Kính thiên văn Webb phát hiện dấu vết những vụ va chạm hành tinh nảy lửa ngoài Vũ trụ

Mặt Trăng êm đềm rọi sáng bầu trời đêm từng được sinh ra từ một trong những thảm họa tàn khốc nhất lịch sử Hệ Mặt Trời. Cách đây hàng tỷ năm, Trái Đất sơ khai đã hứng chịu một cú va chạm nảy lửa với Theia, một thiên thể có kích thước tương đương Sao Hỏa. Cú đâm kinh hoàng này làm bốc hơi lượng lớn đá tảng và bắn văng vô số mảnh vụn vào không trung, sau đó tích tụ lại để tạo nên Mặt Trăng. Trong nhiều thập kỷ, sự kiện này chủ yếu chỉ tồn tại qua các mô hình mô phỏng trên máy tính. [1]

Hiện nay, nhờ Kính thiên văn vũ trụ James Webb của NASA, các nhà thiên văn học đã lần đầu tiên quan sát trực tiếp được dấu vết của các vụ va chạm tàn khốc tương tự đang diễn ra quanh những ngôi sao trẻ trong Dải Ngân Hà. Bằng cách phân tích 21 đĩa mảnh vụn cực đoan hiếm gặp, nghiên cứu công bố trên The Astrophysical Journal do nhà thiên văn Kate Su từ Viện Khoa học Vũ trụ dẫn đầu đã mở ra cái nhìn chưa từng có về giai đoạn khai sinh đầy bạo lực của các hành tinh đá. [1]

Đĩa mảnh vụn cực đoan – Nơi ẩn giấu bí mật của bụi ấm

Môi trường vật chất xung quanh một ngôi sao trẻ không hề cố định mà biến đổi sâu sắc theo thời gian. Khi mới hình thành, các sao trẻ được bao bọc bởi đĩa hành tinh sơ khai giàu khí, nơi các phôi hành tinh bắt đầu xuất hiện. Theo thời gian, hệ sao tiến hóa dần, khí mất đi và nhường chỗ cho đĩa mảnh vụn chứa nhiều bụi đá. Kính thiên văn Spitzer từng ghi nhận một nhóm đĩa đặc biệt gọi là đĩa mảnh vụn cực đoan, chứa lượng bụi ấm khổng lồ nằm rất gần sao chủ, đúng vị trí tương đương khu vực các hành tinh đá hình thành. [1]

Để hiểu rõ bản chất của những hệ sao đặc biệt này, nhóm nghiên cứu đã thu thập mẫu dữ liệu gồm 21 đĩa mảnh vụn cực đoan, kết hợp 5 đối tượng từ kho lưu trữ của Spitzer và 16 đối tượng quan sát từ Kính thiên văn Webb. Kết quả cho thấy các đĩa cực đoan này mang ba đặc điểm nhận dạng rõ rệt: hạt bụi có kích thước nhỏ hơn hẳn so với đĩa bụi thông thường, độ tập trung bụi ấm cao khác thường và độ sáng hồng ngoại biến đổi thất thường theo thời gian. Phổ hồng ngoại trung của Webb đã giúp phân tích rõ các đặc tính vật lý mà trước đây giới khoa học chưa thể tiếp cận đầy đủ. [1]

Hai loại đĩa bụi tiết lộ quy mô của các trận va chạm

Thông qua việc phân tích khoáng vật trong bụi đĩa bằng quang phổ hồng ngoại trung của Kính thiên văn Webb, các nhà nghiên cứu nhận thấy mẫu đĩa quan sát có thể chia thành hai nhóm riêng biệt: đĩa giàu silica và đĩa nghèo silica. Sự phân chia thành phần hóa học này phản ánh trực tiếp mức độ năng lượng và quy mô của cú va chạm đã tạo ra đám bụi đó. Nhà thiên văn Ágnes Kóspál từ Đài quan sát Konkoly chia sẻ rằng việc quan sát được phổ khoáng vật từ Webb là bước tiến quan trọng, bởi giới khoa học không có cách nào khác để nghiên cứu trực tiếp các phôi hành tinh nhỏ bé này. [1]

Kết quả phân tích cho thấy khoảng một phần ba số đĩa trong mẫu nghiên cứu thuộc loại giàu silica. Trên Trái Đất, đá thủy tinh núi lửa obsidian là một ví dụ cho vật liệu giàu silica. Nhóm nghiên cứu nhận định các đĩa giàu silica này hình thành sau những cú va chạm cực kỳ dữ dội giữa hai thiên thể cỡ Sao Hỏa. Năng lượng khổng lồ từ trận va chạm trực diện đã giải phóng nhiệt độ cực cao, làm bốc hơi một lượng vật chất đá đáng kể và ngưng tụ lại thành các hạt bụi chứa nhiều silica. [1]

Tái hiện vụ nổ khai sinh ra Mặt Trăng

Trái ngược với nhóm giàu silica, hai phần ba số đĩa còn lại trong mẫu quan sát được xác định là nghèo silica. Khoáng vật forsterite, vốn có thể tìm thấy dưới dạng những hạt cát màu xanh lục trên một số bãi biển ở Hawaii, là một ví dụ cho vật liệu nghèo silica. Các đĩa nghèo silica được cho là sản phẩm của những vụ va chạm có năng lượng thấp hơn, chẳng hạn như những cú va chạm sượt qua giữa các thiên thể nhỏ chỉ có kích thước tương đương Mặt Trăng. [1]

Đáng chú ý, nghiên cứu phát hiện ra sự khác biệt rõ rệt về tuổi tác giữa hai nhóm đĩa. Các đĩa giàu silica chỉ xuất hiện xung quanh những ngôi sao trẻ dưới 300 triệu năm tuổi. Mốc thời gian này khớp một cách kinh ngạc với các mô hình máy tính về sự hình thành Trái Đất và Mặt Trăng, vốn ước tính diễn ra khoảng 100 triệu năm sau khi Mặt Trời ra đời. Việc phát hiện các đĩa giàu silica ở những sao trẻ dưới 300 triệu năm tuổi củng cố giả thuyết rằng thảm họa va chạm giữa Trái Đất sơ khai và Theia là một hiện tượng phổ biến trong quá trình tiến hóa của các hành tinh đá. [1]

Những biến đổi bất thường và giả thuyết Oanh tạc Muộn

Khác với nhóm giàu silica, các đĩa nghèo silica xuất hiện xung quanh các ngôi sao có dải tuổi rộng hơn nhiều và thường biểu hiện sự thay đổi độ sáng hồng ngoại mạnh mẽ hơn. Nhóm nghiên cứu giải thích rằng sự biến thiên độ sáng bất thường này xuất phát từ sự tiến hóa nhanh chóng của đám mảnh vụn mới sinh. Khi quỹ đạo của các mảnh vỡ thay đổi liên tục và dẫn đến những cú va chạm phụ tiếp theo, lượng bụi phát xạ hồng ngoại sẽ tăng giảm liên tục theo thời gian. [1]

Hiện tượng biến thiên độ sáng bất thường ở các đĩa nghèo silica lớn tuổi hơn có thể cung cấp manh mối quan trọng về một giai đoạn khác trong lịch sử Hệ Mặt Trời: thời kỳ Oanh tạc Muộn. Theo giả thuyết này, sự dịch chuyển quỹ đạo của các hành tinh khí khổng lồ đã làm xáo trộn quỹ đạo của các thiên thể nhỏ hơn, châm ngòi cho hàng loạt vụ va chạm tàn khốc trên khắp Hệ Mặt Trời. Nhà nghiên cứu Attila Moór từ Đài quan sát Konkoly lưu ý rằng việc quan sát thêm nhiều hệ sao sẽ giúp xác nhận liệu Hệ Mặt Trời có từng trải qua nhiều giai đoạn đĩa mảnh vụn cực đoan hay không. [1]

Tỷ lệ 1% hiếm hoi và mảnh ghép hoàn chỉnh cho hành tinh đá

Mặc dù các mô hình lý thuyết gợi ý rằng đĩa mảnh vụn cực đoan phải là một hiện tượng khá phổ biến, dữ liệu quan sát thực tế lại chỉ ra một thực tế khác. Các nhà khoa học ước tính chỉ có khoảng 1% các ngôi sao trẻ trải qua giai đoạn đĩa mảnh vụn cực đoan có thể quan sát được. Sự hiếm hoi này cho thấy các vụ va chạm quy mô lớn diễn ra trong một khoảng thời gian ngắn và bụi bốc hơi phân tán nhanh chóng, biến giai đoạn này trở thành một khoảnh khắc chớp nở trong đời sống hàng triệu năm của sao chủ. [1]

Việc Kính thiên văn Webb thu thập và phân tích thành công 21 đĩa mảnh vụn cực đoan đã mang lại cái nhìn toàn diện hơn về quá trình kiến tạo các thế giới đá. Như nhà thiên văn Kate Su nhấn mạnh, sự ra đời của các hành tinh đá và sự tiến hóa của các hành tinh khổng lồ là những mảnh ghép thuộc cùng một câu chuyện lớn. Quan sát mới từ Webb không chỉ giúp giải mã quá khứ đẫm bão lửa của Hệ Mặt Trời mà còn khẳng định rằng hành trình khai sinh ra những hành tinh giàu sự sống như Trái Đất luôn phải trải qua những thảm họa va chạm tàn khốc nhất Vũ trụ. [1]