Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà thiên văn học đã thăm dò quá trình hình thành các ngoại hành tinh khổng lồ và các sao lùn nâu bằng cách sử dụng kết hợp hình ảnh trực tiếp của các vật thể này và phần mềm tùy chỉnh để mô hình quỹ đạo của chúng.
Một nhóm các nhà thiên văn học do Brendan Bowler của Đại học Texas ở Austin dẫn đầu đã nghiên cứu quá trình hình thành các ngoại hành tinh khổng lồ và sao lùn nâu, một lớp vật thể nặng hơn các hành tinh khổng lồ nhưng không đủ lớn để đốt cháy hạt nhân trong lõi của chúng tỏa sáng như những ngôi sao thực thụ.
Sử dụng hình ảnh trực tiếp với kính viễn vọng trên mặt đất ở Hawaii – Đài thiên văn WM Keck và Kính viễn vọng Subaru trên Maunakea – nhóm nghiên cứu đã tìm ra quỹ đạo của những ngôi sao mờ này quay quanh các ngôi sao trong 27 hệ thống. Những dữ liệu này kết hợp với mô hình các quỹ đạo cho phép họ xác định rằng các sao lùn nâu trong các hệ thống này hình thành như những ngôi sao nhưng những ngôi sao khổng lồ khí hình thành như những hành tinh.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí The Astronomical Magazine .
Trong hai thập kỷ qua, bước nhảy vọt công nghệ đã cho phép các kính viễn vọng tách ánh sáng khỏi một ngôi sao mẹ và một vật thể quay quanh mờ hơn nhiều. Năm 1995, khả năng mới này đã tạo ra những hình ảnh trực tiếp đầu tiên về một sao lùn nâu quay quanh một ngôi sao. Hình ảnh trực tiếp đầu tiên của các hành tinh quay quanh một ngôi sao khác theo sau vào năm 2008.
“Trong hơn 20 năm qua, chúng tôi đã nhảy xuống hàng loạt,” Bowler nói về khả năng chụp ảnh trực tiếp, lưu ý rằng giới hạn hiện tại là khoảng 1 khối sao Mộc. Khi công nghệ đã được cải thiện, “Một trong những câu hỏi lớn đã xuất hiện là” Bản chất của những người bạn đồng hành chúng ta đang tìm kiếm là gì? “
Các sao lùn nâu theo định nghĩa của các nhà thiên văn học có khối lượng từ 13 đến 75 khối sao Mộc. Chúng có những đặc điểm chung với cả hai hành tinh và với các ngôi sao, và Bowler cùng nhóm của ông muốn giải quyết câu hỏi: Có phải các hành tinh khí khổng lồ ở rìa ngoài của các hệ hành tinh là đỉnh của tảng băng hành tinh hay phần cuối của sao lùn nâu ? Nghiên cứu trong quá khứ đã chỉ ra rằng các sao lùn nâu quay quanh các ngôi sao có khả năng hình thành giống như các ngôi sao có khối lượng thấp nhưng chưa rõ đâu là khối lượng thấp nhất mà cơ chế hình thành này có thể tạo ra.
“Một cách để có được điều này là nghiên cứu động lực học của hệ thống – xem xét các quỹ đạo,” Bowler nói. Quỹ đạo của chúng ngày nay giữ chìa khóa để mở khóa sự tiến hóa của chúng.
Sử dụng hệ thống quang học thích ứng (AO) của Đài quan sát Keck với Máy ảnh cận hồng ngoại, thiết bị thế hệ thứ hai (NIRC2) trên kính viễn vọng Keck II cũng như Kính viễn vọng Subaru, nhóm của Bowler đã chụp ảnh các hành tinh khổng lồ và sao lùn nâu khi chúng quay quanh cha mẹ của chúng sao.
Đó là một quá trình lâu dài. Những ngôi sao khổng lồ khí và sao lùn nâu mà họ nghiên cứu ở rất xa các ngôi sao mẹ của họ đến nỗi một quỹ đạo có thể mất hàng trăm năm.
Nghiên cứu này dựa trên công nghệ AO cho phép các nhà thiên văn học sửa chữa các biến dạng gây ra bởi bầu khí quyển của Trái đất. Khi các công cụ AO liên tục được cải thiện trong ba thập kỷ qua, nhiều sao lùn nâu và các hành tinh khổng lồ đã được chụp ảnh trực tiếp. Nhưng vì hầu hết những khám phá này đã được thực hiện trong một hoặc hai thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu chỉ có hình ảnh tương ứng với một vài phần trăm tổng quỹ đạo của mỗi đối tượng. Họ đã kết hợp các quan sát mới của họ về 27 hệ thống với tất cả các quan sát trước đây được công bố bởi các nhà thiên văn học khác hoặc có sẵn trong kho lưu trữ của kính viễn vọng.
Tại thời điểm này, mô hình hóa máy tính xuất hiện. Các đồng tác giả trên bài báo này đã giúp tạo ra một mã phù hợp với quỹ đạo gọi là “Orbitize!” trong đó sử dụng định luật về chuyển động hành tinh của Kepler để xác định loại quỹ đạo nào phù hợp với vị trí đo và loại nào không.
Mã tạo ra một tập hợp các quỹ đạo có thể cho mỗi “người bạn” đồng hành. Chuyển động nhẹ của mỗi hành tinh khổng lồ hoặc sao lùn nâu tạo thành một “đám mây” quỹ đạo có thể. Đám mây càng nhỏ, các nhà thiên văn học càng tiến gần đến quỹ đạo thực sự của “người bạn” đồng hành. Và nhiều điểm dữ liệu hơn – nghĩa là, nhiều hình ảnh trực tiếp hơn của mỗi vật thể khi nó quay quanh – sẽ tinh chỉnh hình dạng của quỹ đạo.
“Thay vì chờ đợi hàng thập kỷ hoặc hàng thế kỷ để một hành tinh hoàn thành một quỹ đạo, chúng ta có thể bù vào thời gian cơ sở dữ liệu ngắn hơn bằng các phép đo vị trí rất chính xác”, thành viên nhóm nghiên cứu Eric Nielsen của Đại học Stanford cho biết. “Một phần của Orbitize! Mà chúng tôi đã phát triển để phù hợp với quỹ đạo một phần, OFTI [Quỹ đạo cho người thiếu kiên nhẫn], cho phép chúng tôi tìm thấy quỹ đạo ngay cả đối với những ngôi sao đồng hành trong thời gian dài nhất.”
Tìm hình dạng của quỹ đạo là chìa khóa: Các vật thể có quỹ đạo tròn hơn có thể được hình thành giống như các hành tinh. Đó là, khi một đám mây khí và bụi sụp đổ tạo thành một ngôi sao, ngôi sao đồng hành ở xa (và bất kỳ hành tinh nào khác) hình thành từ một đĩa khí và bụi phẳng xoay quanh ngôi sao đó.
Mặt khác, những cái có quỹ đạo dài hơn có thể hình thành như những ngôi sao. Trong kịch bản này, một khối khí và bụi đã sụp đổ để tạo thành một ngôi sao nhưng nó bị gãy thành hai cụm. Mỗi cụm sau đó sụp đổ, một khối tạo thành một ngôi sao và khối kia là một sao lùn nâu quay quanh ngôi sao đó. Đây thực chất là một hệ sao nhị phân, mặc dù có chứa một ngôi sao thực sự và một “ngôi sao thất bại”.
“Mặc dù những ngôi sao đồng hành này đã có hàng triệu năm tuổi nhưng ký ức về cách chúng hình thành vẫn được mã hóa trong sự lập dị ngày nay của chúng”, Nielsen nói thêm. Độ lệch tâm là thước đo mức độ hình tròn hoặc độ dài của quỹ đạo của vật thể.
Kết quả nghiên cứu của nhóm về 27 ngôi sao đồng hành xa xôi là không rõ ràng.
“Kết luận cuối cùng là, chúng tôi thấy rằng khi bạn chia các vật thể này ở ranh giới kinh điển này với hơn 15 khối sao Mộc, những thứ mà chúng ta gọi là các hành tinh thực sự có quỹ đạo tròn hơn, như một quần thể, so với phần còn lại, “Bowler nói. “Và phần còn lại trông giống như những ngôi sao nhị phân.”
Tương lai của công việc này bao gồm cả việc tiếp tục theo dõi 27 đối tượng này cũng như xác định những đối tượng mới để mở rộng nghiên cứu. “Kích thước mẫu vẫn còn khiêm tốn, tại thời điểm này,” Bowler nói. Nhóm của ông đang sử dụng vệ tinh Gaia để tìm kiếm các ứng cử viên bổ sung để theo dõi bằng cách sử dụng hình ảnh trực tiếp với độ nhạy thậm chí còn lớn hơn tại Kính thiên văn Giant Magellan (GMT) sắp tới và các cơ sở khác. UT-Austin là thành viên sáng lập của sự hợp tác GMT.
Kết quả của nhóm Bowler củng cố kết luận tương tự gần đây do cuộc khảo sát hình ảnh trực tiếp của GPIES với Gemini Planet Imager đã tìm thấy bằng chứng cho một kênh hình thành khác nhau cho các sao lùn nâu và các hành tinh khổng lồ dựa trên các thuộc tính thống kê của họ.
Công trình này được hỗ trợ bởi Giải thưởng Dữ liệu Keck PI của NASA, do Viện Khoa học Exoplanet của NASA quản lý. Đài thiên văn Keck được quản lý bởi Caltech và Đại học California.
GIỚI THIỆU NIRC2
Camera cận hồng ngoại, thế hệ thứ hai (NIRC2) hoạt động kết hợp với hệ thống quang học thích nghi Keck II để thu được hình ảnh rất sắc nét ở bước sóng gần hồng ngoại, đạt được độ phân giải không gian tương đương hoặc tốt hơn so với kính viễn vọng không gian Hubble đạt được ở bước sóng quang học . NIRC2 có lẽ được biết đến nhiều nhất vì đã giúp cung cấp bằng chứng dứt khoát về một lỗ đen khổng lồ trung tâm ở trung tâm thiên hà của chúng ta. Các nhà thiên văn học cũng sử dụng NIRC2 để lập bản đồ các đặc điểm bề mặt của các thiên thể trong hệ mặt trời, phát hiện các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác và nghiên cứu hình thái chi tiết của các thiên hà xa xôi.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đài thiên văn WM Keck . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :