Vệt niobium bất thường ở sao lùn trắng HS 0209+0832 và bí ẩn về hành tinh sinh ra từ tro tàn

Cái chết của một ngôi sao thường được coi là hồi kết tàn khốc hủy diệt toàn bộ hệ hành tinh xung quanh. Tuy nhiên, các phân tích từ dữ liệu lưu trữ của Kính thiên văn Vũ trụ Hubble đối với sao lùn trắng HS 0209+0832 lại chỉ ra một kịch bản hoàn toàn ngược lại. Một dấu vết hóa học bất thường cho thấy sự sụp đổ của ngôi sao chủ không hẳn là điểm kết thúc, mà có thể là khởi đầu cho sự ra đời của một thế giới mới. [1]

Khác với Trái Đất hay các hành tinh thuộc hệ Mặt Trời vốn tích tụ từ đĩa bụi khí nguyên sinh cùng thời điểm với ngôi sao mẹ, đối tượng mới phát hiện đại diện cho một lớp hành tinh thế hệ thứ hai. Chúng được tạo thành từ chính loại vật chất giàu nguyên tố nặng giải phóng trong những khoảnh khắc cuối cùng của ngôi sao chủ. [1]

Ẩn số gần ba thập kỷ trong dữ liệu lưu trữ của Kính thiên văn Hubble

Vào năm 1999, Kính thiên văn Vũ trụ Hubble từng ghi lại quang phổ của sao lùn trắng HS 0209+0832. Vào thời điểm đó, giới thiên văn học đã ghi nhận khoảng 100 vạch phổ hóa học lạ mà các cơ sở dữ liệu hiện hành không thể xác định được. Hồ sơ dữ liệu này nằm yên trong kho lưu trữ gần ba thập kỷ cho đến khi nhà nghiên cứu Jamie Williams cùng các đồng sự tại Đại học Warwick quay trở lại đánh giá. [1]

Bằng việc ứng dụng cơ sở dữ liệu hóa học được cập nhật mới, nhóm nghiên cứu đã giải mã thành công hàng loạt vạch phổ bí ẩn đó. Kết quả cho thấy sự xuất hiện bất ngờ với hàm lượng rất cao của niobium, một nguyên tố kim loại chuyển tiếp vốn chưa từng được ghi nhận trong bầu khí quyển của bất kỳ sao lùn trắng nào trước đây. [1]

Niobium và nguồn gốc từ những khắc giây hấp hối của ngôi sao

Trên Trái Đất, niobium là nguyên tố được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như chế tạo trang sức hay thiết bị ghi hình y tế. Tuy nhiên, dưới góc độ thiên văn học, các nguyên tố nặng hơn sắt như niobium không thể được tổng hợp thông qua quá trình phản ứng nhiệt hạch thông thường diễn ra trong lõi của các ngôi sao đang hoạt động. [1]

Theo nhà vật lý thiên văn lý thuyết Nicholas Stone từ Đại học Wisconsin - Madison, niobium chỉ có thể được tạo ra trong những điều kiện cực đoan và ngắn ngủi xuất hiện bên trong lòng ngôi sao đang hấp hối. Khi ngôi sao cạn kiệt nhiên liệu hạt nhân và trút bỏ các lớp vỏ ngoài vào không gian, những nguyên tố nặng mới được tổng hợp này sẽ bị tống xuất cùng với phần vật chất bên trong lõi. Do đó, sự hiện diện của niobium đóng vai trò như một dấu vết đánh dấu trực tiếp giai đoạn sụp đổ tàn khốc của ngôi sao. [1]

Cơ chế tích tụ vật chất tạo nên hành tinh thế hệ thứ hai

Các hành tinh quen thuộc trong hệ Mặt Trời của chúng ta thuộc thế hệ thứ nhất, được hình thành từ đĩa khí bụi còn dư sau khi Mặt Trời ra đời. Ngược lại, kịch bản tại hệ HS 0209+0832 cho thấy một tiến trình hoàn toàn khác biệt. Sau khi ngôi sao trải qua giai đoạn phồng to và tống xuất lớp vỏ ngoài vào vũ trụ, phần lớn vật chất sẽ phân tán vào không gian liên sao. [1]

Tuy nhiên, một lượng vật chất giàu nguyên tố nặng này đã không thoát đi mà quay trở lại tụ họp dưới tác dụng của trọng lực. Theo thời gian, lượng bụi khí này ngưng tụ và bồi tụ thành một hành tinh khí khổng lồ thế hệ thứ hai. Sự xuất hiện của một vật thể như vậy cho thấy giai đoạn sao lùn trắng không nhất thiết là lời kết thúc của một hệ hành tinh, mà có thể là chương khởi đầu cho một hành trình mới kéo dài hơn. [1]

Bằng chứng từ kính TESS và cấu trúc đuôi khí bốc hơi

Để kiểm tra giả thuyết này, nhóm nghiên cứu đã đối chiếu dữ liệu của Hubble với các quan sát từ sứ mệnh FUSE đã nghỉ hưu của NASA. Kết quả từ dữ liệu phổ tử ngoại xa của FUSE tiếp tục xác nhận tín hiệu niobium mạnh mẽ tại HS 0209+0832. Bên cạnh đó, Kính thiên văn Tầm soát Hành tinh Quá cảnh (TESS) của NASA cũng đóng góp một mảnh ghép quan trọng sau bốn tháng theo dõi liên tục sao lùn trắng này. [1]

TESS ghi nhận những thay đổi độ sáng tuần hoàn của sao lùn trắng, báo hiệu sự tồn tại của một ứng viên hành tinh khí với kích thước tương đương Sao Mộc. Hành tinh này chuyển động trên một quỹ đạo cực kỳ gần sao chủ, chỉ cách khoảng 3,7 triệu dặm (tương đương 6 triệu km), gần hơn nhiều so với khoảng cách từ Sao Thủy đến Mặt Trời. Do sao lùn trắng mới hình thành còn rất nóng và phát ra năng lượng bức xạ mãnh liệt, bầu khí quyển ngoài cùng của hành tinh đang bị bốc hơi mạnh mẽ. [1]

Khí thoát ra từ hành tinh tạo thành một cấu trúc vệt dài giống như đuôi sao chổi. Một phần vật chất này xoáy quanh sao lùn trắng tạo thành một đĩa bồi tụ trước khi rơi xuống bề mặt của tàn tích sao. Chính tiến trình rơi rụng vật chất chứa niobium từ hành tinh xuống sao lùn trắng đã giúp Hubble ghi nhận được vạch phổ hóa học đặc trưng này. [1]

Triển vọng tồn tại và những câu hỏi mở cho thiên văn học

Mặc dù đang trong quá trình mất dần khí quyển do bức xạ nhiệt gay gắt, ứng viên hành tinh thế hệ thứ hai này được dự đoán vẫn có khả năng tồn tại lâu dài. Theo thời gian, sao lùn trắng sẽ nguội dần và duy trì mức nhiệt độ ổn định hơn. Khi đó, hành tinh khí này có thể tiếp tục quỹ đạo ổn định trong vùng sống được của tàn tích sao suốt hàng triệu năm. [1]

Hiện tại, các nhà nghiên cứu vẫn đang nỗ lực tìm hiểu xem hành tinh thế hệ thứ hai hình thành phổ biến hay cực kỳ hiếm gặp trong vũ trụ, cũng như cách chúng tiến hóa quanh một ngôi sao đã chết. Việc tiếp tục sử dụng Kính thiên văn Hubble trong những năm tới sẽ giúp các nhà thiên văn thu thập thêm nhiều dữ liệu thống kê có giá trị, mở ra cái nhìn mới về chu kỳ sinh trưởng bất ngờ của các hệ hành tinh trong vũ trụ. [1]