Sao lùn nâu nặng gấp đôi sao Mộc hình thành thế nào?

Tại vùng hình thành sao IC 348, Kính viễn vọng Không gian James Webb đã nhận diện những sao lùn nâu chỉ nặng khoảng gấp đôi sao Mộc. Câu trả lời tạm thời cho câu hỏi trung tâm là: quá trình tạo sao có thể sinh ra vật thể nhẹ đến mức này, dù cách một vật thể như vậy hình thành vẫn chưa được giải thích trọn vẹn. Điều đáng chú ý nằm ở sự khác nhau giữa khối lượng và nguồn gốc. [1]

Theo NASA, các vật thể này được tạo nên khi mây phân tử co sụp dưới tác dụng của hấp dẫn, tương tự cơ chế hình thành sao. Chúng không đủ nặng để duy trì phản ứng tổng hợp hydro thông thường trong lõi, nên được xếp vào nhóm sao lùn nâu. Mức gấp đôi sao Mộc chưa phải giới hạn cuối cùng của tự nhiên, nhưng đã mở rộng đáng kể miền khối lượng mà các mô hình hình thành sao phải giải thích. [1]

Sao lùn nâu khác sao ở điểm nào?

Trong những vùng như IC 348, các đám mây khí hydro phân tử lạnh có thể co lại và tạo thành thiên thể mới. Nếu vật chất tập trung đủ nhiều, lõi sẽ nóng lên đến mức các hạt nhân hydro hợp nhất thành heli. NASA cho biết những ngôi sao nhỏ nhất có khối lượng khoảng 8% Mặt Trời. Bên dưới ngưỡng đó là miền của sao lùn nâu, nơi lõi không đạt điều kiện để duy trì phản ứng tổng hợp hydro thông thường. [1]

Tên gọi “sao hụt” đôi khi khiến người đọc hình dung một ngôi sao đang lớn dở rồi bị ngừng lại. Cách hiểu ấy chưa chính xác. Sao lùn nâu vẫn là thiên thể hình thành từ sự co sụp của mây phân tử, chỉ khác ở lượng vật chất cuối cùng. Nhiều sao lùn nâu trẻ có thể tổng hợp deuterium, tức hydro nặng, trong một thời gian ngắn; quá trình này không biến chúng thành sao có khả năng đốt hydro ổn định. [1]

Vì sao khối lượng cấp hành tinh chưa biến chúng thành hành tinh?

Một sao lùn nâu và một hành tinh có thể có khối lượng gần nhau nhưng không nhất thiết có cùng lịch sử ra đời. Những vật thể ở IC 348 được tìm thấy trong một vùng đang hình thành sao và được diễn giải là sản phẩm của sự co sụp mây phân tử. Vì vậy, con số gấp đôi khối lượng sao Mộc cho biết vật thể nặng bao nhiêu, chứ chưa tự nói lên vật chất đã tập hợp theo quy trình nào. [1]

Có thể hình dung khối lượng như kích thước của một sản phẩm: hai sản phẩm có cùng kích thước vẫn có thể được làm bằng những dây chuyền khác nhau. Với IC 348, câu hỏi quan trọng là liệu chính cơ chế vốn tạo ra sao có thể tạo nên một vật thể nhẹ đến thế hay không. Nếu kết quả quan sát được củng cố, các mô hình sẽ phải mô tả sự co sụp và phân mảnh của mây khí ở quy mô thấp hơn dự đoán trước đây. [1]

Webb tìm ra những vật thể rất mờ bằng cách nào?

IC 348 nằm trong chòm Perseus, cách Trái Đất khoảng 1.000 năm ánh sáng. Nhóm nghiên cứu trước hết dùng NIRCam, camera cận hồng ngoại của Webb, để ghi nhận ánh sáng nhiệt từ các sao lùn nâu trẻ và sao mới sinh. Màu sắc cùng độ sáng giúp họ chọn những nguồn sáng có khả năng là sao lùn nâu. Đây là bước tìm ứng viên, chưa phải kết luận cuối cùng về khối lượng. [1]

Sau đó, NIRSpec, máy quang phổ cận hồng ngoại, được dùng để khảo sát các ứng viên chi tiết hơn. Quang phổ phân tách ánh sáng theo bước sóng, cung cấp những đặc điểm cần thiết cho việc nghiên cứu và ước tính khối lượng. Như vậy, NIRCam giúp tìm đối tượng trong vùng rộng, còn NIRSpec giúp kiểm tra sâu hơn. Khối lượng gấp đôi sao Mộc là kết quả diễn giải từ chuỗi quan sát này, không phải con số đọc trực tiếp từ một vạch quang phổ đơn lẻ. [1]

Vì sao mức gấp đôi sao Mộc gây bất ngờ?

Năm 2022, cùng nhóm nghiên cứu đã dùng Webb để tìm các sao lùn nâu ở IC 348, với những vật thể nhẹ nhất khi đó có khối lượng khoảng ba đến bốn lần sao Mộc. Những quan sát sâu hơn đưa mức thấp nhất được báo cáo xuống khoảng hai lần sao Mộc, tương đương gần 0,19% khối lượng Mặt Trời. NASA mô tả đây là những sao lùn nâu nhẹ nhất từng được biết đến trong kết quả được công bố. [1]

Điều gây khó cho mô hình là làm sao một đám mây khí có thể phân mảnh và gom đủ vật chất để tạo thành thiên thể riêng biệt, trong khi sản phẩm cuối chỉ nặng bằng vài sao Mộc. Tuy nhiên, mức hai lần sao Mộc chỉ là mốc thấp nhất được nhận diện trong những quan sát này, không phải đáy tuyệt đối của tự nhiên. Những vật thể nhẹ hơn, nếu có, sẽ còn khó phát hiện vì chúng rất mờ. [1]

Đĩa vật chất và dấu hiệu hydrocarbon nói gì?

Một trong những sao lùn nâu nhẹ nhất được nhận diện có dấu hiệu của một đĩa vật chất bao quanh. Chi tiết này gợi ý rằng vật chất đủ để hình thành các hành tinh nhỏ có thể tồn tại quanh một thiên thể trung tâm chỉ có khối lượng cấp hành tinh. Tuy vậy, dấu hiệu của đĩa không đồng nghĩa với việc các hành tinh đã được quan sát. Kết quả hiện cho thấy vật chất bao quanh có thể còn hiện diện, còn diễn biến tiếp theo vẫn cần được tìm hiểu. [1]

Quang phổ của các sao lùn nâu tại IC 348 cũng có một đặc điểm được nhóm nghiên cứu quy cho hydrocarbon chưa xác định, tức phân tử chỉ gồm hydro và carbon. NASA cho biết dấu hiệu này từng được thấy trong khí quyển của những sao lùn nâu nhẹ nhất, nên chúng có thể thuộc một lớp quang phổ riêng. Danh tính phân tử và ý nghĩa phân loại vẫn chưa rõ, nhưng phát hiện cho thấy các vật thể cực nhẹ có thể khác biệt không chỉ về khối lượng mà còn về khí quyển. [1]

Vì thế, câu chuyện của IC 348 không chỉ là việc tìm một sao lùn nâu nhỏ hơn kỷ lục trước đó. Nó đặt lại câu hỏi về độ rộng của quá trình tạo sao: cùng cơ chế co sụp của mây phân tử có thể tạo ra những thiên thể trải dài từ sao đến các vật thể có khối lượng gần hành tinh. Nhìn vào con số gấp đôi sao Mộc, điều cần nhớ không phải là một ranh giới mới đã được chốt, mà là dấu hiệu cho thấy ranh giới ấy còn cần được hiểu bằng cả khối lượng lẫn lịch sử hình thành. [1]