Một ngôi sao nhỏ có thể chứa một hành tinh khổng lồ hay không?

Một nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học từ Đại học College London (UCL) và Đại học Warwick tiết lộ, những ngôi sao có khối lượng nhỏ hơn một nửa so với khối lượng của Mặt trời có thể chứa những hành tinh khí khổng lồ tương tự như sao Mộc. Điều này mâu thuẫn với lý thuyết phổ biến về sự hình thành hành tinh và do đó buộc chúng ta phải xem xét lại lý thuyết này.

Theo quan điểm chung của các nhà thiên văn học trước giờ, các hành tinh khí khổng lồ, cùng với các thiên thể khác, bắt nguồn từ các đĩa bụi bao quanh các ngôi sao trẻ. Lý thuyết bồi tụ lõi cho rằng, các hành tinh này ban đầu phát triển lõi từ đá, băng và các chất liệu rắn nặng khác. Theo thời gian bồi tụ, khi các hành tinh này đạt khối lượng gấp 15 đến 20 lần khối lượng Trái đất, chúng sẽ hút vào một lớp khí ở phía bên ngoài.

Tuy nhiên, các ngôi sao khối lượng thấp vốn hình thành từ các đĩa bụi có tổng khối lượng thấp. Do đó, theo dự đoán của các mô phỏng, phần đĩa bụi còn lại sau khi hình thành ngôi sao sẽ không cung cấp đủ vật chất để hình thành một hành tinh khí khổng lồ theo cách này.



Trong nghiên cứu gần đây đã được công bố trên Thông báo hằng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia (MNRAS) và được tài trợ bởi Hội đồng Cơ sở Khoa học và Công nghệ Vương quốc Anh (STFC), các nhà nghiên cứu đã xem xét 91.306 ngôi sao có khối lượng thấp, sử dụng các quan sát từ chương trình khảo sát ngoại hành tinh của NASA. Và trong đó, họ tìm thấy 15 trường hợp có sự giảm sút độ sáng của ánh sáng tương ứng với một khối vật thể khổng lồ di chuyển theo quỹ đạo chắn sáng phía trước ngôi sao.

Năm trong số 15 trường hợp đó đã được xác nhận là hành tinh bằng các phương pháp độc lập. Và một trong những hành tinh đã được xác nhận này quay quanh một ngôi sao có khối lượng bằng 1/5 Mặt trời – điều không thể xảy ra theo các lý thuyết mô hình hình thành hành tinh hiện giờ.

Tiến sĩ Ed Bryant (Phòng thí nghiệm Khoa học Vũ trụ Mullard tại UCL, trước đây là Đại học Warwick), người đã khởi xướng công trình nghiên cứu này cho biết: “Các ngôi sao có khối lượng thấp có khả năng hình thành các hành tinh khổng lồ tốt hơn chúng ta nghĩ. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi đặt ra những câu hỏi nghiêm túc cho các lý thuyết hình thành hành tinh. Đặc biệt, việc chúng tôi phát hiện ra các hành tinh khí khổng lồ quay xung quanh các ngôi sao có khối lượng chỉ bằng 20% khối lượng Mặt trời đặt ra mâu thuẫn với lý thuyết hiện tại”.

Đồng tác giả - Tiến sĩ Vincent Van Eylen (Phòng thí nghiệm Khoa học Vũ trụ Mullard tại UCL) cho biết: “Thực tế là, mặc dù rất hiếm nhưng những hành tinh khí khổng lồ tồn tại xung quanh các ngôi sao có khối lượng thấp là một phát hiện bất ngờ và có nghĩa là các lý thuyết mô hình về hình thành hành tinh sẽ cần phải được sửa đổi”.

Một cách giải thích có thể là những hành tinh khí khổng lồ không hình thành thông qua sự bồi tụ lõi mà thông qua sự mất ổn định của lực hấp dẫn, trong đó phần đĩa bụi bao quanh một ngôi sao bị phân mảnh thành các khối bụi và khí có sẵn khối lượng bằng một hành tinh. Trong trường hợp như vậy, ngôi sao mẹ có khối lượng thấp vẫn có thể chứa những hành tinh khí khổng lồ rất lớn, gấp hai hoặc ba lần khối lượng sao Mộc. Tuy nhiên, điều này được coi là khó xảy ra, vì các đĩa bụi xung quanh các ngôi sao có khối lượng thấp dường như không đủ lớn để phân mảnh theo cách này.

Các nhà nghiên cứu cho biết, một lời giải thích khác là các nhà thiên văn học đã đánh giá thấp mức độ lớn của đĩa sao, nghĩa là các ngôi sao nhỏ có thể hình thành các hành tinh khổng lồ thông qua sự bồi tụ lõi.

Điều này có thể là do chúng ta đã tính toán sai khối lượng của các đĩa bụi mà chúng ta quan sát qua kính thiên văn (vì chúng rất khó quan sát khi dưới dạng một đám bụi). Hoặc do các đĩa bụi khi bắt đầu vòng đời của một ngôi sao có khối lượng lớn hơn so với giai đoạn sau mà ta có thể quan sát, đo đạc chúng.

Tiến sĩ Dan Bayliss (Đại học Warwick), đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Có thể chúng ta không hiểu rõ về khối lượng của các đĩa bụi tiền hành tinh này như chúng ta tưởng. Các thiết bị mới hiện đại như Kính viễn vọng Không gian James Webb sau này có thể sẽ nghiên cứu các đĩa bụi này một cách chi tiết hơn”.

Trong báo cáo của mình, các nhà nghiên cứu đã tìm cách xác định tần suất xuất hiện của các hành tinh khổng lồ xung quanh ngôi sao mẹ có khối lượng thấp, kiểm tra xem tần suất xuất hiện này có phù hợp với kết quả mà lý thuyết mô hình bồi tụ lõi sẽ dự đoán hay không.

Họ đã sử dụng một thuật toán để xác định tín hiệu của những hành tinh khí khổng lồ đang chuyển tiếp trong ánh sáng phát ra từ các ngôi sao có khối lượng thấp. Sau đó, họ xem xét các tín hiệu này, loại bỏ một số kết quả không phù hợp.

Để xác định khả năng phương pháp của họ phát hiện ra những hành tinh khí khổng lồ thực sự quay quanh các ngôi sao này như thế nào, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng với hàng nghìn tín hiệu của các hành tinh đang chuyển tiếp vào dữ liệu ánh sáng sao mà NASA đang có. Sau đó, họ chạy thuật toán để xem có bao nhiêu hành tinh kiểu này sẽ được phát hiện.

Hiện các nhà nghiên cứu đang làm việc để xác nhận (hoặc loại trừ) đối với 9 trong số 15 trường hợp nêu ở phần đầu để xem đó có phải hành tinh hay không (trong 15 trường hợp thì các nhà khoa học đã xác định được 5 là hành tinh, còn 1 bị loại trừ). Những ứng cử viên này cũng có khả năng là những ngôi sao đồng hành với sao mẹ (trong hệ sao đôi) hoặc có thể có một lý do khác khiến độ sáng giảm đi.

Nhóm nghiên cứu sẽ suy ra khối lượng của những vật thể này bằng cách đo sự “lắc lư” vị trí của ngôi sao mẹ, có thể do tác động từ lực hút của vật thể xoay quanh. Sự dao động này có thể được phát hiện thông qua phân tích quang phổ của ánh sáng sao, tức là đo các dải ánh sáng khác nhau để theo dõi chuyển động của ngôi sao lùi ra xa chúng ta hoặc tiến về gần phía chúng ta.