Vật thể khối lượng hành tinh trôi tự do có thể hình thành từ va chạm đĩa tiền sao

Trong những năm gần đây, các kính thiên văn hiện đại như Kính viễn vọng Không gian James Webb đã phát hiện ngày càng nhiều vật thể có khối lượng tương đương hành tinh nhưng lại trôi tự do trong không gian, không quay quanh bất kỳ ngôi sao nào. Những vật thể này, gọi là vật thể khối lượng hành tinh trôi tự do (PMOs), đặt ra câu hỏi lớn cho các nhà thiên văn: chúng hình thành như thế nào?

Một nghiên cứu mới sử dụng mô phỏng thủy động lực học cho thấy PMOs có thể hình thành thông qua một cơ chế hoàn toàn khác — sự phân mảnh của các cầu vật chất thủy triều hình thành khi các đĩa tiền sao va chạm trong cụm sao trẻ.

Bối cảnh nghiên cứu: Bí ẩn về nguồn gốc các “hành tinh cô đơn”

Các quan sát cho thấy PMOs xuất hiện với số lượng lớn hơn dự đoán của các mô hình hình thành sao truyền thống, đặc biệt trong các cụm sao trẻ như Trapezium. Một số PMOs thậm chí tồn tại thành cặp hoặc hệ nhiều vật thể, điều khó giải thích nếu chúng chỉ là hành tinh bị “đá văng” khỏi hệ sao mẹ.

Hai giả thuyết chính trước đây — hình thành như sao từ đám mây phân tử hoặc là hành tinh bị bật ra — đều không giải thích đầy đủ sự phong phú và cấu trúc đa dạng của các PMOs. Điều này cho thấy có thể tồn tại một kênh hình thành bổ sung.

Cơ chế mới: Phân mảnh cầu thủy triều giữa các đĩa tiền sao

Nghiên cứu cho thấy khi hai ngôi sao trẻ mang theo đĩa khí và bụi đi ngang qua nhau ở khoảng cách vài trăm đơn vị thiên văn, lực hấp dẫn tạo ra một “cầu thủy triều” nối giữa hai đĩa. Phần vật chất này có thể co lại thành các sợi dày đặc, sau đó phân mảnh thành các lõi nhỏ.

Các lõi này sụp đổ dưới trọng lực để tạo thành các vật thể có khối lượng hành tinh — tức PMOs. Quá trình này tương tự cơ chế phân mảnh sợi trong hình thành sao, nhưng xảy ra ở quy mô nhỏ hơn nhiều.

Mô phỏng chi tiết: Điều kiện thuận lợi trong cụm sao dày đặc

Các mô phỏng với độ phân giải cao cho thấy PMOs hình thành hiệu quả nhất khi:

Khoảng cách tiếp cận giữa hai đĩa khoảng 300–400 AU

Vận tốc tương đối khoảng 2–3 km/s

Các đĩa gần đồng phẳng

Những điều kiện này trùng khớp với môi trường trong các cụm sao trẻ dày đặc, nơi các tương tác gần xảy ra thường xuyên. Mỗi lần va chạm có thể tạo ra nhiều PMOs, thậm chí tới vài vật thể trong một sự kiện.

Đặc điểm của PMOs: Có đĩa riêng và có thể tạo hệ đôi

Mô phỏng cho thấy các PMOs mới sinh có thể mang theo đĩa khí riêng, mở ra khả năng hình thành các “hệ hành tinh thu nhỏ” trong tương lai. Ngoài ra, một tỷ lệ đáng kể PMOs hình thành thành hệ đôi hoặc hệ nhiều vật thể do lực hấp dẫn lẫn nhau.

Các đĩa này thường có mật độ thấp và có thể bị bốc hơi nhanh trong môi trường bức xạ mạnh của cụm sao, khiến việc hình thành hành tinh xung quanh PMOs vẫn là câu hỏi mở.

Ý nghĩa đối với thiên văn học

Kênh hình thành này giúp giải thích:

Số lượng PMOs lớn quan sát được

Sự tồn tại của PMOs theo cặp

Phân bố động học giống sao trong cụm

Sự hiện diện của đĩa khí quanh PMOs

Quan trọng hơn, nghiên cứu gợi ý rằng PMOs có thể là một quần thể riêng biệt, không hoàn toàn là sao cũng không phải hành tinh theo nghĩa truyền thống.

Kết luận

Việc các đĩa tiền sao va chạm và tạo ra vật thể khối lượng hành tinh trôi tự do cung cấp một lời giải thuyết phục cho một trong những bí ẩn lớn của thiên văn học hiện đại. Khi các quan sát trong tương lai tiếp tục mở rộng — đặc biệt với JWST — các nhà khoa học có thể xác nhận vai trò của cơ chế này trong việc định hình quần thể “hành tinh cô đơn” trong vũ trụ.

Nguồn

doi: 10.1126/sciadv.adu6058