Hành tinh phượng hoàng tái sinh từ tro tàn của một ngôi sao đã chết

Khi một ngôi sao có khối lượng giống như Mặt Trời đi đến cuối vòng đời, nó sẽ trút bỏ toàn bộ lớp vỏ bên ngoài và sụp đổ thành một sao lùn trắng đặc quánh. Trong nhiều thập kỷ, giới thiên văn học thường coi cái chết của ngôi sao mẹ là hồi kết vĩnh viễn cho toàn bộ hệ hành tinh xoay quanh nó. Tuy nhiên, các phân tích mới từ dữ liệu kính viễn vọng không gian Hubble đối với sao lùn trắng HS 0209+0832 đang mở ra một kịch bản hoàn toàn khác: vật chất bị hất văng trong quá trình diệt vong của ngôi sao có thể kết tụ lại để tạo nên một thế giới mới. Sự xuất hiện của nguyên tố niobium trên bề mặt sao lùn trắng này đã cung cấp bằng chứng thực tế đầu tiên cho hiện tượng hành tinh tái sinh từ tro tàn của ngôi sao, thường được gọi là hành tinh phượng hoàng. [1]

Ẩn số 25 năm trong bầu khí quyển sao lùn trắng

Sao lùn trắng đại diện cho phần lõi vô cùng đặc còn lại sau khi các ngôi sao khối lượng thấp trút bỏ lớp vỏ ở giai đoạn khổng lồ đỏ. Do trọng lực bề mặt cực kỳ lớn, hầu hết các nguyên tố hóa học nặng sẽ nhanh chóng chìm sâu vào tâm, để lại bầu khí quyển nguyên sơ chỉ chứa hai khí nhẹ nhất là hydro và helium. Mặc dù vậy, các quan sát thiên văn ghi nhận khoảng một phần tư đến một nửa số sao lùn trắng lại bị ô nhiễm bởi các nguyên tố cấu tạo nên đá như silicon và sắt. Những nguyên tố này thường đến từ các mảnh vỡ của hành tinh cũ từng bị ngôi sao mẹ nuốt chửng khi phình to. [1]

Trong số các thiên thể bị ô nhiễm, sao lùn trắng HS 0209+0832 luôn là một ẩn số kéo dài nhiều thập kỷ. Khi kính viễn vọng không gian Hubble ghi nhận phổ ánh sáng của nó vào năm 1999, các nhà khoa học đã nhận ra sự tồn tại của một hỗn hợp hóa học bất thường nhưng không thể định danh chính xác nguyên tố nào tạo ra quang phổ đó. Phải trải qua hơn hai thập kỷ nghiên cứu chuyên sâu về cách các nguyên tử xuất hiện trong bầu khí quyển sao, nhóm nghiên cứu do nhà thiên văn học Jamie Williams thuộc Đại học Warwick (Anh) dẫn đầu mới phân tích lại dữ liệu lịch sử này. [1]

Niobium – Dấu vết hiếm từ quá trình bắt neutron chậm

Kết quả phân tích phổ ánh sáng từ Hubble đã mang lại sự ngạc nhiên lớn cho cộng đồng nghiên cứu. Bầu khí quyển của sao lùn trắng HS 0209+0832 chỉ chứa một lượng rất nhỏ silicon và gần như hoàn toàn vắng bóng sắt – vốn là hai thành phần phổ biến trong mảnh vỡ hành tinh đá. Thay vào đó, thiên thể này lại sở hữu một hàm lượng khổng lồ niobium, một kim loại cứng màu trắng bạc vốn hiếm trên Trái Đất và thường được ứng dụng trong công nghệ siêu dẫn, hệ thống tên lửa cũng như trang sức. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học phát hiện ra niobium trong bầu khí quyển của một sao lùn trắng. [1]

Chìa khóa để giải thích cho lượng niobium bất thường này nằm ở nguồn gốc hình thành của chính nguyên tố đó. Niobium được tạo ra thông qua quá trình bắt neutron chậm (s-process), một cơ chế vật lý thiên văn diễn ra chủ yếu ở lớp vỏ của các ngôi sao khổng lồ đỏ khi chúng trút bỏ bầu khí quyển ở giai đoạn cuối đời. Trong quá trình s-process, các hạt nhân sắt ban đầu hấp thụ neutron rồi phân rã qua hàng nghìn năm để biến đổi thành các nguyên tố nặng hơn. Việc phát hiện ra niobium phong phú chứng tỏ vật chất bao quanh sao lùn trắng HS 0209+0832 từng trải qua giai đoạn tiến hóa đặc trưng của sao khổng lồ đỏ. [1]

Kịch bản hình thành hành tinh thế hệ thứ hai từ tro tàn

Giả thuyết về sự tồn tại của các hành tinh thế hệ thứ hai từng được đưa ra từ hơn 15 năm trước nhưng vẫn dừng lại ở mức mô hình lý thuyết. Theo nhà khoa học hành tinh Zifan Lin từ Đại học Washington ở St. Louis, đây là lần đầu tiên giới nghiên cứu ghi nhận được bằng chứng thực nghiệm trực tiếp ủng hộ cho cơ chế hình thành này. Sự hiện diện của niobium cho thấy những mảnh vụn vật chất giàu sản phẩm s-process bị trút ra từ ngôi sao chết đã không bị phân tán hoàn toàn vào không gian liên sao. [1]

Theo kịch bản được đề xuất bởi nhóm của Jamie Williams, dòng vật chất bị ngôi sao khổng lồ đỏ hất văng ra đã tự kết tụ lại thành một hành tinh hoàn toàn mới. Thế giới thế hệ thứ hai này sở hữu bầu khí quyển chứa đầy các nguyên tố sinh ra từ quá trình s-process. Theo thời gian, sao lùn trắng ở trung tâm bắt đầu tác động lực hút trọng lực để hút dần lớp khí quyển từ hành tinh mới thành hình nằm gần nó. Quá trình bồi tụ này vô tình phủ lên bề mặt sao lùn trắng một lớp màng hóa học đặc biệt, lưu lại dấu vết niobium đậm đặc mà thiết bị thiên văn ghi nhận được. [1]

Tín hiệu biến thiên ánh sáng và gã khổng lồ khí tiệm cận

Để tìm kiếm thêm bằng chứng củng cố cho kịch bản hành tinh phượng hoàng, nhóm nghiên cứu đã phân tích dữ liệu quan sát từ kính viễn vọng không gian TESS – thiết bị chuyên săn tìm hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời bằng phương pháp đo độ biến thiên ánh sáng của sao. Kết quả thu được cho thấy độ sáng của sao lùn trắng HS 0209+0832 biến đổi theo một chu kỳ kéo dài khoảng 4,4 ngày. Khoảng thời gian này được xác định là quá chậm để có thể giải thích bằng chuyển động tự quay của bản thân sao lùn trắng. [1]

Nguyên nhân phù hợp nhất cho sự biến thiên độ sáng theo chu kỳ 4,4 ngày chính là sự xuất hiện của một hành tinh khổng lồ khí đang chuyển động trên quỹ đạo ở cự ly rất gần sao lùn trắng. Hành tinh này ước tính chỉ cách ngôi sao mẹ khoảng 6 triệu kilômét, tương đương với 4% khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời. Với thành phần vật chất đặc trưng, nhà nghiên cứu Jamie Williams hình dung thiên thể này giống như một phiên bản màu bạc của Sao Mộc. Dù cần thêm các nghiên cứu xác minh, mô hình hành tinh khổng lồ khí hiện là lời giải thích hợp lý nhất cho dữ liệu quan sát. [1]

Tương lai của Hệ Mặt Trời và triển vọng tìm kiếm sự sống

Phát hiện tại hệ sao HS 0209+0832 làm thay đổi cách hiểu của các nhà khoa học về vòng đời của các hệ hành tinh. Mối liên hệ này gợi mở rằng cái chết của một ngôi sao mẹ không nhất thiết đồng nghĩa với sự kết thúc tuyệt đối của mọi hệ thiên thể xung quanh. Trong tương lai xa, khi Mặt Trời tiêu thụ hết nhiên liệu và biến thành một sao khổng lồ đỏ trước khi co lại thành sao lùn trắng, kịch bản tái sinh tương tự hoàn toàn có thể xảy ra. Dù chưa thể khẳng định Hệ Mặt Trời có hình thành một hành tinh thế hệ thứ hai hay không, khả năng này là hoàn toàn có thể xảy ra về mặt lý thuyết. [1]

Bên cạnh ý nghĩa về mặt tiến hóa thiên thể, việc nghiên cứu các sao lùn trắng bị ô nhiễm vật chất đang mở ra một công cụ độc đáo để thăm dò bên trong lòng các hành tinh. Đáng chú ý, một số nhà thiên văn học còn tin rằng môi trường xung quanh các sao lùn trắng trơ trọi này có thể trở thành khu vực tiềm năng để săn tìm những dấu vết của sự sống ngoài Trái Đất. Sự hiện diện của một thế giới mới sinh ra từ đống đổ nát chứng minh rằng sự hình thành hành tinh có thể bắt đầu lại ngay cả ở những nơi tưởng như đã diệt vong. [1]