Phát hiện hệ sao đôi lùn nâu quay quanh ở khoảng cách rất gần

Năm 1995, các nhà nghiên cứu Caltech tại Đài quan sát Palomar lần đầu tiên quan sát thấy một vật thể có vẻ là sao lùn nâu quay quanh Gliese 229 – một ngôi sao lùn đỏ cách Trái đất khoảng 19 năm ánh sáng.

Kể từ đó, sao lùn nâu được đặt tên Gliese 229 B đã khiến các nhà thiên văn học bối rối vì nó có vẻ quá mờ so với khối lượng của nó. Với khối lượng được cho là gấp 70 lần sao Mộc, nó đáng ra phải sáng hơn những gì kính thiên văn quan sát được.

Tuy nhiên, một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế gần đây đã giải quyết được bí ẩn này bằng cách xác định rằng sao lùn nâu Gliese 229 B thực ra là một cặp sao đôi quay quanh nhau!

Nghiên cứu này được khởi xướng bởi Jerry W. Xuan, một sinh viên sau đại học tại Khoa Thiên văn học của Caltech, dưới sự hướng dẫn của Dimitri Mawet, Giáo sư Thiên văn học David Morrisroe.

Họ đã tham gia cùng một nhóm quốc tế từ các viện và trường đại học trên khắp thế giới, gồm có Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada Herzberg, Đài quan sát Nam Âu (ESO), Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA), Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Không gian và Thiết bị trong Vật lý thiên văn (LESIA), Trung tâm Khám phá và Nghiên cứu Liên ngành trong Vật lý thiên văn (CIERA), Viện Thiên văn học Max Planck (MPIA), Viện Vật lý Ngoài Trái đất (MPE) và Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực (JPL) của NASA. Nghiên cứu của họ, xuất hiện trên tạp chí Nature, được NASA và Quỹ Heising-Simons tài trợ.

Thành viên trong nhóm phát hiện ra Gliese 229 B vào năm 1995 cũng có mặt trong nghiên cứu mới nhất này, trong đó gồm Rebecca Oppenheimer, một sinh viên sau đại học của Caltech vào thời điểm 1995 (hiện là nhà vật lý thiên văn tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên nước Mỹ); Shri Kulkarni, Giáo sư Thiên văn học và Khoa học Hành tinh George Ellery Hale; Keith Matthews, một chuyên gia về thiết bị tại Caltech; và các đồng nghiệp khác.

Vào thời điểm 3 thập niên trước, những phát hiện của họ chỉ ra rằng Gliese 229 B có khí mê-tan trong khí quyển, đặc trưng của các hành tinh khí khổng lồ nhưng không phải các ngôi sao.

Phát hiện vào thời điểm đó giúp xác nhận sự tồn tại của một sao lùn nâu, một lớp thiên được coi là "mắt xích còn thiếu" giữa các hành tinh khí khổng lồ và các ngôi sao vốn đã được dự đoán trước đó khoảng 30 năm. Điều này giống như kiểu phát hiện ra một nguyên tố mới mà bảng tuần hoàn hóa học Mendeleev đã tính trước.

Oppenheimer nhớ lại: "Việc nhìn thấy vật thể đầu tiên nhỏ hơn một ngôi sao quay quanh một mặt trời khác thật phấn khích. Nó đã khởi đầu một trào lưu khám phá của những người tìm kiếm những vật thể kỳ lạ như vậy vào thời điểm đó, nhưng nó vẫn là một bí ẩn trong nhiều thập niên".

Xuan nói thêm: "Gliese 229 B khi đó được coi là sao lùn nâu tiêu biểu. Và bây giờ chúng ta biết rằng mình đã mắc sai lầm từ đầu khi nhận định về bản chất của vật thể này. Nó không phải là một mà là hai ngôi sao. Chúng ta chỉ không thể thăm dò các khoảng cách rõ như vậy cho đến tận bây giờ".

Hàng trăm quan sát đã được tiến hành kể từ khi Gliese 229 B được phát hiện cách đây gần 30 năm, nhưng độ mờ của nó vẫn là một bí ẩn đối với các nhà thiên văn học.

Các nhà khoa học nghi ngờ Gliese 229 B có thể là sao đôi nhưng họ không nghĩ là hai sao lùn nâu có thể gần nhau như vậy. Hai sao lùn nâu này phải ở rất gần nhau mới không bị phát hiện trong gần ba chục năm.

Để xác nhận giả thuyết này, nhóm nghiên cứu đã dựa vào máy đo giao thoa GRAVITY trên Kính viễn vọng siêu lớn ở đài ESO ở Chile để phân giải không gian hai sao lùn nâu.

Sau đó, họ sử dụng thiết bị quang phổ hồng ngoại độ phân giải cao Cryogenic (CRIRES+) để phát hiện các dấu hiệu quang phổ riêng biệt của chúng và đo độ dịch chuyển Doppler của chúng.

Kết quả của họ cho thấy Gliese 229 B bao gồm hai sao lùn nâu (được định danh là Gliese 229 Ba và Gliese 229 Bb) có khối lượng gấp khoảng 38 và 34 lần khối lượng của sao Mộc, quay quanh nhau với chu kỳ 12 ngày và cách nhau 16 lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Mức độ sáng quan sát được cũng khớp với các tính toán ​​đối với hai sao lùn nâu nhỏ trong phạm vi khối lượng này.

Mawet, một nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Động cơ Phản lực của NASA nhận định: "Phát hiện cho thấy Gliese 229 B là hệ sao đôi không chỉ giải quyết được mâu thuẫn giữa khối lượng và độ sáng của nó mà còn làm sâu sắc thêm đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về sao lùn nâu, thiên thể nằm giữa ranh giới giữa các ngôi sao và các hành tinh khổng lồ".

Việc phát hiện ra cặp sao đôi này đặt ra những câu hỏi mới về cách hình thành của các sao lùn nâu gắn kết chặt chẽ với nhau, đồng thời cho thấy các hệ sao đôi tương tự có thể tồn tại ngoài kia và đang chờ được tìm thấy.

Một số giả thuyết cho rằng các cặp sao lùn nâu có thể hình thành bên trong đĩa tiền hành tinh của một ngôi sao, đĩa này phân mảnh thành hai hạt giống sao lùn nâu bị ràng buộc về mặt hấp dẫn sau một cuộc chạm trán.

Cơ chế tương tự có thể dẫn đến các cặp ngoại hành tinh đôi quay quanh nhau, mặc dù tất cả những điều này cho đến này vẫn chưa quan sát được.

Trong khi đó, Oppenheimer cho biết, khám phá này là một sự phát triển rất thú vị: "Hai hành tinh này quay quanh nhau có bán kính còn nhỏ hơn sao Mộc. Nếu quan sát được chúng trên bầu trời đêm của chúng ta thì chúng sẽ rất kỳ lạ. Đây là khám phá thú vị và hấp dẫn nhất trong vật lý thiên văn với đối tượng dưới sao trong nhiều chục năm".

Trong tương lai, Xuan và các đồng nghiệp có kế hoạch tìm kiếm thêm các cặp sao lùn nâu bằng các thiết bị hiện có và thế hệ tiếp theo.

Hiện công cụ tốt nhất của các nhà thiên văn đang mong chờ là Máy ảnh và mô tả hành tinh Keck (KPIC) và Máy quang phổ hồng ngoại độ phân giải cao để mô tả ngoại hành tinh (HISPEC) của Đài quan sát Keck. Một nhóm do Mawet đứng đầu đã phát triển KPIC, trong khi HISPEC hiện đang được xây dựng tại Caltech và các phòng thí nghiệm khác của Mawet

Trong khi đó, The Astrophysical Journal Letters cũng xuất bản một nghiên cứu độc lập riêng biệt được khởi xướng bởi Sam Whitebook - một sinh viên sau đại học tại Caltech và Tim Brandt - một nhà thiên văn học cộng tác tại Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian ở Baltimore. Phát hiện của họ cũng kết luận rằng Gliese 229 B là một cặp sao lùn nâu có quỹ đạo gần nhau.