Logo Thư Viện Vật Lý
Banner Thư Viện Vật Lý

Các công thức chế biến hành tinh (tiếp theo và hết)
Người đăng: Trần Nghiêm   
09/11/2009

Michael R. Meyer (Physics World, tháng 11/2009) - Xem phần 1

Nghệ thuật xào nấu cao cấp

Tuy nhiên, những tiền hành tinh đang hình thành chỉ là bước đầu tiên. Nếu bạn muốn hình thành một hành tinh khí khổng lồ, bạn cần phải xây dựng một cái lõi cỡ chừng 1-10 khối lượng Trái đất trước khi đĩa khí biến mất. Từ 0,1 đến 10 triệu năm sau khi cái đĩa trên hình thành, mật độ khối lượng mặt của nó sản xuất giảm vì vật chất bị mất vào ngôi sao ở giữa, và vì bán kính ngoài của đĩa tăng lên do vật chất phân tán ra để bảo toàn xung lượng góc. Đồng thời, bức xạ tử ngoại năng lượng cao và tia X phát ra ngôi sao trẻ có thể làm phân li các phân tử và ion hóa các nguyên tử, chúng có thể giải phóng một số vật chất có động năng đủ mức để thoát ra khỏi hệ hoàn toàn. Quá trình này được gọi là quang bay hơi. Các quan sát cho thấy cái đĩa khí thường sẽ biến mất trong vòng 10 triệu năm – cho nên cánh cửa cho sự hình thành các hành tinh giàu chất khí khá ngắn ngủi xét theo các tiêu chuẩn thiên văn.

 

Bốn chiếc kính thiên văn quang học/hồng ngoại 8,2 m tạo nên trận địa Kính thiên văn Rất lớn tại Đài thiên văn Paranal, Chile, có thể phân biệt những vật thể 4 tỉ lần mờ hơn so với cái mắt trần có thể trông thấy. Ảnh: ESO

Tuy nhiên, nếu bạn có thể tạo ra phần lõi của hành tinh khí khổng lồ của bạn đủ nhanh, thì bạn có thể kích hoạt sự bồi tụ nhanh của chất khí, dẫn tới sự hình thành một hành tinh khổng lồ. Nhưng ngay cả khi đó, hành tinh khí khổng lồ của bạn có thể vẫn không an toàn! Hành tinh ấy có thể bị kéo lê theo đĩa bồi tụ sền sệt kia theo mộ kiểu quá trình di cư khác, gọi là di cư loại II. Nếu điều này xảy ra, hành tinh của bạn có thể đi đến “đỗ lại” trong phần đĩa ở sâu bên trong (giống như cái gọi là Mộc tinh nóng người ta tìm thấy ở rất gần ngôi sao chủ của chúng) hoặc thậm chí bị đẩy vào chính ngôi sao trẻ ấy.

Toàn bộ những hoạt động mạnh mẽ và năng động này có tác động nổi bật lên hóa học của cái đĩa và do đó lên thành phần của các hành tinh hình thành ở bất cứ chỗ đặc biệt nào.  Hans Peter Gail ở trường Đại học Heidelberg và các cộng sự đã tính toán được rằng ở nhiệt độ trên 800 K, các phân tử hydroxide giúp chuyển hóa các chất rắn giàu cacbon thành những dạng khác, làm giảm thành phần cacbon của chúng trong quá trình trên. Các nguyên tử cacbon “tự do” này nhanh chóng phản ứng với đĩa khí giàu oxygen, hình thành nên cacbon monoxide.

Phân tử khí này có thể hoặc là bồi tụ lên ngôi sao trẻ, hoặc là quang bay hơi ra bên ngoài. Cho dù xảy ra trường hợp nào thì hàm lượng cacbon trong khối rắn hình thành nên hành tinh đều giảm, điều này có thể giải thích vì sao tỉ số cacbon-trên-silicon của các hành tinh đất đá quá khác so với tỉ số đó tìm thấy ở Mặt trời. Nhưng việc định lượng độ lớn của bí ẩn này yêu cầu chúng ta phải biết sự đa dạng nguyên tố trên Mặt trời với độ chính xác cao, và những kết quả này hiện đang tràn ngập, thấu hiểu bởi các mô hình mới của phổ mặt trời do Martin Asplund thuộc Viện Thiên văn Vật lí Max Planck ở Đức và các cộng sự phát triển.

Về nguyên tắc, việc hình thành một hành tinh cỡ Trái đất qua các va chạm sẽ dễ hơn nhiều so với hình thành một hành tinh khí khổng lồ (cái đòi hòi hình thành nên lõi hành tinh trước khi chất khí biến mất), cho bạn khả năng giải bài toán chất khí kéo theo và sự di trú loại I của các chất rắn. Theo các mô hình của John Chambers tại Viện Carnegie ở Washington, Scott Kenyon thuộc Trung tâm Thiên văn Vật lí Harvard-Smithsonian và những người khác, thì sẽ mất khoảng đâu đó chừng 10 đến 100 triệu năm để hình thành ên một hành tinh với khối lượng cỡ Trái đất ở bán kính chưa tới 3 AU. Nếu quá trình này tỏ ra phổ biến, thì nó sẽ dẫn đến sự dồi dào các hành tinh đất đá trong thiên hà – chứ chưa nói tới toàn thể vũ trụ.

Cuối cùng, trong khi dường như khá dễ tạo ra các hành tinh “siêu Trái đất” với khối lượng lớn hơn Trái đất vài lần – những hành tinh như thế đã được quan sát thấy đang quay xung quanh chừng 30% các ngôi sao trong chương trình kháoats HARPS do Đài thiên văn Geneva đứng đầu – thì có thể có một “khe trống khối lượng” khiến khó hình thành những hành tinh nhẹ hơn Thổ tinh nhưng nặng hơn Hải vương tinh. Một khe trống như thế đã được tiên đoán trong các mô hình của Shigeru Ida thuộc trường Đại học Tokyo, Doug Lin thuộc trường Đại học California, Santa Cruz, cũng như Willy Benz ở trường Đại học Bern và các đồng sự. Chúng ta vẫn thiếu một công thức có sức thuyết phục cho sự hình thành những hành tinh băng giá khổng lồ trong hệ mặt trời của chúng ta.

Nhìn ra bên ngoài

May thay, những quan sát mới về các hành tinh ngoại đang diễn ra ngày một nhanh chóng và dồn dập. Càng lúc chúng ta càng học được nhiều điều về thành phần của chúng - và, trong một vài trường hợp, cả cấu trúc hệ hành tinh của chúng. Hành tinh ngoại đầu tiên được tìm thấy đang quay xung quanh một ngôi sao giống như Mặt trời được phát hiện ra vào giữa thập niên 1990, bởi Michel Mayor ở Đài thiên văn Geneva và các cộng sự, họ đã sàng lọc qua quang phổ sao nhằm tìm kiếm sự dịch chuyển Doppler trong các vạch phổ hấp thụ của các nguyên tử và phân tử. Những dịch chuyển ấy có thể phát sinh do chuyển động lắc lư của ngôi sao phản ứng với lực hút hấp dẫn của một hành tinh ở gần. Sử dụng kĩ thuật này, các nhà nghiên cứu tìm thấy ngôi sao 51 Pegasi có một hành tinh đồng hành cỡ Mộc tinh nằm tại một bán kính quỹ đạo đưa nó tiến gần ngôi sao của nó hơn với Thủy tinh trong hệ Mặt trời.

Kể từ đó, hàng trăm hành tinh ngoại đã được phát hiện ra bởi các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới, sử dụng kĩ thuật “vận tốc hướng tâm” (RV) này, nhiều hành tinh trong các hệ đa hành tinh thỉnh thoảng nằm trong quỹ đạo cộng hưởng với nhau. Biết được chu kì quỹ đạo và vận tốc cực đại quan sát thấy đối với một hệ, người ta có thể suy luận ra khối lượng của hành tinh (giả sử đã biết khối lượng của ngôi sao). Thường thì độ nghiêng chưa rõ của quỹ đạo mang đến một số thứ nhập nhằng, vì vận tốc quan sát thấy chỉ là thành phần chuyển động chiếu lên đường nhìn.

Đối với các hệ sao-hành tinh xuất hiện trước tầm nhìn gần như ngay mép rìa từ phía Trái đất, tính không rõ ràng trục nghiêng này không còn. Quan trọng hơn, trong những hệ như vậy, các nhà thiên văn có thể quan sát phần đĩa không trong suốt của hành tinh khi nó đi qua phía trước bề mặt phát sáng của ngôi sao. Những quan trắc chính xác của những lần đi qua này cho phép các nhà thiên văn đo được bán kính tương đối của hành tinh và ngôi sao, đồng thời các biến thiên khoảng thời gian trong thời kì đó có thể tiết lộ các nhiễu loạn quỹ đạo báo hiệu sự có mặt của những hành tinh khác. Biết khối lượng của hành tinh từ các quan sát vận tốc và bán kính từ những sự đi qua ấy, người ta có thể suy ra mật độ khối của hành tinh. Phạm vi quan sát tính cho đến nay thật đáng ngạc nhiên, biến thiên hơn 20 lần, cho thấy các hệ hành tinh hình thành, cũng như tiến hóa, theo những cách khác nhau. Trong xưởng bánh mì thiên hà, bạn có thể tìm thấy mọi thứ từ các hành tinh “thiên sứ” kiểu như TrES 3 nổi trong nước cho dến các hành tinh “bánh trái cây” đặc sẽ chìm trong nước giống như đá (ví dụ COROT 7b).

Một kĩ thuật nữa dùng trong mô tả đặc trưng các hành tinh ngoài hệ mặt trời được phát triển tiên phong bởi các nhà khoa học nghiên cứu số liệu từ kính thiên văn vũ trụ Spitzer và Hubble. Bằng cách chia sự phát xạ của hệ sao-hành tinh thành sự phát xạ của riêng ngôi sao, khi hành tinh đi qua phía sau nó, chúng ta có thể phát hiện ra những hành tinh ngoài hệ mặt trời một cách trực tiếp, thay vì suy ra sự tồn tại của chúng từ sự chao đảo hấp dẫn của ngôi sao chủ của chúng. Hồi năm ngoái, các nhà thiên văn còn xem xét những bức ảnh chụp trực tiếp đầu tiên của những hành tinh ngoại từ kính thiên văn mặt đất lẫn kính thiên văn vũ trụ. Những phát hiện trực tiếp này mang lại thông tin độc nhất vô nhị về nhiệt độ và thành phần của những thế giới mới này. Đối với những hành tinh nằm xa ngôi sao chủ của chúng, xa đến mức nguồn quỹ năng lượng của chúng không bị thống trị bởi “ánh sáng sao” mà chúng nhận được, các quan sát phổ phát xạ của các hành tinh đã cung cấp các ước tính năng lượng nội tại của bản thân các hành tinh – một ràng buộc quan trọng đối với các mô hình về sự hình thành và tiến hóa của chúng.

Tương lai của các hành tinh ngoại


Với gương chính có đường kính 42 m, Kính thiên văn Cực Lớn châu Âu sẽ đủ nhạy để phát hiện ra những hành tinh kiểu Mộc tinh và có lẽ cả những hành tinh kiểu Trái đất đang quay xung quanh những ngôi sao khác. Ảnh: ESO

Dưới sự chỉ dẫn của kĩ thuật RV, và gần đây được cách mạng hóa trở lại bởi những phát hiện sự đi qua, ngành khoa học nghiên cứu hành tinh ngoại đã phát triển nhanh chóng khi các kĩ thuật chụp ảnh trực tiếp, vi thấu kính và trắc sao đã trở thành thủ tục hàng ngày. Sự khám phá ra những hành tinh ngoại mới từ mặt đất và không gian sẽ tiếp tục tăng tốc. Trong năm nay, sứ mệnh Kepler của NASA đã hợp nhất với sứ mệnh chung CNES/Cơ quan Không gian châu Âu, CoRoT, trong việc tiến hành những cuộc khảo sát sự đi qua từ trên không gian. Vệ tinh MOST của Canada và dự án EPOCh của NASA, cùng với các kính thiên văn Hubble và Spitzer, sẽ tiếp tục đóng góp qua những quan trắc sự đi qua chuyên dụng.

Trong khi Kepler có khả năng xác định tần số của các hành tinh đất đá trong vòng 1 AU xung quanh các ngôi sao giống Mặt trời, thì những cuộc khảo sát vi thấu kính có thể cung cấp các thống kê về tần số của các hành tinh đá nhỏ cỡ Hỏa tinh trong khoảng cách 1 – 10 AU. Thật trêu ngươi, các thiết bị đang phát triển cho những chiếc kính thiên văn lớn nhất thế giới có lẽ có khả năng, chỉ vừa vặn, trông thấy các hành tinh kiểu Trái đất đang quay xung quanh một số ngôi sao ở gần. Trong thời gian vài ba năm, Kính thiên văn vũ trụ James Webb của NASA sẽ mang lại những khả năng hồng ngoại không có tiền lệ ở độ phân giải góc tăng thêm so với Spitzer. Nhiều sứ mệnh không gian mới trên cơ sở trắc sao, nhật hoa phổ, vi thấu kính, và truyền qua đang phát triển có thể đặt nền tảng cho những khám phá trong tương lai. Việc đạt tới mục tiêu tối hậu của chúng ta là thu được những bức ảnh và phổ của các hành tinh đất đá quay xung quanh những ngôi sao ở gần sẽ đòi hòi phát triển những thiết bị mới cho một thế hệ tương lai của những thiết bị cực lớn đặt trên mặt đất, ví dụ như Kính thiên văn Cực Lớn của châu Âu, cũng như các kính thiên văn vũ trụ phức tạp sẽ được xây dựng trên di sản phong phú của sự khám phá.

Khi chúng ta tăng thêm số lượng hành tinh ngoại đã biết rõ mật độ khối, thành phần khí quyển, khối lượng và vị trí quỹ đạo, và đang quay xung quanh các ngôi sao với nhiều tính chất đa dạng, thì chúng ta sẽ bắt đầu hiểu được cần có những yếu tố gì để tạo ra các hành tinh phong phú mà chúng ta đã khám phá ra. Với những công cụ mới này, sẽ thật ngạc nhiên khi thấy cái đang xào nấu xung quanh những ngôi sao kiểu Mặt trời trong thiên hà của chúng ta. Nếu những hệ này mang lại bất cứ sự tương đồng nào với sự đa dạng của những kết cục từ phần thừa lại trong tủ lạnh nhà tôi, thì chúng có lẽ đang nhìn chằm chằm sau gáy chúng ta.

Xào nấu các hành tinh ngoại

Số liệu thống kê của những khám phá hành tinh ngoại tiết lộ một số chiều hướng thú vị. Andrew Cumming thuộc trường Đại học McGill và các cộng sự mới đây đã tiến đoán rằng khoảng 20% các ngôi sao kiểu Mặt trời hóa ra sẽ có các hành tinh khí khổng lồ. Tiên đoán của họ dựa trên cơ sở ngoại suy tần số và phân bố khối lượng của các hành tinh (như đã quan sát với các phép đo vận tốc hướng tâm) quay trên quỹ đạo trong vòng 3 AU tính từ ngôi sao chủ của cúng với bán kính quỹ đạo từ 3 đến 20 AU (1 AU là khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời). Tuy nhiên, có một số yếu tố có thể làm tăng thêm lợi thế của những bếp trưởng sẽ-là-hành-tinh-khí-khổng-lồ. Ví dụ, những cái đĩa quay xung quanh những ngôi sao nặng hơn thì to hơn, do đó, làm cho quá trình hình thành một lõi hành tinh khí khổng lồ dễ dàng hơn, ít nhất là trên nguyên tắc. Mặt hạn chế là những cái đĩa quay xung quanh những ngôi sao như vậy không tồn tại được lâu: mối liên hệ giữa những kết cục trông đợi từ các mô hình hình thành hành tinh là hàm của khối lượng sao là không rõ ràng. Như thế, dường như những ngôi sao khối lượng lớn hơn hình thành nên những hành tinh lớn hơn ở bán kính quỹ đạo lớn hơn so với những ngôi sao khối lượng nhỏ hơn.

Mặt khác, đối với những cái đĩa cực nặng có thể nguội đi rất hiệu quả ở bán kính lớn, các mô hình của Lucio Mayer thuộc trường Đại học Zurich và những người khác cho thấy các bếp trưởng hành tinh có thể tránh qua nhiều vấn đề hình thành lõi đối với những hành tinh khí lớn, và thay vào đó tạo ra những hành tinh khổng lồ thông qua sự mất cân bằng hấp dẫn tức thời. Nhưng sự khan hiếm những hành tinh khí khổng lồ quan sát thấy ở bán kính lớn bằng các kính thiên văn mặt đất (ví dụ như Kính thiên văn Rất Lớn, Gemini, Keck, và Kính thiên văn Gương bội) cho thấy những trường hợp được điều chỉnh tinh vi như thế có lẽ tương đối hiếm. Tuy nhiên, có một vài phản thí dụ thật lạ lùng, trong đó có những bức ảnh mới đây của các hành tinh quay xung quanh những ngôi sao ví dụ như HR 8799, Fomalhaut và Beta Pictoris.

Còn hấp dẫn hơn nữa là thực tế trong khí quyển của một ngôi sao càng phong phú nguyên tố nặng, thì nó càng có khả năng có một hành tinh khí khổng lồ kiểu như Mộc tinh. Điều này phù hợp với một lí thuyết đã biết của sự hình thành hành tinh khí khổng lồ, nó đòi hỏi một lõi đá hình thành khi một vị trí tạo hạt nhân cho các hành tinh khổng lồ xuất hiện trong những cái đĩa giàu chất khí. Với độ chính xác vận tốc của những phép đo RV đạt tới 10 cm/s (chậm hơn 20 lần so với tốc độ đi bộ trung bình điển hình của một người), các hành tinh nhỏ cỡ vài lần khối lượng Trái đất đã được nhận ra đang quay xung quanh một số ngôi sao tĩnh lặng kiểu Mặt trời. Như đối với quy luật những hành tinh khí khổng lồ càng có khả năng hình thành ở xung quanh những ngôi sao kiểu Mặt trời với nhiều nguyên tố nặng, còn có bằng chứng cho thấy có thể phá vỡ quy luật cho những hành tinh nhỏ hơn hình thành xung quanh những ngôi sao khối lượng nhỏ hơn.

Michael R. Meyer là người đứng đầu Nhóm nghiên cứu hình thành sao và hành tinh tại Viện Thiên văn học, Đại học Zurich, Thụy Sĩ.

Theo Physics World, tháng 11/2009

 
Downlaod video thí nghiệm

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm


ABC Trắc Nghiệm Vật Lý
Cầu vồng   |   Đăng nhập Đăng nhậpnew
Đang online (66)