Elias 2-24 b: Hành tinh trẻ lộ diện giữa đĩa khí và bụi

Một điểm sáng mờ nằm đúng trong khoảng trống của đĩa khí và bụi quanh sao Elias 2-24, cách Trái Đất khoảng 450 năm ánh sáng. Theo phân tích từ nhiều đài quan sát, đó là Elias 2-24 b, một hành tinh có khối lượng gần bằng sao Mộc và chưa đầy một triệu năm tuổi. Vị trí ấy đặc biệt quan trọng: hành tinh có thể đang hút vật chất và góp phần khoét đường đi ngay trong chiếc đĩa đã sinh ra nó. Câu hỏi không chỉ là làm sao nhìn thấy một thế giới bị bụi che phủ, mà còn là bằng cách nào một hành tinh khổng lồ có thể xuất hiện sớm đến vậy. [1]

Vì sao khoảng trống là dấu vết đáng chú ý?

Các ngôi sao hình thành trong những đám khí và bụi quay cuộn. Phần vật chất còn lại quanh sao tạo thành một đĩa, nơi các hạt và khối vật chất có thể kết tụ thành hành tinh. Khi một hành tinh lớn tương tác với môi trường này, nó có thể gom vật chất và làm thay đổi cấu trúc đĩa. Vì thế, một khoảng trống không tự động chứng minh rằng hành tinh tồn tại, nhưng là vị trí hợp lý để bắt đầu tìm kiếm. [1]

Khoảng một thập niên trước khi Elias 2-24 b được xác nhận, ALMA, hệ thống kính thiên văn vô tuyến tại Chile, đã quan sát thấy một khoảng trống trong đĩa bụi quanh sao trẻ Elias 2-24. Sau đó, Very Large Telescope cũng tại Chile ghi nhận một điểm sáng yếu nằm trong khoảng trống này. Hai dấu hiệu khớp nhau về vị trí, song điểm sáng vẫn có thể là một vật thể nền xa hơn hoặc một sai lệch của ảnh. [1]

Điều khiến trường hợp này trở nên thuyết phục là hành tinh được tìm thấy đúng nơi nó được dự đoán có thể đang tạo ảnh hưởng lên đĩa. Tuy vậy, chiều suy luận phải được giữ rõ: khoảng trống dẫn các nhà thiên văn đến điểm sáng, còn việc xác nhận điểm sáng là hành tinh cần thêm bằng chứng về cách nó chuyển động theo thời gian. [1]

Làm sao nhìn xuyên vùng chói quanh sao trẻ?

Khó khăn lớn nhất không đơn thuần là khoảng cách. Sao mẹ sáng hơn rất nhiều so với một hành tinh đang hình thành, trong khi khí và bụi quanh hệ còn làm hình ảnh trở nên phức tạp. Phương pháp quá cảnh, vốn nhận biết độ sáng của sao giảm khi hành tinh đi ngang phía trước, cũng khó phát huy tác dụng nếu hành tinh nằm sâu trong đĩa hoặc quay ở quỹ đạo xa. [1]

Nhóm do Andrea Bernardi dẫn đầu sử dụng các quan sát lưu trữ từ W. M. Keck Observatory ở Hawaii. Những quan sát này được thực hiện bằng thiết bị che ánh sáng sao, hay coronagraph. Công cụ đó chặn phần ánh sáng áp đảo từ ngôi sao trong trường nhìn, nhờ vậy các nguồn sáng mờ ở vùng lân cận có cơ hội hiện ra rõ hơn. Nó không làm bụi biến mất, nhưng giảm một trở ngại chính khi tìm hành tinh cạnh sao sáng. [1]

Có thể hình dung thao tác này giống như dùng tay che một bóng đèn để nhận ra vật mờ đặt gần đó. So sánh chỉ mô tả vai trò của việc giảm ánh sáng chói; dữ liệu thiên văn vẫn phải được xử lý và đối chiếu cẩn thận. Trong trường hợp Elias 2-24, coronagraph giúp ghi lại điểm sáng ở giới hạn mà các kính thiên văn hiện có có thể phát hiện. [1]

Dữ liệu lưu trữ đã biến điểm sáng thành hành tinh ra sao?

Một ảnh đơn lẻ chỉ cho biết có ánh sáng xuất hiện tại một vị trí. Nó chưa cho biết nguồn sáng ấy thuộc hệ Elias 2-24 hay chỉ tình cờ nằm cùng hướng nhìn từ Trái Đất. Nhóm nghiên cứu vì thế tìm lại điểm sáng trong kho dữ liệu của Keck và nhận ra nó trong các quan sát từ năm 2018 và 2020. [1]

Khi ghép các lần quan sát, các nhà thiên văn có thể theo dõi vị trí của điểm sáng qua thời gian. Chuyển động thu được phù hợp với một hành tinh hơn là một lỗi tạo ảnh hoặc ngôi sao ở hậu cảnh. Đây là mắt xích giúp xác nhận Elias 2-24 b: không phải một bức ảnh nổi bật riêng lẻ, mà là sự nhất quán giữa vị trí trong khoảng trống, tín hiệu ánh sáng và chuyển động ở nhiều thời điểm. [1]

Phát hiện cũng cho thấy giá trị của dữ liệu lưu trữ. Một quan sát có thể chưa đủ sức giải quyết câu hỏi vào lúc nó được thực hiện, nhưng khi đặt cạnh dữ liệu từ thiết bị khác và từ những năm khác, nó trở thành một phần của phép kiểm tra dài hạn. ALMA chỉ ra cấu trúc đĩa, Very Large Telescope thấy điểm sáng, còn chuỗi quan sát Keck giúp phân biệt hành tinh với các khả năng gây nhầm lẫn. [1]

Vì sao tuổi của Elias 2-24 b gây bất ngờ?

Elias 2-24 b được xác định là chưa đầy một triệu năm tuổi. Trước đó, nhóm các hành tinh trẻ giữ kỷ kỷ lục gồm hai hành tinh quanh PDS 70 và hai hành tinh quanh WISPIT 2, đều trên 5 triệu năm tuổi. Khoảng cách giữa hai mức tuổi không chỉ làm thay đổi thứ hạng; nó mở thêm một giai đoạn rất sớm mà giới thiên văn trước đây khó quan sát trực tiếp. [1]

Vấn đề càng rõ khi xét vị trí của hành tinh. Điểm sáng quanh Elias 2-24 nằm cách sao mẹ một khoảng tương đương 55 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời. Trong khi đó, các mô hình hiện hành dự đoán một hành tinh cỡ sao Mộc ở khoảng cách quỹ đạo của sao Mộc cần khoảng 5 triệu năm để hình thành, và quá trình còn lâu hơn nếu diễn ra xa sao hơn. [1]

Như vậy, thách thức nằm ở sự kết hợp của ba đặc điểm: hành tinh rất trẻ, có khối lượng gần sao Mộc và ở xa sao mẹ. Mỗi đặc điểm đều liên quan đến tốc độ gom vật chất trong đĩa. Khi cả ba cùng xuất hiện, mô hình phải giải thích được vì sao vật chất có thể tập hợp thành một hành tinh khổng lồ nhanh như vậy tại vùng quỹ đạo rộng. [1]

Phát hiện này đặt lại câu hỏi nào về hành tinh khổng lồ?

Cách giải thích được nêu cho Elias 2-24 b là hành tinh vẫn đang lớn lên nhờ bồi tụ, tức tiếp nhận vật chất từ đĩa khí và bụi xung quanh. Việc nó nằm trong một khoảng trống phù hợp với ý tưởng hành tinh vừa hút vật chất vừa tác động lên vùng lân cận. Đây là diễn giải gắn các dấu hiệu quan sát thành một bức tranh thống nhất, không có nghĩa mọi khoảng trống trong mọi đĩa đều do hành tinh tạo ra. [1]

Các mô hình hình thành hành tinh kết hợp lý thuyết, mô phỏng và quan sát những sao trẻ có đĩa. Elias 2-24 b cho thấy một số quá trình quan trọng có thể chưa được mô tả đầy đủ, bởi mô hình vốn đã gặp khó với các hành tinh trên 5 triệu năm tuổi, nay phải đối mặt với một thế giới còn trẻ hơn nhiều. Câu hỏi cần giải quyết là vật chất di chuyển, tích tụ và nuôi một hành tinh khổng lồ nhanh đến mức nào trong đĩa non trẻ. [1]

Giá trị sâu hơn của Elias 2-24 b nằm ở việc nó được quan sát ngay trong môi trường hình thành, thay vì chỉ xuất hiện như một hành tinh đã trưởng thành. Khoảng trống không còn là dấu vết gián tiếp đứng riêng, còn điểm sáng không chỉ là một chấm khó hiểu. Khi cấu trúc đĩa và chuyển động của vật thể được nối lại, các nhà thiên văn có thể bắt đầu kiểm tra quá trình hình thành hành tinh trong lúc quá trình ấy dường như vẫn tiếp diễn. [1]