Hai vòng của Chariklo đổi khác ra sao chỉ sau vài năm?

Ngày 18 tháng 10 năm 2022, Chariklo đi ngang trước một ngôi sao xa đúng lúc Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) theo dõi. Ánh sao bị hai vòng hẹp quanh thiên thể này chặn lại trong những khoảnh khắc ngắn. Khi so sánh tín hiệu với các lần quan sát trong thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu nhận thấy vòng trong cản sáng mạnh hơn, còn vòng ngoài cản ít hơn. Hai vòng quanh cùng một thiên thể dường như đã đổi khác theo hai hướng trái ngược chỉ sau vài năm. [1]

Phép đo chưa cho biết chính xác điều gì đã gây ra thay đổi. Đây có thể là dấu hiệu các vòng đang thực sự tiến hóa, là ảnh hưởng từ những bộ lọc quan sát khác nhau, hoặc là kết quả của cả hai yếu tố. Tuy vậy, phát hiện đã đặt lại một câu hỏi quan trọng: những hệ vòng nhỏ vốn được xem là tương đối ổn định có thể biến động nhanh đến mức nào? [1]

Vì sao Chariklo là một trường hợp đặc biệt?

Chariklo là một thiên thể nhỏ, đường kính khoảng 250 km, chuyển động trong vùng giữa quỹ đạo Sao Thổ và Sao Thiên Vương. Năm 2013, các nhà thiên văn phát hiện nó có hai vòng đặc. Trước đó, vòng thường được gắn với bốn hành tinh khổng lồ là Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Chariklo cho thấy một vật thể nhỏ hơn hành tinh rất nhiều cũng có thể giữ vật chất thành những dải vòng riêng biệt. [1]

Chính kích thước nhỏ và khoảng cách xa khiến hệ vòng này khó quan sát. Hai vòng hẹp đến mức ngay cả JWST và các kính thiên văn lớn trên mặt đất cũng không thể tách chúng thành hình ảnh trực tiếp. Vì thế, các nhà nghiên cứu không theo dõi chúng như theo dõi vành Sao Thổ trong một bức ảnh. Họ phải dựa vào cách các vòng làm suy giảm ánh sáng của một nguồn sáng nằm xa hơn ở phía sau. [1]

Ánh sao có thể đo một vòng không nhìn thấy thế nào?

Khi Chariklo đi qua phía trước một ngôi sao theo hướng nhìn từ kính thiên văn, hiện tượng sao che khuất xảy ra. Thân Chariklo chặn ánh sao, còn mỗi vòng gây ra những lần giảm sáng ngắn hơn khi đi qua phía trước ngôi sao. Độ sâu của những lần giảm sáng phản ánh lượng ánh sáng bị vật chất trong vòng ngăn lại. Nhờ đó, các nhà thiên văn có thể khảo sát độ đục và cấu trúc của vòng dù không nhìn thấy từng dải vật chất trên ảnh. [1]

Có thể hình dung bằng một ví dụ: một sợi chỉ lướt qua trước bóng đèn ở xa có thể quá nhỏ để nhìn rõ, nhưng cảm biến đủ nhạy vẫn ghi được khoảnh khắc ánh sáng yếu đi. Với Chariklo, phép đo phức tạp hơn nhiều vì phải biết chính xác đường đi biểu kiến của thiên thể, vị trí ngôi sao và chuyển động của kính thiên văn. Trong sự kiện năm 2022, dữ liệu từ sứ mệnh Gaia của Cơ quan Vũ trụ châu Âu giúp xác định vị trí ngôi sao nền. [1]

Chariklo di chuyển tương đối so với JWST với tốc độ khoảng 2,5 km mỗi giây trong lần che khuất này. Chuyển động tương đối chậm giúp thiết bị lấy được thông tin không gian chi tiết hơn về các vòng. Sự kiện còn là lần đầu một vụ sao che khuất được dự đoán, lên kế hoạch riêng cho JWST và sau đó quan sát thành công bằng kính thiên văn này. [1]

Hai vòng đã biến đổi theo hướng nào?

Nhóm nghiên cứu đối chiếu dữ liệu JWST với những lần sao che khuất được ghi nhận trong khoảng một thập kỷ trước đó. Kết quả cho thấy vòng trong có độ đục cao hơn trong phép đo mới, tức chặn nhiều ánh sao hơn. Vòng ngoài lại có độ đục thấp hơn và để nhiều ánh sáng truyền qua hơn. Điều được đo ở đây là sự thay đổi của tín hiệu che khuất, không phải hình ảnh trực tiếp về các hạt trong vòng. [1]

Hướng thay đổi đối lập là chi tiết đáng chú ý nhất. Nếu hai vòng chỉ cùng chịu một sự sai lệch đơn giản tác động giống nhau, người ta có thể chờ đợi tín hiệu của chúng biến đổi theo cùng hướng. Kết quả hiện có phức tạp hơn: một vòng trở nên đục hơn trong khi vòng kia trở nên trong hơn. Phân tích thống kê của nhóm nghiên cứu xác định những khác biệt quan sát được là có thật, nhưng chưa tách được toàn bộ ảnh hưởng vật lý khỏi ảnh hưởng của phương pháp đo. [1]

Điều gì có thể tạo ra khác biệt?

Một khả năng là hệ vòng đã thực sự tiến hóa giữa các lần quan sát. Khi tính chất hoặc sự phân bố vật chất trong vòng thay đổi, lượng ánh sáng đi qua cũng có thể thay đổi. Trường hợp đó đồng nghĩa vòng trong và vòng ngoài không phải hai dải vật chất đứng yên, mà là những cấu trúc có diễn biến riêng. Tuy nhiên, phép che khuất chỉ ghi nhận kết quả qua ánh sáng; nó chưa trực tiếp cho thấy các hạt đã dịch chuyển hoặc biến đổi theo cơ chế nào. [1]

Khả năng còn lại liên quan đến thiết bị và điều kiện đo. Những lần quan sát được đem so sánh sử dụng các bộ lọc khác nhau, vì vậy mức ánh sáng ghi nhận có thể không hoàn toàn tương đương. Các nhà nghiên cứu cũng để ngỏ phương án cả biến đổi thật của vòng lẫn khác biệt bộ lọc cùng góp phần vào tín hiệu. Do đó, độ đục thay đổi là kết quả quan sát được, còn nguyên nhân vật lý vẫn là câu hỏi chưa có lời giải duy nhất. [1]

Phát hiện thay đổi cách nhìn về các hệ vòng nhỏ ra sao?

Các vòng quanh những vật thể nhỏ trong Hệ Mặt Trời từng thường được xem là cấu trúc tương đối ổn định. Chariklo buộc giả định đó phải được xem xét lại, bởi sự khác biệt xuất hiện trong khoảng thời gian chỉ vài năm. Nếu những biến đổi tiếp theo cũng được ghi nhận, các nhà thiên văn có thể dùng chúng để tìm hiểu vòng hình thành, tiến hóa và duy trì cấu trúc quanh một thiên thể nhỏ như thế nào. [1]

Giá trị của lần quan sát không nằm ở một bức ảnh sắc nét, mà ở những vết giảm sáng rất ngắn của một ngôi sao nền. Từ tín hiệu tưởng như nhỏ bé ấy, JWST cho thấy hai vòng của Chariklo không nhất thiết thay đổi cùng nhau. Phát hiện chưa giải mã cơ chế vận động của hệ vòng, nhưng đã biến Chariklo từ một ngoại lệ có vòng thành một nơi có thể theo dõi sự tiến hóa của vòng qua thời gian. [1]