MỘT HÀNH TINH SINH RA TỪ TRO TÀN CỦA NGÔI SAO

Khi một ngôi sao như Mặt Trời cạn nhiên liệu, nó phình ra thành một sao khổng lồ, thổi các lớp ngoài vào không gian và để lại một sao lùn trắng: một lõi đặc, nguội dần. Nhiều sao lùn trắng cho thấy trong khí quyển có những nguyên tố nặng lẽ ra phải chìm khuất chỉ trong vài ngày. Lời giải thích nay đã được xác lập vững chắc: chúng đang nuốt mảnh vỡ của các thiên thể hành tinh bị vỡ vụn. Mảnh vỡ đó đa dạng, nhưng nhìn chung giống đá trong chính Hệ Mặt Trời của chúng ta.

Các hành tinh thường hình thành cùng lúc với ngôi sao của chúng, trong đĩa khí và bụi bao quanh nó. Đó là những hành tinh thế hệ thứ nhất. Về nguyên tắc, một hành tinh cũng có thể hình thành sau khi ngôi sao của nó đã chết, từ vật chất mà ngôi sao văng ra. Các hành tinh quanh sao xung (pulsar) nhìn chung được cho là thuộc thế hệ thứ hai này. Chưa có hành tinh nào như vậy được nhận diện quanh một sao lùn trắng.

Một trăm vạch chưa được giải thích

HS 0209+0832 là một sao lùn trắng nóng và trẻ, bề mặt khoảng 35.800 độ, mới nguội được chừng 5 triệu năm, cách chúng ta khoảng 82,6 parsec. Nó từ lâu đã là một ca kỳ lạ. Khí quyển hydro của nó chứa khoảng 1% heli, thứ mà ở nhiệt độ này lẽ ra phải chìm xuống trong vài tháng. Và một phổ tử ngoại do Kính viễn vọng Không gian Hubble chụp năm 1999 cho thấy cacbon, nhôm, silic, canxi, titan, niken và kẽm — cộng thêm khoảng một trăm vạch không ai nhận diện được.

Jamie Williams, Boris Gänsicke và các đồng nghiệp từ Đại học Warwick cùng tám cơ sở khác đã phân tích lại các phổ lưu trữ đó từ Hubble, từ vệ tinh tử ngoại FUSE và từ Kính Thiên văn Rất Lớn (VLT). Với dữ liệu nguyên tử cập nhật, phần lớn các vạch bí ẩn hóa ra là đồng và niobi — riêng niobi đã có 62 vạch. Không ai trong số 33 sao lùn trắng nóng, bị ô nhiễm khác mà FUSE quan sát cho thấy niobi.

Giàu kim loại hiếm, nghèo đá

Sau đó nhóm tính toán xem thứ gì đang rơi vào ngôi sao. Một số nguyên tố được chính ánh sáng của ngôi sao nâng đỡ một phần, khiến việc tính toán phức tạp hơn, nên họ tập trung vào những nguyên tố không bị như vậy. Kết quả không khớp với bất kỳ sao lùn trắng hay thiên thạch nào đã biết:

• Các nguyên tố nặng hơn sắt — kẽm, đồng, niobi — được làm giàu mạnh. So với canxi, niobi dồi dào hơn một nghìn lần so với trong Mặt Trời.
• Không phát hiện sắt, còn silic chỉ có ở dạng vết, trong khi hai nguyên tố này chiếm khoảng 48% khối lượng Trái Đất. Có lượng niken nhiều hơn gấp đôi sắt, trong khi trên Trái Đất niken chỉ bằng khoảng 5% lượng sắt.
• Nitơ, oxy, phốt pho và lưu huỳnh khan hiếm: đây không phải một sao chổi băng.

Dấu vân tay của một ngôi sao hấp hối

Những sao khổng lồ gần cuối đời tạo ra phần lớn các nguyên tố trong vũ trụ được hình thành nhờ bắt neutron chậm, gọi là “quá trình s” — trong đó có niobi. Dùng 138 mô hình của những ngôi sao như vậy, các tác giả chỉ ra rằng gió của chúng có thể được làm giàu niobi và stronti tới cả trăm lần, làm giàu vừa phải niken, đồng và kẽm, và hoàn toàn không làm giàu sắt hay silic.

Kịch bản của họ: một bạn đồng hành gần của ngôi sao ban đầu đã bị nuốt trong giai đoạn sao khổng lồ. Lớp vỏ của ngôi sao bị phóng ra và tạo thành một đĩa giàu các nguyên tố quá trình s, nơi một hành tinh khổng lồ sau đó lớn lên, gần sao lùn trắng mới sinh. Ngược lại, trong một hành tinh bình thường, không quá trình nào đã biết có thể tạo ra nhiều niobi đến thế: trong 100 ngôi sao đã đo được niobi, tỉ lệ cao nhất so với canxi vẫn thấp hơn ở đây hơn 200 lần.

Một hành tinh bị bắt quả tang đang bốc hơi

Heli cũng đang đổ về, mà các thiên thể đá thì không cung cấp heli. Các tác giả kết luận rằng sao lùn trắng nhiều khả năng đang ăn lớp khí quyển thoát ra từ một hành tinh khổng lồ bị nung nóng bởi ánh sáng tử ngoại dữ dội của nó.

Dữ liệu từ vệ tinh TESS của NASA bổ sung một manh mối: độ sáng của hệ dao động 0,12% với chu kỳ 4,4 ngày, chậm hơn nhiều so với tốc độ tự quay thông thường của sao lùn trắng. Điều đó sẽ khớp với một hành tinh quay quanh ở khoảng cách 0,044 đơn vị thiên văn. Có hai cách hiểu được đưa ra: chu kỳ ngày–đêm của một hành tinh khổng lồ trẻ, vẫn còn nóng, với phía ban ngày mù sương, hoặc một cái đuôi giống sao chổi gồm khí bốc hơi đi qua trước ngôi sao — điều cũng có thể giải thích vì sao lượng heli đo được thay đổi.

Những gì vẫn chưa khớp

Các tác giả nêu ra một số câu đố. Stronti vắng mặt: mọi mô hình đều dự đoán nhiều stronti hơn niobi, vậy mà ở đây stronti hiếm hơn cả trăm lần. Niobi thậm chí vượt quá giá trị cao nhất trong các mô hình của họ, và lượng niken dư so với sắt rất khó giải thích. Một số ngôi sao được làm giàu bởi vật chất từ sao khổng lồ cũng cho thấy nhiều niobi hơn stronti, gợi ý một quá trình mà các mô hình bỏ sót; hóa học trong khí quyển của hành tinh cũng có thể xáo trộn lại các nguyên tố. Chưa ai từng mô hình hóa khí quyển của một hành tinh thế hệ thứ hai.

Thiên thể này vẫn chỉ là một ứng viên. Để tìm những trường hợp khác, nhóm đề xuất tìm cùng dấu hiệu đó trong phổ tử ngoại của các sao lùn trắng nóng: thật nhiều cacbon và các nguyên tố quá trình s. Việc phát hiện chì sẽ giúp xác định chính xác thành phần của ngôi sao ban đầu.