NƠI MỘT NGÔI SAO TRẺ THIÊU RỤI CARBON CỦA MÌNH

Carbon là bộ khung của sự sống như ta biết: chiếm hơn một nửa khối lượng khô của cơ thể người. Thế nhưng Trái Đất lại thiếu carbon một cách kỳ lạ. Phần lớn đá của hành tinh chúng ta, tính trên cùng một khối lượng, chứa ít carbon hơn khoảng bốn bậc độ lớn — tức mười nghìn lần — so với Mặt Trời, hay so với bụi liên sao mà từ đó Trái Đất ra đời. Nhiều cách giải thích đã được đưa ra, từ ánh sáng tử ngoại đến sự oxy hóa, nhưng không cách nào giải thích được trọn vẹn.

Một nghi phạm là nhiệt. Carbon trong các hạt bụi tồn tại dưới nhiều dạng — carbon vô định hình giống bồ hóng, hydrocarbon, than chì — bị phân hủy ở những nhiệt độ khác nhau. Từ khoảng 500 kelvin, đường bồ hóng (soot line), những dạng dễ bay hơi nhất thoát đi; đến khoảng 1.200 kelvin, ngay cả carbon vô định hình cũng biến mất. Các công trình trước đây ước tính rằng quá trình nung nóng này hẳn đã xảy ra trong một triệu năm đầu tiên của quá trình hình thành Trái Đất.

Một ngôi sao bị bắt gặp ở “thời điểm số không”

HOPS-68 là một ngôi sao rất trẻ trong đám mây phân tử Orion, cách chúng ta khoảng 414 parsec. Một nghiên cứu song hành của cùng nhóm đã cho thấy phần giữa của đĩa trong của nó đạt tới 1.400 kelvin — đủ nóng để mọi loại bụi bay hơi. Hệ Mặt Trời của chúng ta cũng từng trải qua một giai đoạn như vậy: đó là “thời điểm số không” trong hồ sơ thiên thạch, khi các hạt giàu canxi và nhôm ngưng tụ từ khí nóng gần Mặt Trời trẻ. Chỉ có hai ngôi sao trẻ, khối lượng thấp được biết đến là ứng viên cho thời khắc đó, cả hai đều ở Orion.

F. J. Ballieux, M. K. McClure và các đồng nghiệp, tại Đại học Leiden cùng các đối tác ở Hoa Kỳ và Đức, nay đã khảo sát carbon trong quang phổ của nó, thu được bằng Thiết bị Hồng ngoại Trung (Mid-Infrared Instrument) của JWST, cùng với dữ liệu lưu trữ từ mạng kính thiên văn (dưới) milimét ALMA.

Một quang phổ đầy hydrocarbon

Ánh sáng của HOPS-68 bị cắt ngang bởi dấu vân tay của nhiều phân tử carbon:

hydro xyanua và axetylen ấm, ở khoảng 320 và 430 kelvin, với lượng lớn — nhiều hơn khoảng 20 lần so với quanh ngôi sao “thời điểm số không” còn lại. Chúng di chuyển về phía chúng ta với vận tốc 39 đến 53 kilômét mỗi giây so với ngôi sao, giống như khí chứa oxy vốn là dấu vết của một luồng gió thổi khỏi đĩa;
các phân tử lạnh hơn, khoảng 40 đến 55 kelvin, gồm diaxetylen (C₄H₂), gốc methyl và carbon monosulfide, có lẽ nằm ở đĩa ngoài hoặc dọc theo thành của khoang rỗng do dòng thoát của ngôi sao khoét ra;
triaxetylen (C₆H₂), một chuỗi sáu nguyên tử carbon, được phát hiện lần đầu tiên quanh một ngôi sao trẻ.

ALMA bổ sung thêm một manh mối: gốc C₂H phủ dọc thành của khoang dòng thoát, di chuyển ra ngoài cùng với luồng phản lực thay vì rơi vào trong.

Một vùng phá hủy carbon

Các tác giả đề xuất một kịch bản. Giữa đường bồ hóng và điểm mà ngay cả carbon vô định hình cũng bay hơi — khoảng 500 đến 1.200 kelvin — là nơi họ gọi là “vùng phá hủy carbon chịu nhiệt” (refractory carbon destruction zone): ở đó, toàn bộ carbon rắn rời khỏi các hạt bụi và trở thành khí. Tại HOPS-68, vùng bên trong rất nóng đẩy vùng này ra xa hơn và mở rộng nó. Carbon được giải phóng sau đó hoặc bị ngôi sao nuốt chửng, hoặc bị gió đĩa cuốn đi.

Dù theo cách nào, bụi trong vùng nơi các hành tinh đá hình thành cũng mất đi carbon của nó. Theo gợi ý của nhóm nghiên cứu, cùng quá trình đó có thể đã góp phần vào sự thiếu hụt carbon của Trái Đất. Lượng carbon mà gió thực sự lấy đi vẫn còn phải được đo.

Xa hơn, ánh sáng tử ngoại bẻ gãy axetylen thành C₂H, chất này phản ứng với thêm axetylen để tạo nên những chuỗi dài hơn như C₄H₂ và C₆H₂. Trong khoảng 900 đến 1.100 kelvin, vùng phá hủy thậm chí có thể rèn nên các hydrocarbon thơm đa vòng, như trong một ngọn lửa — điều này vẫn còn chờ được xác nhận.

Từ một tiền sao đến các tiểu hành tinh

Nghiên cứu có hai hệ quả rộng hơn. Thứ nhất, các chuỗi carbon thấy quanh những ngôi sao trẻ khác thường được quy cho khí rơi vào từ lớp vỏ khí bao quanh; tại HOPS-68 chúng rõ ràng đang chảy ra ngoài, điều này gợi ý rằng thứ hóa học này có thể lại là dấu vết của các dòng thoát.

Thứ hai, các mẫu vật mang về từ các tiểu hành tinh Ryugu và Bennu chứa dồi dào chất hữu cơ dạng chuỗi (“mạch hở”, aliphatic). Vì các chuỗi dài của HOPS-68 hình thành bên ngoài luồng gió, chúng không bị thổi bay đi; về sau chúng có thể rơi trở lại đĩa ngoài. Các tác giả gợi ý rằng những chuỗi như vậy có thể góp phần vào chất hữu cơ của các tiểu hành tinh và thiên thạch. Nếu đúng vậy, HOPS-68 sẽ cho thấy, trong cùng một hệ trẻ, cả sự hình thành của những hạt thiên thạch đó lẫn vật chất giàu carbon mà chúng nằm lẫn trong — một phiến đá Rosetta cho sự hình thành những thiên thể nhỏ đầu tiên của một hệ hành tinh.