Khi Galileo Galilei, một nhà toán học tại Đại học Padua, hướng một chiếc kính thiên văn do chính ông tạo ra trên bầu trời, ông đã choáng ngợp với những gì ông nhìn thấy – hơn 500 ngôi sao mới trong chòm sao Orion, bên cạnh ba ngôi sao quen thuộc trong chòm sao thợ săn. thắt lưng và sáu trong thanh kiếm.

Vào tháng 500, các nhà thiên văn học đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb để phóng to một trong những ngôi sao ở giữa của thanh kiếm và xác định được khoảng 1610 điểm khác chưa từng thấy trước đây. Các thế giới quá nhỏ và mờ đến mức chúng làm mờ đi ranh giới giữa ngôi sao và hành tinh. Đó là một sự mơ hồ đã khiến Galileo lo lắng, người gọi các mặt trăng của Sao Mộc vừa là “sao” vừa là “hành tinh” trong cùng một trang trong luận thuyết thiên văn học năm XNUMX của ông, và nó vẫn tiếp tục gây rắc rối cho các nhà thiên văn học ngày nay.

“Khi chúng ta nhìn vào hệ mặt trời, tất cả đều đẹp đẽ và gọn gàng. Bạn có được mặt trời và bạn có được các hành tinh,” nói Samuel Pearson, một nhà thiên văn học của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA). Không có gì ở giữa. Nhưng “khi bạn thực sự đến và quan sát,” Pearson nói, “bạn nhận ra rằng có đầy đủ [vật thể với] về cơ bản có mọi khối lượng ở giữa.”

Quan sát JWST củng cố một danh mục ngày càng tăng các vật thể biệt lập chiếm giữ vùng xám này giữa các hành tinh khổng lồ và các ngôi sao nhỏ. Đôi khi được gọi là các hành tinh “trôi tự do” hoặc “bất hảo”, những thế giới đơn độc này trôi dạt tự do trong không gian. Trong khi các nhà thiên văn học có thể ước tính khối lượng của những quả bóng khí có khối lượng bằng sao Mộc này, nguồn gốc của chúng vẫn còn bí ẩn. Chúng có thực sự là những hành tinh - “Sao Mộc” từng quay quanh các ngôi sao nhưng bằng cách nào đó đã bị phun ra ngoài? Hay chúng giống những ngôi sao siêu nhỏ không thể bốc cháy?

Thay vì trả lời câu hỏi này, quan sát của JWST làm tăng thêm bí ẩn: Mắt hồng ngoại của kính thiên văn phát hiện ra rằng hàng chục thế giới dường như xếp thành từng cặp quay quanh nhau – một sự sắp xếp khó hiểu, nếu được xác nhận, sẽ thách thức những kỳ vọng.

“Chúng tôi đang thiếu một cái gì đó,” nói Nienke van der Marel, một nhà nghiên cứu nghiên cứu sự hình thành hành tinh tại Đài thiên văn Leiden ở Hà Lan, “và chúng tôi không biết nó là gì”.

Những cặp đôi không thể xảy ra này không thể được giải thích dễ dàng bằng bất kỳ lý thuyết hình thành nào đã biết về các ngôi sao hoặc các hành tinh chuyển động tự do. Nhưng trong vòng một tuần sau thông báo của JWST, các nhà nghiên cứu đã công bố một ý tưởng mới táo bạo mô tả cách các hành tinh khổng lồ có thể bị đẩy ra khỏi hệ thống nhà của chúng theo cặp – một sự kiện mà hầu hết các nhà nghiên cứu đều nghĩ là không thể. Liệu đề xuất này có thể giải thích đầy đủ cho toàn bộ vườn thú của những thế giới mờ ảo, không có sao hay không vẫn còn phải chờ xem. Nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng rằng sự hiểu biết tinh tế về các thế giới trôi nổi tự do và các hệ sao tạo ra chúng đã nằm trong tầm tay.

“Nếu thực sự [khám phá này] được xác nhận,” nói Peter Plavchan, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học George Mason, người không tham gia vào việc phát hiện các cặp sao Mộc, “nó sẽ thực sự mang tính đột phá”.

Thế giới đen tối ở mọi nơi

Các thế giới trôi nổi tự do đã thoát khỏi sự chú ý của các nhà thiên văn học trong nhiều thế kỷ vì chúng cực kỳ tối. Để hợp nhất hydro và tỏa sáng rực rỡ, các ngôi sao cần phải nặng ít nhất gấp 80 lần Sao Mộc. Thế giới Rogue nhẹ hơn nhiều và thường được định nghĩa là có trọng lượng nhỏ hơn 13 Sao Mộc. (Bất cứ thứ gì từ 13 đến 80 Sao Mộc đều có thể hợp nhất một biến thể hydro nặng hơn và được phân loại là sao lùn nâu, hay cái mà các nhà thiên văn học đôi khi gọi một cách lãng mạn là “ngôi sao thất bại”).

Trên thực tế, khả năng tàng hình tương đối của các hành tinh chuyển vùng tự do từng khiến một số nhà vật lý thiên văn tự hỏi liệu có đủ những vật thể này để giải thích cho vật chất tối – khối lượng không xác định dường như giữ các thiên hà lại với nhau hay không. Câu hỏi này đã thúc đẩy các nhà thiên văn học tìm kiếm dấu hiệu của những thế giới như vậy vào những năm 1990, họ đã thực hiện bằng cách tìm kiếm những cách thức tinh tế mà theo đó lực hấp dẫn của chúng sẽ làm biến dạng hình dáng của các ngôi sao mà chúng đi qua phía trước. Bản chất gián tiếp của những cuộc khảo sát “vi thấu kính” này không phù hợp lắm để xác định từng vật thể trôi nổi tự do, nhưng chúng cho thấy rằng không có đủ thứ gì ở ngoài kia để tạo nên vật chất tối.

Những hình ảnh đầu tiên về thế giới giả mạo xuất hiện vào những năm 2000, khi các nhà thiên văn học phát hiện ra một vài đối tượng vẫn phát sáng dưới ánh sáng hồng ngoại do sức nóng của quá trình hình thành. Dựa trên những quan sát đó, một nguồn gốc có thể đã xuất hiện. Năm 2010, các nhà vật lý thiên văn bao gồm Sean Raymond tại Đại học Bordeaux ở Pháp đã mô phỏng sự tiến hóa của các hệ hành tinh và phát hiện ra rằng khi một hành tinh khí khổng lồ đẩy một hành tinh anh chị em ra khỏi hệ hành tinh của chúng, như đôi khi xảy ra, thì việc trục xuất kéo dài quỹ đạo của người sống sót thành một hình elip. Các nhà thiên văn học đã nhìn thấy những quỹ đạo lệch này, mà nhóm của Raymond và các nhà nghiên cứu khác giải thích là vết sẹo của chấn thương liên hành tinh trong quá khứ.

Danh mục đáng kể đầu tiên về các thế giới trôi nổi tự do không đến từ những người săn hành tinh mà đến từ những người săn sao đang tìm kiếm những vật thể giống sao có trọng lượng thậm chí còn nhỏ hơn các sao lùn nâu. Núria Miret Roig của Đại học Vienna và Hervé Bouy của Đại học Bordeaux đang tìm kiếm sao lùn nâu lùn nhất trong chòm sao Scorpius, nơi chứa một tinh vân khí tạo ra rất nhiều ngôi sao và hành tinh. Giữa hơn 26 triệu điểm sáng hồng ngoại trong 80,000 hình ảnh, họ đã tìm kiếm những vật thể phát sáng mờ di chuyển qua tầm nhìn của họ trong các quan sát kéo dài 20 năm. Vào năm 2021, họ thông báo rằng họ đã tìm thấy số tiền thưởng khoảng 100 đối tượng ứng cử viên từ 4 đến 13 lần khối lượng Sao Mộc — tăng số lượng thế giới bất hảo được biết đến lên khoảng năm lần.

Với nhiều hơn một số vật thể trôi nổi tự do để phân tích, các nhà nghiên cứu sau đó có thể bắt đầu đặt những câu hỏi cơ bản về việc những thế giới này đến từ đâu. Một khả năng là chúng đã kết hợp lại từ mảnh vụn hình đĩa bao quanh một ngôi sao mới sinh, giống như các hành tinh. Và rồi một cuộc gặp gỡ tình cờ nào đó với một người hàng xóm đã đẩy họ ra, theo kiểu mô phỏng năm 2010 của Raymond.

Khả năng thứ hai là chúng đã hình thành riêng lẻ khi một đám mây hydro và heli cô lập trở nên đủ dày đặc để co lại thành một quả bóng. Đây là cách các ngôi sao được sinh ra và nó sẽ khiến những thế giới này ít giống các hành tinh hơn mà giống những sao lùn nâu nhỏ nhất trong thiên hà.

Miret Roig và Bouy kết luận rằng các ứng cử viên của họ có thể chứa đựng những thế giới đã hình thành theo cả hai cách. Những vật thể nhẹ nhất có lẽ là các hành tinh bị lõm, mặc dù các nhà thiên văn học đã tìm thấy quá nhiều trong số chúng để có thể dễ dàng giải thích chỉ bằng các mô hình phóng hành tinh.

Miret Roig nói: “Có rất nhiều hành tinh trôi nổi tự do và chúng có thể hình thành theo những cơ chế khác nhau”.

Có vẻ như có sự kết hợp của cả hai nguồn gốc. Nhưng các nhà nghiên cứu không thể nói rõ có bao nhiêu trong số 100 thế giới trôi nổi tự do là các hành tinh và bao nhiêu là giống như các ngôi sao.

Ba ngày sau khi Miret Roig và Bouy đăng kết quả của họ, JWST ra mắt, cùng với một kỷ nguyên mới cho việc săn tìm hành tinh nổi tự do.

Giọt của sao Mộc

Các nhà thiên văn học đã nghi ngờ rằng JWST sẽ là một cỗ máy tìm kiếm hành tinh trôi nổi tự do. Nó nằm xa hơn vùng tối của bầu khí quyển Trái đất. Chiếc gương khổng lồ của nó mang lại cho nó độ nhạy cao hơn nhiều đối với các đặc điểm tinh tế của vũ trụ so với tiền thân của nó, Kính viễn vọng Không gian Hubble. Và nó thu được ánh sáng hồng ngoại, khiến nó trở nên hoàn hảo để phát hiện những thế giới phát sáng lờ mờ.

Pearson hợp tác với Mark McCaughrean, một nhà thiên văn học của ESA, để tìm kiếm các thế giới trôi nổi tự do sâu sắc hơn những gì có thể làm được trước đây. Họ bị mê hoặc bởi sự hình thành sao và sự hình thành hành tinh, đồng thời muốn nhắm mục tiêu vào các vật thể – như sao lùn nâu – trong “vùng xám hỗn loạn” giữa hai vật thể. Ở đó, “bạn sẽ có được sự giao thoa của cả hai thế giới,” Pearson nói. Vào tháng 2022 năm 35, Pearson và McCaughrean quay kính viễn vọng không gian về phía một ngôi sao trung tâm trên thanh kiếm treo trên thắt lưng của Orion. Trong XNUMX giờ.

Pearson phải mất nhiều tháng để sắp xếp kết quả là 12,500 Hình ảnh JWST của tinh vân Orion, từng pixel. Nhiệm vụ khó khăn này đã bị cản trở bởi độ nhạy tinh tế của kính thiên văn: Nhiều vật thể mờ nhạt thường được sử dụng làm điểm mốc đã làm mù con mắt siêu nhạy của JWST.

Ông nói: “Các sao lùn nâu thường khó nhìn thấy đã quét sạch các phần của máy dò. Đó “không phải là vấn đề tôi từng gặp phải với bất kỳ kính thiên văn nào khác”.

Sau khi hoàn thành bức tranh khảm vũ trụ, Pearson đã được thưởng vô số thế giới bí ẩn mà ông tìm kiếm: Hơn 500 vật thể trôi nổi tự do có khối lượng bằng một ít Sao Mộc lốm đốm tinh vân Orion. Nhưng điều ngạc nhiên thực sự là khi nhìn kỹ, anh thấy một điều gì đó ban đầu không có nhiều ý nghĩa. Một số đốm sáng là các cặp vật thể có khối lượng bằng Sao Mộc. Tổng cộng, ông đếm được 42 cặp sao Mộc quay tròn – một con số đáng kinh ngạc.

“Đợi đã, tại sao lại có những thứ mờ nhạt này thành cặp vậy?” Pearson nhớ lại và thắc mắc. “Sau đó, đồng xu rơi xuống và chúng tôi nhận ra rằng mình nên xem xét điều này thật cẩn thận.”

Từ góc độ lý thuyết, những bộ đôi này dường như gần như không thể. Chúng khó có thể là những hành tinh bị dồn nén; khi một hành tinh đẩy một hành tinh khác ra khỏi hệ sao, hành tinh bị đẩy ra hầu như luôn bay đi một mình. Nhưng chúng cũng không thể là sao, vì nhiều trong số chúng nặng chỉ bằng một sao Mộc – một khối lượng quá nhẹ để vật thể có thể hình thành trực tiếp từ một đám mây khí đang sụp đổ. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho bộ đôi bí ẩn của họ là Vật thể nhị phân khối lượng lớn Sao Mộc, hay viết tắt là JUMBO, và mô tả chúng trong một bản in trước được đăng vào ngày 2 tháng XNUMX.

JUMBO đã bắt gặp các chuyên gia về cả sự hình thành sao và hành tinh một cách thuận lợi. “Điều này chưa hề được dự đoán trước. Không có lý thuyết hiện tại nào mà chúng ta có thể mong đợi những vật thể hành tinh rộng lớn, trôi nổi tự do với những con số này,” nói. Matthew Bate, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Exeter chuyên về sự hình thành sao.

Các nhà thiên văn học trước đây đã quan sát thấy rằng mặc dù nhiều ngôi sao lớn quay tròn trong không gian cùng với các ngôi sao đồng hành, nhưng tỷ lệ các ngôi sao tách rời lại giảm theo khối lượng của chúng. Van der Marel cho biết: “Chúng tôi thường kỳ vọng xu hướng này sẽ tiếp tục. Vì vậy, cô ấy nói, tỷ lệ phần trăm các vật thể có khối lượng bằng Sao Mộc theo cặp “sẽ bằng 10”. Việc tăng tới XNUMX% chưa từng có trên thẻ bingo JWST của bất kỳ ai.

Điều đáng chú ý là ít nhất một số JUMBO có thể là ảo ảnh. Một vật thể càng nằm sâu trong môi trường bụi bặm (và tinh vân Orion cực kỳ bụi bặm) thì càng khó phân biệt nó với một ngôi sao ở xa, nặng hơn phía sau tinh vân, ngôi sao được cho là sẽ có một đối tác. Trong các nghiên cứu trước đây, khoảng 20% ​​đến 80% những thứ trông giống như thế giới trôi nổi tự do hóa ra lại là những ngôi sao vani. Miret Roig nói: “Người ta cần phải thận trọng một chút vào lúc này.

Vào mùa xuân, Pearson và McCaughrean sẽ sử dụng JWST để quan sát lại loạt thế giới trôi nổi tự do của họ, lần này với dải màu sắc phong phú hơn. Những quan sát tiếp theo này sẽ giúp xác nhận JUMBO nào là có thật bằng cách tìm kiếm dấu vết khí mê-tan hoặc nước trong khí quyển của chúng, một dấu hiệu nhận biết về các thế giới có khối lượng bằng Sao Mộc.

“Một khi bạn đã có quang phổ,” Pearson nói, “về cơ bản sẽ không có nơi nào để trốn.”

Mô phỏng nhanh chóng

Ngay cả khi không có sự xác nhận, các nhà lý thuyết vẫn đang chạy đua để giải thích những thế giới phức tạp này.

Rosalba Perna, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Stony Brook, đã nghe nói về JUMBO của Orion trên bản tin, trước khi cô ấy đọc bài báo của Pearson. Perna và Dịch Hán Vương của Đại học Nevada, Las Vegas đã nghiên cứu điều gì xảy ra khi một ngôi sao bay ngang qua một hệ mặt trời khác. Họ chủ yếu tập trung vào việc mô phỏng các hệ thống với một hành tinh khổng lồ duy nhất. Nhưng JUMBO khiến Perna băn khoăn: Điều gì sẽ xảy ra nếu có hai hành tinh khổng lồ? Cô gọi cho Wang và yêu cầu anh xem điều gì sẽ xảy ra nếu anh đưa một Sao Mộc thứ hai vào mô phỏng.

Wang đã thiết lập chương trình của mình để ném các ngôi sao kỹ thuật số vào vô số hệ sao gồm hai sao Mộc từ mọi góc độ. Anh ấy cũng thiết lập phần mềm để thông báo cho anh ấy nếu ngôi sao “kẻ xâm nhập” đưa cả hai hành tinh cùng nhau lao vào không gian – tạo ra một JUMBO. Sau đó, anh gửi mã tới cụm máy tính tại trường đại học của mình và đi ăn trưa.

Khi Wang quay lại văn phòng và kiểm tra máy tính, anh tìm thấy một danh sách các cảnh báo có nội dung “hành tinh nhị phân đã hình thành!!!”

Từ hàng chục tỷ mô phỏng, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc khởi động các cặp Sao Mộc tương đối dễ dàng nếu các hành tinh ở khá gần nhau khi ngôi sao cướp bóc quét qua. Điều này đặc biệt xảy ra thường xuyên đối với những nước láng giềng có quỹ đạo cách đều nhau (hãy nghĩ đến Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương). Trong những trường hợp như vậy, có tới 20 trong số 100 lần phóng tạo ra JUMBO (80 vụ phóng còn lại tạo ra các hành tinh đơn lẻ) - quá đủ để giải thích cho tỷ lệ 10% mà Pearson đã thấy ở Orion. Nhưng đối với các hành tinh có quỹ đạo cách xa nhau hơn (như Sao Mộc-Hải Vương Tinh), hầu hết tất cả các vụ phóng đều dẫn đến các hành tinh đơn độc.

Với ý kiến ​​đóng góp từ đồng nghiệp của Wang Triệu Hoàn Chu, nhóm làm việc suốt ngày đêm (và trong một trường hợp là trong chuyến bay đến Châu Âu). Bộ ba viết ra kết quả của mình và đã đăng một bản in trước vào ngày 9 tháng XNUMX, một tuần sau khi tìm thấy JUMBO.

Pearson nói: “Tốc độ họ viết hơi đáng sợ.

Các nhà vật lý thiên văn lý thuyết khác vẫn chưa hiểu hết các kết quả mới, nhưng họ thấy chúng hợp lý – và đáng ngạc nhiên. “Tôi không nghĩ rằng [tạo ra một cặp hành tinh trôi nổi tự do] là có thể thực hiện được từ quan điểm phóng,” Raymond nói. “Nhưng sau đó tờ báo này xuất hiện.”

Tuy nhiên, một số chi tiết của lý thuyết kẻ xâm nhập sao sẽ cần được nghiên cứu thêm. Tinh vân Orion là một nơi dày đặc với rất nhiều ngôi sao quay xung quanh, nhưng liệu nó có đủ hỗn loạn để tạo ra các hệ mặt trời trước tiên và sau đó phá vỡ chúng thành từng phần, tất cả chỉ trong vòng vài triệu năm? Ngoài ra, nhiều JUMBO của Pearson và McCaughrean quay quanh nhau ở khoảng cách rất xa; chúng ở xa nhau hơn nhiều lần so với Sao Diêm Vương cách Trái đất. Nhưng theo mô phỏng của Wang, cách duy nhất để có được những JUMBO có khoảng cách rộng rãi như vậy là bắt đầu với những hệ mặt trời có khoảng cách tương tự, điều mà các nhà thiên văn học hiếm khi nhìn thấy.

“Chúng tôi biết từ việc tìm kiếm hình ảnh trực tiếp về các ngôi sao trẻ rằng rất ít ngôi sao có hành tinh khổng lồ trên quỹ đạo [rộng],” Bate nói. “Thật khó để chấp nhận rằng có nhiều hệ hành tinh lớn ở Orion bị phá vỡ.”

Có rất nhiều đối tượng lừa đảo

Tại thời điểm này, nhiều nhà nghiên cứu nghi ngờ có nhiều cách để tạo ra những vật thể kỳ lạ ở giữa này. Ví dụ, với một số câu hỏi khó, các nhà lý thuyết có thể phát hiện ra rằng sóng xung kích siêu tân tinh có thể nén các đám mây khí nhỏ hơn và giúp chúng phân hủy thành các cặp sao nhỏ dễ dàng hơn dự kiến. Và mô phỏng của Wang đã chỉ ra rằng việc khởi động các hành tinh khổng lồ theo cặp, ít nhất trong một số trường hợp, về mặt lý thuyết là không thể tránh khỏi.

Trong khi vẫn còn nhiều câu hỏi, vô số thế giới trôi nổi tự do được phát hiện trong hai năm qua đã dạy cho các nhà nghiên cứu hai điều. Đầu tiên, chúng hình thành nhanh chóng - qua hàng triệu năm chứ không phải hàng tỷ năm. Ở Orion, các đám mây khí đã sụp đổ và các hành tinh được hình thành, và có lẽ một số thậm chí đã bị các ngôi sao bay ngang qua kéo xuống vực thẳm, trong suốt thời gian con người hiện đại đang tiến hóa trên Trái đất.

Van der Marel nói: “Việc hình thành một hành tinh trong 1 triệu năm nữa là điều khó khăn với các mô hình hiện tại. “[Khám phá] này sẽ bổ sung thêm một mảnh ghép nữa vào câu đố đó.”

Thứ hai, có rất nhiều thế giới không bị ràng buộc ngoài kia. Và những gã khổng lồ về khí nặng là những thứ khó bị trục xuất nhất khỏi hệ thống của chúng, giống như một quả bóng bowling sẽ là vật khó đánh bật khỏi bàn bi-a nhất. Quan sát này cho thấy rằng cứ mỗi Sao Mộc được phát hiện thì có rất nhiều Sao Hải Vương và Trái Đất trôi nổi tự do sẽ không được chú ý.

Chúng ta có thể đang sống trong một thiên hà chứa đầy những thế giới bị trục xuất ở mọi quy mô.

Giờ đây, gần nửa thiên niên kỷ sau khi Galileo ngạc nhiên trước vô số đốm sáng – mặt trăng, hành tinh và các ngôi sao – trên bầu trời Trái đất, những người kế nhiệm ông đang làm quen với phần nổi sáng nhất của tảng băng trôi gồm những vật thể tối hơn trôi dạt giữa chúng. Những ngôi sao nhỏ, thế giới không có sao, tiểu hành tinh vô hình, sao chổi ngoài hành tinh và hơn thế nữa.

“Chúng tôi biết có rất nhiều chuyện tào lao giữa các vì sao,” Raymond nói. Loại nghiên cứu này đang “mở ra một cánh cửa về tất cả những điều đó, không chỉ các hành tinh trôi nổi tự do mà cả những thứ trôi nổi tự do nói chung”.

Quanta đang tiến hành một loạt cuộc khảo sát để phục vụ khán giả của chúng tôi tốt hơn. Lấy của chúng tôi khảo sát độc giả vật lý và bạn sẽ được tham gia để giành chiến thắng miễn phí Quanta hàng hóa.