Các nhà thiên văn lý luận một cách mơ hồ rằng các hành tinh hình thành do các hạt bụi bị khí đẩy xung quanh sẽ trôi dạt thành đống, theo cách mà gió tạo nên các cồn cát. Mô hình cổ điển có các hành tinh ngẫu nhiên nằm rải rác khắp tinh vân mặt trời, với sự phân bố thống kê các kích thước tuân theo cái mà các nhà vật lý gọi là định luật sức mạnh, nghĩa là có nhiều hành tinh nhỏ hơn là lớn. Morbidelli nói: “Chỉ vài năm trước, mọi người đều cho rằng các hành tinh phân bố theo quy luật sức mạnh trong toàn bộ tinh vân, nhưng bây giờ chúng tôi biết không phải vậy.”
Sự thay đổi này là do một số ít các parabol bằng bạc ở sa mạc Atacama của Chile. Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA) được thiết kế để phát hiện ánh sáng từ các vật thể mát, có kích thước milimet, chẳng hạn như các hạt bụi xung quanh các ngôi sao mới sinh. Bắt đầu từ năm 2013, ALMA đã chụp được những hình ảnh tuyệt đẹp về các hệ sao trẻ sơ sinh được điêu khắc tinh xảo, với các hành tinh giả định được nhúng trong các đĩa mờ xung quanh các ngôi sao mới.
Các nhà thiên văn học trước đây tưởng tượng những đĩa này giống như những quầng sáng mịn và càng khuếch tán khi chúng mở rộng ra bên ngoài, ra khỏi ngôi sao. Nhưng ALMA cho thấy những đĩa có khoảng trống sâu và tối, giống như các vành đai của Sao Thổ; những người khác với vòng cung và hình sợi; và một số có chứa các hình xoắn ốc, giống như các thiên hà thu nhỏ. David Nesvorny, một nhà thiên văn học tại Viện Nghiên cứu Tây Nam ở Boulder, Colorado, cho biết: “ALMA đã thay đổi hoàn toàn lĩnh vực này.
ALMA bác bỏ mô hình cổ điển về sự hình thành hành tinh. “Bây giờ chúng tôi phải từ chối nó và bắt đầu suy nghĩ về các mô hình hoàn toàn khác,” Drążkowska nói. Các quan sát cho thấy, thay vì phân tán trơn tru qua đĩa, bụi sẽ thu thập ở những nơi cụ thể, như bụi thích làm, và đó là nơi tạo ra các phôi hành tinh sớm nhất. Ví dụ, một số bụi có thể kết tụ lại với nhau tại “đường tuyết”, khoảng cách từ ngôi sao nơi nước đóng băng. Gần đây, Morbidelli và Konstantin Batygin, một nhà thiên văn học tại Viện Công nghệ California, lập luận rằng bụi cũng kết tụ tại một đường ngưng tụ nơi silicat tạo thành giọt thay vì hơi. Những dòng ngưng tụ này có thể gây ra tắc đường, hạn chế tốc độ bụi rơi về phía ngôi sao và cho phép nó chất thành đống.
“Đó là một mô hình mới,” Morbidelli nói.
Từ các hạt bụi hình thành Hành tinh
Ngay cả trước khi ALMA cho thấy nơi bụi thích tích tụ, các nhà thiên văn học vẫn đang vật lộn để hiểu làm thế nào nó có thể tích tụ đủ nhanh để hình thành một hành tinh – đặc biệt là một hành tinh khổng lồ. Khí bao quanh mặt trời sơ sinh sẽ tan biến trong khoảng 10 triệu năm, có nghĩa là sao Mộc sẽ phải thu thập phần lớn khí trong khung thời gian đó. Điều đó có nghĩa là bụi phải hình thành lõi của sao Mộc rất sớm sau khi mặt trời bốc cháy. Sứ mệnh Juno tới Sao Mộc cho thấy hành tinh khổng lồ có thể có một lõi lông mịn, cho thấy nó hình thành nhanh. Nhưng bằng cách nào?
Vấn đề, rõ ràng đối với các nhà thiên văn học kể từ khoảng năm 2000, là sự nhiễu loạn, áp suất khí, nhiệt, từ trường và các yếu tố khác sẽ ngăn bụi quay quanh mặt trời theo những đường thẳng hoặc trôi dạt thành những đống lớn. Hơn nữa, bất kỳ cục lớn nào cũng có thể bị hút vào mặt trời bởi lực hấp dẫn.
Năm 2005, Andrew Youdin và Jeremy Goodman, khi đó thuộc Đại học Princeton, đã công bố một lý thuyết mới về các đám bụi đã đi một phần con đường hướng tới một giải pháp. Họ lập luận rằng một vài năm sau khi mặt trời bốc cháy, khí chảy xung quanh ngôi sao tạo thành những luồng gió ngược buộc bụi tập trung lại thành từng đám, và giữ cho các đám này không rơi vào ngôi sao. Khi những con thỏ bụi nguyên thủy ngày càng lớn hơn và dày đặc hơn, cuối cùng chúng sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính mình thành những vật thể nhỏ gọn. Ý tưởng này, được gọi là sự không ổn định của dòng chảy, hiện đang là một mô hình được chấp nhận rộng rãi về cách các hạt bụi kích thước milimet có thể nhanh chóng biến thành đá lớn. Cơ chế này có thể tạo thành các hành tinh có chiều ngang khoảng 100 km, sau đó hợp nhất với nhau trong các vụ va chạm.
Các nhà thiên văn vẫn phải vật lộn để giải thích sự hình thành của các hành tinh như Sao Mộc.
Vào năm 2012, Anders Johansen và Michiel Lambrechts, cả hai đều tại Đại học Lund ở Thụy Điển, đã đề xuất một biến thể về sự tăng trưởng của hành tinh được gọi là bồi tụ đá cuội. Theo ý tưởng của họ, phôi hành tinh có kích thước bằng hành tinh lùn Ceres phát sinh qua sự bất ổn định của dòng chảy nhanh chóng lớn hơn nhiều. Lực hấp dẫn và lực cản trong đĩa hoàn cảnh sẽ khiến các hạt bụi và đá cuội xoắn lên những vật thể này, chúng sẽ phát triển thành hình chóp, giống như một quả cầu tuyết lăn xuống dốc.
Sự bồi tụ của đá cuội hiện là một lý thuyết được ưa chuộng về cách tạo ra các lõi khí khổng lồ, và nhiều nhà thiên văn học cho rằng nó có thể diễn ra trong các hình ảnh ALMA đó, cho phép các hành tinh khổng lồ hình thành trong vài triệu năm đầu tiên sau khi một ngôi sao được sinh ra. Nhưng sự liên quan của lý thuyết đối với các hành tinh nhỏ trên cạn gần mặt trời đang gây tranh cãi. Johansen, Lambrechts và năm đồng tác giả đã công bố nghiên cứu vào năm ngoái cho thấy cách những viên sỏi trôi vào trong có thể nuôi dưỡng sự phát triển của sao Kim, Trái đất, sao Hỏa và Theia – một thế giới bị xóa sổ đã va chạm với Trái đất, cuối cùng tạo ra mặt trăng. Nhưng vấn đề vẫn còn. Miki Nakajima, một nhà thiên văn học tại Đại học Rochester, cho biết sự bồi tụ của những viên sỏi không nói lên nhiều điều về những tác động khổng lồ như vụ tai nạn Trái đất-Theia, vốn là những quá trình quan trọng trong việc hình thành các hành tinh trên mặt đất. Bà nói: “Mặc dù quá trình bồi tụ đá cuội rất hiệu quả và là một cách tuyệt vời để tránh các vấn đề với mô hình cổ điển, nhưng dường như đây không phải là cách duy nhất” để tạo ra các hành tinh.
Morbidelli bác bỏ ý tưởng đá cuội hình thành thế giới đá, một phần vì các mẫu địa hóa cho thấy Trái đất hình thành trong một thời gian dài, và vì các thiên thạch đến từ đá có nhiều độ tuổi khác nhau. “Đó là vấn đề về vị trí,” anh nói. “Các quy trình khác nhau tùy thuộc vào môi trường. Tại sao không, phải không? Tôi nghĩ điều đó có ý nghĩa định tính ”.
Các tài liệu nghiên cứu xuất hiện gần như mỗi tuần về các giai đoạn đầu của sự phát triển của hành tinh, với các nhà thiên văn học tranh cãi về các điểm ngưng tụ chính xác trong tinh vân mặt trời; liệu các hành tinh có bắt đầu bằng các vòng rơi xuống các hành tinh hay không; khi sự bất ổn định phát trực tuyến bắt đầu; và khi nào thì sự bồi đắp của viên sỏi, và ở đâu. Mọi người không thể đồng ý về cách Trái đất được xây dựng, chưa nói đến các hành tinh trên cạn xung quanh các ngôi sao xa xôi.
Các hành tinh đang di chuyển
Năm kẻ lang thang trên bầu trời đêm – Sao Thủy, Sao Kim, Sao Hỏa, Sao Mộc và Sao Thổ – là những thế giới duy nhất được biết đến ngoài thế giới này trong hầu hết lịch sử nhân loại. 26 năm sau khi Kant công bố giả thuyết hình cầu của mình, William Herschel đã tìm thấy một kẻ lang thang khác, mờ nhạt hơn và đặt tên cho nó là Uranus. Sau đó, Johann Gottfried Galle phát hiện ra Sao Hải Vương vào năm 1846. Sau đó, một thế kỷ rưỡi sau, số lượng các hành tinh đã biết đột nhiên tăng vọt.
Nó bắt đầu vào năm 1995, khi Didier Queloz và Thị trưởng Michel của Đại học Geneva hướng kính viễn vọng vào một ngôi sao giống như mặt trời có tên 51 Pegasi và nhận thấy nó đang chao đảo. Họ suy ra rằng nó đang bị kéo bởi một hành tinh khổng lồ gần nó hơn so với sao Thủy đối với mặt trời của chúng ta. Chẳng bao lâu, nhiều “sao Mộc nóng” gây sốc này đã được nhìn thấy quay quanh các ngôi sao khác.
Cuộc săn tìm ngoại hành tinh diễn ra sau khi kính viễn vọng không gian Kepler mở ống kính vào năm 2009. Giờ đây, chúng ta biết vũ trụ được xếp bằng các hành tinh; gần như mọi ngôi sao đều có ít nhất một, và có thể nhiều hơn nữa. Tuy nhiên, hầu hết dường như đều có các hành tinh mà chúng ta thiếu: ví dụ: sao Mộc nóng, cũng như một lớp thế giới hạng trung lớn hơn Trái đất nhưng nhỏ hơn sao Hải Vương, được đặt biệt danh là “siêu Trái đất” hoặc “sao Hải vương phụ”. Không có hệ thống sao nào được tìm thấy giống với hệ sao của chúng ta, với bốn hành tinh đá nhỏ gần mặt trời và bốn hành tinh khí khổng lồ quay xung quanh rất xa. Seth Jacobson, một nhà thiên văn học tại Đại học Bang Michigan, cho biết: “Đó dường như là một điều gì đó độc nhất trong hệ mặt trời của chúng ta.
Nhập mô hình Nice, một ý tưởng có thể hợp nhất các kiến trúc hành tinh hoàn toàn khác nhau. Vào những năm 1970, phân tích địa hóa của các loại đá do các phi hành gia Apollo thu thập cho thấy mặt trăng đã bị tiểu hành tinh vùi dập 3,9 tỷ năm trước – một sự kiện giả định được gọi là Vụ ném bom hạng nặng muộn. Vào năm 2005, lấy cảm hứng từ bằng chứng này, Morbidelli và các đồng nghiệp ở Nice lập luận rằng sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương và sao Hải Vương không hình thành ở vị trí hiện tại của chúng, như mô hình tinh vân mặt trời sớm nhất được lưu giữ, mà thay vào đó đã di chuyển vào khoảng 3,9 tỷ năm trước. Trong mô hình Nice (như lý thuyết đã được biết đến), các hành tinh khổng lồ đã thay đổi quỹ đạo của chúng một cách dữ dội vào thời điểm đó, điều này gây ra một trận đại hồng thủy về phía các hành tinh bên trong.
Bằng chứng cho vụ Bắn phá hạng nặng muộn không còn được coi là thuyết phục, nhưng mô hình Nice đã mắc kẹt. Morbidelli, Nesvorny và những người khác hiện kết luận rằng những người khổng lồ có lẽ đã di cư sớm hơn trong lịch sử của họ, và điều đó – trong một mô hình quỹ đạo được gọi là Grand Tack – lực hấp dẫn của sao Thổ có lẽ đã ngăn sao Mộc di chuyển theo hướng về phía mặt trời, nơi thường có những sao Mộc nóng. tìm.
Nói cách khác, chúng ta có thể đã gặp may trong hệ mặt trời của mình, với nhiều hành tinh khổng lồ luôn kiểm soát lẫn nhau, để không có hành tinh nào quay về phía mặt trời và phá hủy các hành tinh đá.
Jonathan Lunine, một nhà thiên văn học tại Đại học Cornell, cho biết: “Trừ khi có điều gì đó ngăn cản quá trình đó, chúng ta sẽ kết thúc với những hành tinh khổng lồ gần như gần với các ngôi sao chủ của chúng. “Di cư vào trong có thực sự là một kết quả cần thiết của sự phát triển của một hành tinh khổng lồ bị cô lập không? Sự kết hợp của nhiều hành tinh khổng lồ có thể ngăn cản cuộc di cư đó là gì? Đó là một vấn đề lớn. ”
Theo Morbidelli, còn có “một cuộc tranh luận gay gắt về thời điểm” của cuộc di cư hành tinh khổng lồ – và khả năng nó thực sự giúp phát triển các hành tinh đá hơn là đe dọa phá hủy chúng sau khi chúng lớn lên. Morbidelli vừa khởi động một dự án kéo dài 5 năm để nghiên cứu xem liệu một cấu hình quỹ đạo không ổn định ngay sau khi mặt trời hình thành có thể giúp khuấy động các tàn tích đá, lôi kéo các thế giới trên mặt đất ra đời hay không.
Kết quả là nhiều nhà nghiên cứu hiện nay cho rằng các hành tinh khổng lồ và sự di cư của chúng có thể ảnh hưởng đáng kể đến số phận của những người anh em đá của chúng, trong hệ mặt trời này và những hành tinh khác. Các thế giới có kích thước sao Mộc có thể giúp di chuyển các tiểu hành tinh xung quanh hoặc chúng có thể hạn chế số lượng các thế giới trên mặt đất hình thành. Đây là giả thuyết hàng đầu để giải thích tầm vóc nhỏ bé của Sao Hỏa: Nó sẽ lớn hơn, có thể bằng kích thước Trái đất, nhưng ảnh hưởng trọng trường của Sao Mộc đã cắt đứt nguồn cung cấp vật chất. Nhiều ngôi sao được kính viễn vọng Kepler nghiên cứu chứa các siêu Trái đất ở những quỹ đạo gần, và các nhà khoa học đang phân vân về việc liệu những ngôi sao đó có khả năng đi cùng với các hành tinh khổng lồ ở xa hơn hay không. Rachel Fernandes, một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Arizona, cho biết: điều này cho thấy rằng vẫn chưa có đủ dữ liệu để chắc chắn. “Đó là một trong những điều thực sự thú vị tại các hội nghị,” cô nói. “Bạn giống như,” Ừ thì hét vào mặt nhau, nhưng khoa học nào tốt hơn? “Bạn không biết.”
Phục hồi hành tinh
Gần đây, Jacobson đã đưa ra một mới mô hình thay đổi hoàn toàn chuyển thời gian của người mẫu Nice. Trong một bài đăng trên tạp chí Nature in tháng 4, ông, Beibei Liu của Đại học Giang ở Trung Quốc và Sean Raymond của Đại học Bordeaux ở Pháp cho rằng sức mạnh của dòng khí có thể làm cho các nhà hành tinh không dùng được di chỉ vài năm sau khi chúng hình thành – Sớm hơn 100 lần so với mô hình Nice ban đầu và có thể là trước khi trái đất hình thành.
Trong mô hình mới, các hành tinh “hồi phục”, di chuyển tới rồi lùi ra ngoài khi mặt trời làm nóng khí trong đĩa và thổi bay nó vào quên lãng. Sự phục hồi này có thể xảy ra bởi vì, khi một hành tinh khổng lồ nhỏ được tắm trong một đĩa khí ấm, nó cảm thấy một lực kéo vào trong đối với khí dày đặc gần ngôi sao hơn và một lực kéo ra ngoài từ khí ra xa hơn. Lực kéo vào bên trong lớn hơn, vì vậy hành tinh con dần dần di chuyển đến gần ngôi sao của nó. Nhưng sau khi khí bắt đầu bay hơi, vài triệu năm sau khi ngôi sao ra đời, sự cân bằng sẽ thay đổi. Nhiều khí còn lại ở phía xa của hành tinh so với ngôi sao, vì vậy hành tinh bị kéo ra ngoài.
Sự phục hồi “là một cú sốc khá lớn đối với hệ thống. Nó có thể làm mất ổn định một sự sắp xếp rất tốt đẹp, ”Jacobson nói. “Nhưng điều này thực hiện rất tốt trong việc giải thích [đặc điểm] của các hành tinh khổng lồ về độ nghiêng và độ lệch tâm của chúng.” Nó cũng theo dõi bằng chứng rằng các sao Mộc nóng được nhìn thấy trong các hệ sao khác đang ở trên quỹ đạo không ổn định – có lẽ bị ràng buộc để phục hồi.
Giữa các dòng ngưng tụ, đá cuội, di cư và hồi phục, một câu chuyện phức tạp đang hình thành. Tuy nhiên, hiện tại, một số câu trả lời có thể đang bị che giấu. Hầu hết các đài quan sát tìm kiếm hành tinh sử dụng các phương pháp tìm kiếm để đảo ngược các hành tinh có quỹ đạo gần với các ngôi sao chủ của chúng. Lunine cho biết anh muốn thấy những người săn hành tinh sử dụng phép đo thiên văn, hoặc phép đo chuyển động của các ngôi sao trong không gian, có thể tiết lộ các thế giới quay xung quanh xa. Nhưng ông và những người khác hào hứng nhất với Kính viễn vọng Không gian La Mã Nancy Grace, dự kiến phóng vào năm 2027. Roman sẽ sử dụng phương pháp microlensing, đo cách ánh sáng từ một ngôi sao nền bị biến dạng bởi lực hấp dẫn của một ngôi sao tiền cảnh và các hành tinh của nó. Điều đó sẽ cho phép kính thiên văn chụp các hành tinh có khoảng cách quỹ đạo giữa Trái đất và sao Thổ – một “điểm ngọt”, Lunine nói.
Nesvorny cho biết các nhà lập mô hình sẽ tiếp tục mày mò mã và cố gắng tìm hiểu các điểm tốt hơn của sự phân bố hạt, đường băng, điểm ngưng tụ và các chất hóa học khác có thể đóng vai trò trong đó các hành tinh kết hợp với nhau. Ông nói: “Sẽ mất vài thập kỷ tới để hiểu chi tiết điều đó.
Thời gian là bản chất của vấn đề. Sự tò mò của con người có thể là không có giới hạn, nhưng cuộc sống của chúng ta rất ngắn, và sự ra đời của các hành tinh kéo dài hàng chục năm. Thay vì xem quá trình diễn ra, chúng tôi chỉ có ảnh chụp nhanh từ các điểm khác nhau.
Batygin, nhà thiên văn học Caltech, đã so sánh nỗ lực cực nhọc để thiết kế ngược các hành tinh với việc cố gắng tạo mô hình một con vật, dù chỉ là một con vật đơn giản. Batygin nói: “Một con kiến phức tạp hơn một ngôi sao. “Bạn hoàn toàn có thể tưởng tượng việc viết một đoạn mã chụp một ngôi sao với độ chi tiết khá tốt,” trong khi “bạn không bao giờ có thể lập mô hình vật lý và hóa học của một con kiến và hy vọng có thể nắm bắt được toàn bộ. … Trong quá trình hình thành hành tinh, chúng ta đang ở đâu đó giữa một con kiến và một ngôi sao. ”