hành tinh đang ở cao trào, chứ không phải giai đoạn ổn định đã qua lâu.
Silica, forsterite và dấu tay hóa học của những cú va chạm cỡ sao Hỏa
Điểm thuyết phục nhất trong kết quả là cách khoáng vật trong bụi chia các hệ sao trẻ thành hai "câu chuyện" khác nhau. Khoảng một phần ba mẫu nghiên cứu giàu silica; NASA cho biết đặc điểm này phù hợp với các vụ va chạm năng lượng cao giữa những thiên thể có kích thước tương đương sao Hỏa, trong đó một phần đáng kể vật chất bị nung nóng, nóng chảy hoặc bốc hơi. Nói cách khác, khi kính James Webb thấy bụi silica rất nhỏ, nó đang nhìn thấy hậu quả của những cú đập trời giáng giữa các thiên thể cỡ sao Hỏa – đúng loại va chạm có thể tạo nên hoặc phá hủy hành tinh đất đá. Ngược lại, nhóm thứ hai nghèo silica và giàu forsterite, một khoáng vật thuộc nhóm olivine. Thành phần này gợi ý những va chạm nhỏ hơn, kiểu sượt qua giữa các thiên thể cỡ Mặt Trăng, cho thấy không phải mọi hệ sao trẻ đều trải qua cùng một mức độ bạo lực.
Hệ sao trẻ như phòng thí nghiệm cho lịch sử Hệ Mặt Trời
Điều khiến các quan sát này quan trọng với chúng ta là mối liên hệ trực tiếp đến Hệ Mặt Trời. Tất cả các EDD giàu silica trong mẫu đều nằm quanh những ngôi sao trẻ hơn 300 triệu năm tuổi. Điều này phù hợp với nhận định rằng các hành tinh đất đá hình thành chủ yếu trong vài trăm triệu năm đầu của một hệ sao. Giới khoa học từ lâu đưa ra giả thuyết rằng khoảng 100 triệu năm sau khi Mặt Trời hình thành, một thiên thể cỡ sao Hỏa, thường được gọi là Theia, đã va chạm với Trái Đất sơ khai. JWST không quan sát trực tiếp một vụ va chạm kiểu Theia, nhưng bằng cách phân tích bụi trong các hệ sao trẻ khác, kính giúp nhận diện dấu hiệu của những va chạm tương tự về quy mô và năng lượng. Các nhà khoa học cho rằng Hệ Mặt Trời có thể từng trải qua nhiều giai đoạn tương tự những EDD được quan sát hiện nay, biến các hệ sao trẻ thành phòng thí nghiệm tự nhiên để kiểm tra lại các mô hình lịch sử của chính chúng ta.
Kết luận: Hình thành hành tinh là nghệ thuật của những cú va chạm đúng lúc, đúng chỗ
Nhìn từ xa, các hệ sao trẻ với đĩa mảnh vụn cực đoan có vẻ hỗn loạn: bụi ấm dày đặc, độ sáng hồng ngoại thay đổi thất thường, khoáng vật bị nung chảy rồi bốc hơi. Nhưng chính sự hỗn loạn đó là cơ chế tinh chỉnh cấu trúc hệ hành tinh. Những va chạm hành tinh giữa thiên thể cỡ sao Hỏa không phải là tai nạn hiếm hoi, mà là phần tất yếu của quá trình hình thành hành tinh đất đá – bao gồm cả Trái Đất và Mặt Trăng. Những dữ liệu mới từ JWST vì vậy giúp bổ sung một góc nhìn về cách các vụ va chạm lớn góp phần hình thành và phá hủy các thiên thể đá trong giai đoạn đầu của hệ hành tinh. Nếu muốn hiểu vì sao Hệ Mặt Trời có diện mạo như hôm nay, chúng ta không thể chỉ nhìn vào quỹ đạo hiện tại; phải chấp nhận rằng lịch sử của nó được viết bằng những cú va chạm khổng lồ mà James Webb đang bắt đầu đọc lại cho chúng ta.
