Sự hình thành tinh thể trong sao chổi

Từ lâu các nhà khoa học luôn băn khoăn làm thế nào những tinh thể silicat nhỏ bé, cần nhiệt độ rất cao để hình thành, lại hiện diện trong những sao chổi lạnh giá được sinh ra ở rìa ngoài của Thái Dương hệ. Những tinh thể này ban đầu có thể là những phần tử silicat phi tinh thể, một phần của hỗn hợp khí và bụi hình thành nên Thái Dương hệ.

Một nhóm các nhà thiên văn học tin rằng họ đã phát hiện ra một cách giải thích mới cho câu hỏi từ đâu và làm thế nào những tinh thể này được tạo ra, bằng cách sử dụng Kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA để quan sát những ngôi sao trẻ giống mặt trời. Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Nature số ngày 14 tháng 5, đưa ra hiểu biết mới về sự hình thành hành tinh và sao chổi.

Các nhà nghiên cứu từ Đức, Hungary và Hà Lan phát hiện rằng silicat có thể được chuyển hóa thành tinh thể từ sự bùng nổ của một ngôi sao. Họ dò thấy tín hiệu hồng ngoại của tinh thể silicat trên đĩa khí và bụi quanh sao EX Lupi trong một lần bùng nổ thông thường được Spitzer quan sát thấy tháng 4 năm 2008. Những tinh thể này không xuất thiện trong những quan sát trước đây của Spitzer đối với đĩa của ngôi sao này trong giai đoạn “im lặng”.

Attila Juhasz, một trong những tác giả của bài báo thuộc Học viện thiên văn học Max-Planck, Heidelberg, Đức, cho biết: “Chúng tôi tin rằng chúng tôi đã lần đầu tiên quan sát thấy quá trình hình thành tinh thể. Những tinh thể được hình thành từ việc luyện nhiệt các phần tử nhỏ trên lớp bề mặt của đĩa bên trong của ngôi sao bằng sức nóng từ đợt bùng nổ. Đây là trường hợp hoàn toàn mới về việc làm thế nào vật liệu này được tạo ra”.

Luyện nhiệt là quá trình mà vật liệu được làm nóng đến một nhiệt độ nhất định mà một số kết nối vỡ rồi tái hình thành làm thay đổi thuộc tính vật lý của vật liệu. Đó cũng là cách mà bụi silicat chuyển hóa thành dạng tinh thể.

Các nhà khoa học trước đây đã cân nhắc hai giả thuyết mà nhiệt luyện có thể tạo ra tinh thể silicat trong sao chổi và các đĩa của sao trẻ. Ở trường hợp thứ nhất, việc tiếp xúc lâu với nhiệt từ một ngôi sao mới hình thành có thể nhiệt luyện một phần bụi silicat bên trong đĩa. Ở trường hợp thứ hai, những sóng xung kích có thể đột ngột làm nóng bụi silicat bên trong đĩa đến nhiệt độ hình thành tinh thể, rồi sau đó tinh thể nguội đi một cách nhanh chóng. Phát hiện của Juhasz và các đồng nghiệp không phù hợp với cả hai lý thuyết trên/ Tác giả chính của bài báo, Peter Abraham thuộc Đài thiên văn Konkoly thuộc Học viện Khoa học Hungary, Budapest, Hungary, cho biết: “Chúng tôi kết luận rằng đây là cách thứ ba mà tinh thể silicat có thể được hình thành”.

Bức ảnh thể hiện một ngôi sao giống mặt trời bao quanh bởi những đĩa khí và bụi. Silicat, thành phần chính của bụi, có thể bắt đầu ở dạng phẩn tử phi tinh thể không xác định. (Ảnh: NASA/JPL-Caltech)

EX Lupi là một ngôi sao trẻ, có thể tương tự như mặt trời của chúng ta 4 hoặc 5 tỷ năm trước. Cứ vài năm một lần, ngôi sao trải qua một đợt bùng nổ mà các nhà thiên văn học cho rằng là kết quả của việc tập hợp khối lượng tích lũy trong những đĩa xung quanh. Những đợt bùng nổ này có độ mạnh yếu khác nhau, và đợt bùng nổ thực sự lớn xẩy ra khoảng 50 năm một lần.
Các nhà nghiên cứu quan sát EX Lupi với quang phổ kế hồng ngoại của Spitzer vào tháng 4 năm 2008. Mặc dù ngôi sao này đang bắt đầu mờ dần đi kể từ vụ bùng nổ lớn được phát hiện vào tháng 1, nhưng nó vẫn sáng gấp 30 lần lúc bình thường. Khi so sánh quan sát mới này những đo đạc của Spitzer thực hiện năm 2005 trước khi vụ bùng nổ bắt đầu, nhiều thay đổi đáng kể được nhận thấy.

Năm 2005., silicat trên bề mặt đĩa sao ở dạng bụi chưa kết tinh. Năm 2008, quang phổ cho thấy sự xuất hiện của tinh thể silicat bên trên lớp bụi không định hình. Những tinh thể này là forsterite, vật liệu thường thấy trong sao chổi và các đĩa tiền hành tinh. Chúng cũng rất nóng, bằng chứng cho thấy chúng được tạo trong quá trình nhiệt độ cao, chứ không phải do làm nóng bằng sóng xung kích. Nếu được làm nóng theo cách đó, thì đến thời điểm này các tinh thể đã phải nguội rồi. Juhasz cho biết: “Khi bùng nổ, EX Lupi sáng hơn gấp 100 lần. Tinh thể hình thành ở lớp bề mặt của đĩa, nhưng chỉ ở khoảng cách đến ngôi sao nơi nhiệt độ đủ cao để luyện nhiệt silicat – khoảng 1000 Kelvin (1 340 độ F) – nhưng vẫn thấp hơn 1 500 Kelvin ( 2 240 độ F)”.

Michael Werner thuộc phòng thí nghiệm phản lực của NASA, Pasadena, Calif, cho biết: “Những quan sát này lần đầu tiên cho thấy sự hình thành những tinh thể silicat được phát hiện thấy trong sao chổi và thiên thạch trong Thái Dương hệ của chúng ta. Do đó, những gì chúng ta quan sát thấy trong sao chổi ngày nay có thể được tạo ra từ những đợt bùng nổ năng lượng khi mặt trời còn trẻ”.

JPL quản lý kính viễn vọng không gian Spitzer cho Ban giam đốc khoa học của NASA, Washington. Hoạt động khoa học được thực hiện tại Trung tâm khoa học Spitzer, California, Học viện công nghệ Pasadena.