Những hệ hành tinh trong vũ trụ cần trải qua hàng triệu năm để hình thành, điều đó gây ra khó khăn lớn cho các nhà thiên văn học trong việc xác định giai đoạn phát triển và phân loại chúng. Giải pháp tiếp cận tốt nhất có thể làm được ở hiện tại là quan sát thêm những ví dụ mới và bổ sung vào nguồn dữ liệu đã có. Kính thiên văn không gian James Webb sắp được NASA phóng tới đây sẽ trở một nguồn cung cấp thông tin ở bước sóng hồng ngoại cho kho dữ liệu đó.
Các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng Webb để quan sát 17 hệ hành tinh đang hình thành. Những mục tiêu này đã được khảo sát trước đây bởi tổ hợp kính ALMA - được coi là kính thiên văn vô tuyến lớn nhất trên Trái Đất - trong dự án DSHARP (Disk Substructures at High Angular Resolution Projects).
Webb sẽ đo quang phổ của các phân tử có tại vùng bên trong các đĩa tiền hành tinh này, bổ sung cho các dữ liệu mà ALMA đã cung cấp về các vùng bên ngoài của chúng. Những vùng bên trong này là nơi các hành tinh đá giống như Trái Đất có thể bắt đầu hình thành, đó là một trong những lý do tại sao chúng ta muốn biết thêm về những loại vật chất nào tồn tại ở đó.
Một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Colette Salyk thuộc Đại học Vassar (Poughkeepsie, New York) và Klaus Pontoppidan thuộc Viện Khoa học Kính thiên văn không gian (Baltimore, Maryland), đang tìm kiếm các dữ liệu ở bước sóng hồng ngoại. “Một khi chuyển sang ánh sáng hồng ngoại, đặc biệt là phạm vi quan sát được ánh sáng hồng ngoại có bước sóng trung bình của Webb, chúng ta sẽ dễ phát hiện được các loại phân tử chứa các nguyên tố phổ biến có mật độ phong phú nhất,’’ Pontoppidan giải thích.
Các nhà nghiên cứu sẽ có thể đánh giá được lượng nước, CO, CO2, metan và amoniac, giữa nhiều loại phân tử khác có trong mỗi đĩa vật chất. Quan trọng nhất là họ sẽ có thể đo được các phân tử chứa các nguyên tố cần thiết cho sự sống như: oxy, carbon và nitơ. Vậy, họ làm điều đó bằng cách nào? Với quang phổ: Webb sẽ thu tất cả ánh sáng phát ra ở trung tâm của mỗi đĩa tiền hành tinh dưới dạng quang phổ, tạo ra một mô hình chi tiết về màu sắc dựa trên bước sóng ánh sáng phát ra. Vì mỗi nguyên tố có một mẫu quang phổ duy nhất, nên các nhà nghiên cứu có thể xác định loại phân tử nào tồn tại ở đó và xây dựng kho dữ liệu về nội dung bên trong mỗi đĩa tiền hành tinh. Độ ổn định của các mẫu này cũng sẽ mang thông tin về nhiệt độ và số lượng của mỗi loại phân tử.
“Dữ liệu của Webb cũng sẽ giúp chúng tôi xác định vị trí của các phân tử vật chất nằm bên trong hệ thống một cách tổng thể,” Salyk nói. "Nếu chúng nóng, có nghĩa là những vật chất này ở gần ngôi sao. Còn nếu chúng lạnh, chúng có thể ở xa ngôi sao hơn." Những dữ liệu này sẽ cung cấp thông tin cho các nhà khoa học xây dựng mô hình khảo sát của chương trình này.
Biết được thứ gì có bên trong của đĩa vật chất cũng mang lại nhiều lợi ích khác. Ví dụ, nếu như nước tồn tại trong khu vực đĩa thì đó có phải một hành tinh sống được đang hình thành hay không? “Một điều thực sự đáng ngạc nhiên về các hành tinh là - chỉ cần một chút thay đổi về hóa học là bạn đã có thể thấy những thế giới khác nhau rất nhiều,’’ Salyk tiếp tục. "Đó là lý do tại sao chúng tôi quan tâm đến các thành phần hóa học. Chúng tôi đang cố gắng tìm ra cách các vật liệu ban đầu ở cùng trong một hệ thống lại có thể hình thành các loại hành tinh khác nhau."
Điều này nghe giống như một công việc có ý nghĩa quan trọng, nhưng không phải lo lắng vì đó sẽ là nỗ lực của cả một cộng đồng. Một phần của chương trình Webb Treasury Program - những dữ liệu sẽ được công bố ngay sau khi nó được gửi đến tất cả các nhà thiên văn học. Cho phép mọi người lấy được dữ liệu về các đĩa vật chất ngay lập tức, có thể bắt đầu tự đánh giá và chia sẻ những phát hiện của họ.
“Dữ liệu hồng ngoại của Webb sẽ được nghiên cứu kỹ lưỡng,” nghiên cứu viên của nhóm, Ke Zhang thuộc Đại học Wisconsin, Madison cho biết thêm. "Chúng tôi muốn cả cộng đồng tham gia vào nghiên cứu để có thể tiếp cận dữ liệu từ nhiều góc độ khác nhau."
Tại sao phải có những điều tra sâu sắc hơn?
Hãy lùi lại, để thấy cả rừng cây. Tưởng tượng bạn đang ở trên một con thuyền nghiên cứu ngoài khơi xa bờ, đó là góc nhìn rộng nhất. Nếu bạn cập bờ và xuống thuyền, bạn có thể đếm xem có bao nhiêu cây và bao nhiêu loài cây. Bạn có thể bắt đầu phân loại các loài côn trùng và chim cụ thể, đối chiếu âm thanh bạn nghe thấy ngoài khơi với tiếng gọi bạn nghe thấy dưới ngọn cây. Việc lập danh mục chi tiết này rất giống với những gì Webb sẽ trao quyền cho các nhà nghiên cứu - nhưng đổi cây cối và động vật bằng các nguyên tố hóa học.
Những đĩa vật chất tiền hành tinh trong chương trình rất sáng và tương đối gần Trái Đất, khiến chúng là những mục tiêu tuyệt vời cho việc nghiên cứu. Đó là lý do mà chúng đã được khảo sát trước đó bởi ALMA. Cùng lý do mà các nhà khoa học nghiên cứu chúng bằng kính thiên văn không gian Spitzer của NASA. Những đối tượng này mới chỉ được nghiên cứu kỹ lưỡng từ năm 2003, vì thế đây là một lĩnh vực tương đối mới. Sẽ có rất nhiều điều mà Webb có thể bổ sung cho hiểu biết của chúng ta.
Dụng cụ đo bước sóng hồng ngoại tầm trung (MIRI) của kính thiên văn có nhiều ưu thế. Vị trí của trong không gian của Webb giúp nó có thể thu được toàn bộ quang phổ hồng ngoại (phần bước sóng tầm trung bị bầu khí quyển của Trái Đất loại bỏ). Thêm vào đó, dữ liệu của Webb sẽ có độ phân giải cao, từ đó tìm ra thêm nhiều chi tiết và sự dao động trong quang phổ, thứ mà các nhà nghiên cứu có thể dùng để xác định cụ thể hơn tính chất các phân tử.
Nhóm nghiên cứu cũng đã chọn lựa những loại sao để dùng cho các quan sát này. Mẫu này bao gồm các ngôi sao có khối lượng bằng một nửa cho đến gấp đôi khối lượng Mặt Trời. Tại sao lại là khoảng khối lượng này? Vì mục đích của các nhóm là tìm hiểu thêm về các hệ thống có thể giống như Hệ Mặt Trời của chúng ta khi nó đang hình thành. “Với mẫu này, chúng tôi có thể bắt đầu xác định xem có đặc điểm chung nào giữa đặc tính của đĩa và thành phần hóa học bên trong của chúng hay không,” Zhang chia sẻ tiếp. “Sau cùng, chúng tôi muốn dự đoán xem loại hệ thống nào có nhiều khả năng tạo ra các hành tinh phù hợp cho sự sống."
Bắt đầu trả lời những câu hỏi lớn
Chương trình này có thể sẽ giúp cho các nhà nghiên cứu bước đầu trả lời được một số câu hỏi kinh điển như: Các tập hợp phong phú nhất của những nguyên tố như cacbon, nitơ và oxy được tìm thấy trong đĩa tiền hành tinh, liệu có phải được “kế thừa” từ những đám mây liên sao hình thành chúng? Hay đó là sự pha trộn chính xác của các hóa chất có sự thay đổi theo thời gian? “Chúng tôi nghĩ rằng có thể đạt được một số câu trả lời đó bằng cách thực hiện các quan sát với Webb,” Pontoppidan giải thích. "Chắc chắn đó là một lượng công việc lớn và không thể chỉ hoàn thành với những dữ liệu này, nhưng tôi nghĩ chúng ta sẽ đạt được những tiến bộ lớn."
Nghĩ rộng hơn nữa về quang phổ vô cùng phong phú mà Webb sẽ cung cấp, Salyk bổ sung, "Tôi hy vọng rằng chúng ta sẽ tìm thấy những điều đáng ngạc nhiên và bắt đầu nghiên cứu những khám phá bất ngờ đó."
Nghiên cứu này sẽ được thực hiện như một phần của chương trình Webb General Observer (GO), được lựa chọn cạnh tranh với việc sử dụng hệ thống đánh giá ẩn danh kép, loại hệ thống đã được sử dụng để phân bổ thời gian trên Kính thiên văn không gian Hubble.
Đắc Cường
Theo Phys.org
