Các mô phỏng máy tính mới cho thấy planetesimal (tiểu hành tinh sơ khai) – những “viên gạch” rắn đầu tiên trong quá trình hình thành các hành tinh như Trái Đất, có thể đã xuất hiện chỉ khoảng 100 triệu năm sau Vụ Nổ Lớn (Big Bang).
Khi đó, vũ trụ chưa đầy 1% tuổi hiện tại và những thế hệ sao đầu tiên mới bắt đầu làm thay đổi thành phần hóa học của toàn bộ vũ trụ.
Phát hiện này đẩy mốc thời gian có thể bắt đầu hình thành các hành tinh đá sớm hơn hàng tỷ năm so với quan niệm truyền thống.
Quan trọng hơn, nó mở ra khả năng những môi trường có tiềm năng hỗ trợ sự sống cũng có thể xuất hiện sớm hơn rất nhiều trong lịch sử vũ trụ.
Những ngôi sao đầu tiên đã gieo “hạt giống” cho hành tinh đá
Vụ Nổ Lớn tạo ra một vũ trụ chủ yếu gồm hydro và heli, cùng một lượng rất nhỏ một số nguyên tố nhẹ khác.
Trong khi đó, carbon, oxy, sắt, silicon và nhiều nguyên tố cần thiết để hình thành hành tinh đá phải được tạo ra sau đó bên trong các ngôi sao.
Một số ngôi sao đầu tiên, được gọi là sao Quần thể III (Population III hay Pop III), được cho là có khối lượng cực lớn.
Khi những ngôi sao này đi đến cuối vòng đời, chúng phát nổ và giải phóng các nguyên tố mới được tổng hợp vào không gian xung quanh.
Quá trình này biến những đám mây khí gần như nguyên thủy thành vật liệu hóa học phức tạp hơn, từ đó có thể hình thành những thế hệ sao và hành tinh tiếp theo.
Đặc biệt, một dạng vụ nổ sao cực mạnh có thể đã thúc đẩy quá trình này nhanh hơn đáng kể.
Các nhà khoa học dự đoán siêu tân tinh mất ổn định cặp (pair-instability supernova) có thể xảy ra ở một số ngôi sao có khối lượng đặc biệt lớn.
Khác với những vụ nổ siêu tân tinh thông thường để lại một tàn dư sao, vụ nổ dạng này có thể phá hủy hoàn toàn ngôi sao và giải phóng một lượng khổng lồ các nguyên tố mới được tạo ra.
Theo các mô hình, một số siêu tân tinh mất ổn định cặp thuộc thế hệ Pop III có thể phóng ra lượng nguyên tố nặng tương đương hơn 100 lần khối lượng Mặt Trời.
Những nguyên tố này trộn với khí xung quanh, làm tăng “độ kim loại” của đám mây khí – thuật ngữ thiên văn dùng để chỉ sự phong phú của các nguyên tố nặng hơn hydro và heli.
Khi mức độ này đủ cao, các hạt vật chất rắn có thể hình thành và dần dần trở thành nguyên liệu để tạo ra hành tinh.
Hành tinh đá có thể hình thành chỉ 100 triệu năm sau Big Bang
Nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học, trong đó có Daniel Whalen thuộc Đại học Portsmouth dẫn đầu đã mô phỏng những gì có thể xảy ra tiếp theo.
Theo Whalen, nghiên cứu mới, trong đó nghiên cứu sinh tiến sĩ Chris Jessop thực hiện phần đầu tiên của chuỗi mô phỏng, cho thấy tiền thân của các hành tinh đất đá có thể hình thành quanh những ngôi sao khối lượng thấp, sống lâu trong tàn tích của các vụ nổ vũ trụ đầu tiên, chỉ 100 triệu năm sau Big Bang.
Để hình dung quy mô thời gian này, tuổi của vũ trụ hiện được ước tính khoảng 13,8 tỷ năm.
Điều đó có nghĩa các quá trình hình thành hành tinh có thể đã bắt đầu gần như ngay ở buổi bình minh của vũ trụ.
Các mô phỏng theo dõi một đám khí giàu nguyên tố nặng khi nó sụp đổ dưới tác động của lực hấp dẫn, hình thành một ngôi sao tương đối nhỏ được bao quanh bởi một đĩa tiền hành tinh đang quay.
Đây về cơ bản cũng là cấu trúc từng tồn tại quanh Mặt Trời trẻ và là nơi các hành tinh trong Hệ Mặt Trời hình thành.
Điểm khác biệt là hệ thống này xuất hiện vào thời kỳ vũ trụ còn cực kỳ trẻ.
Trong mô hình của các nhà nghiên cứu, ngôi sao mới hình thành có khối lượng khoảng 70% Mặt Trời. Xung quanh nó, bụi và các vật chất rắn khác tích tụ trong đĩa tiền hành tinh, sau đó bắt đầu kết tụ thành các planetesimal.
Đây là một bước trung gian quan trọng trong quá trình hình thành hành tinh. Ban đầu, những hạt bụi nhỏ va chạm và kết dính với nhau, dần tạo thành các vật thể lớn hơn.
Khi planetesimal xuất hiện, những vụ va chạm tiếp theo cùng tương tác hấp dẫn có thể tạo nên các phôi hành tinh và cuối cùng là những hành tinh hoàn chỉnh.
Đáng chú ý, mô phỏng tạo ra lượng planetesimal tương đương vài lần khối lượng Trái Đất, tập trung ở khoảng cách từ 0,5 đến 1 đơn vị thiên văn (AU) tính từ ngôi sao.
Một AU tương đương khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trời, vào khoảng 150 triệu kilomet.
Điều này cho thấy sự thiếu hụt nguyên liệu tạo hành tinh có thể không phải yếu tố khiến quá trình hình thành các thế giới đá bị trì hoãn trong hàng tỷ năm như một số giả thuyết trước đây.
Nước đã xuất hiện trong đĩa hình thành hành tinh cổ đại
Một phát hiện đặc biệt đáng chú ý khác liên quan đến nước.
Các nghiên cứu trước đây của Whalen và cộng sự cho thấy nước có thể hình thành trong những đám mây khí dày đặc được làm giàu bởi các siêu tân tinh nguyên thủy chỉ khoảng 100-200 triệu năm sau Big Bang.
Nghiên cứu mới đưa kịch bản này tiến thêm một bước, từ sự hình thành nước trong các đám mây khí sang giai đoạn hình thành hành tinh.
Whalen cho biết điều đáng ngạc nhiên nhất là đĩa tiền hành tinh trong mô phỏng cũng chứa lượng nước đáng kể, chỉ thấp hơn vài lần so với lượng nước có sẵn khi Hệ Mặt Trời hình thành.
Điều đó đồng nghĩa các hành tinh hình thành trong hệ thống cổ đại này về nguyên tắc có thể nhận nước theo cách tương tự Trái Đất.
Theo các nhà nghiên cứu, trong quá trình phát triển, những hành tinh sơ khai có thể nhận nước từ vật chất ở xa ngôi sao hơn.
Cơ chế này tương tự một số kịch bản được đề xuất để giải thích cách Trái Đất nguyên thủy nhận được lượng nước đáng kể trong quá trình hình thành.
Hành tinh đá có thể ra đời trước Trái Đất hàng tỷ năm
Nếu kịch bản này đúng, lịch sử tiến hóa hành tinh của vũ trụ sẽ dài hơn đáng kể so với những gì con người từng hình dung.
Trái Đất hình thành khoảng 4,5 tỷ năm trước, tức hơn 9 tỷ năm sau Big Bang.
Một thế giới đá xuất hiện vào thời kỳ bình minh vũ trụ sẽ có thể tồn tại trước Trái Đất hàng tỷ năm.
Tất nhiên, điều đó chưa có nghĩa những hành tinh như vậy chắc chắn đã hình thành, tồn tại đến ngày nay hay từng phát triển điều kiện thích hợp cho sự sống.
Nghiên cứu hiện vẫn dựa trên các mô phỏng số, chứ chưa phải bằng chứng quan sát trực tiếp về một hệ hành tinh cổ đại.
Hơn nữa, vũ trụ sơ khai là một môi trường rất khác và thường xuyên xảy ra những sự kiện dữ dội.
Tuy nhiên, nghiên cứu đã chỉ ra một điều quan trọng: những nguyên liệu và quá trình vật lý cần thiết để bắt đầu hình thành hành tinh đá có thể đã xuất hiện đáng kinh ngạc chỉ một thời gian rất ngắn sau khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu sản xuất các nguyên tố nặng.
Theo Whalen, phát hiện này cho thấy các điều kiện cần thiết để hình thành hành tinh có thể đã tồn tại sớm hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.
Và nếu điều đó đúng, một câu hỏi lớn hơn lập tức xuất hiện: liệu những thế giới có khả năng sinh sống cũng có thể đã xuất hiện từ rất lâu trước khi Trái Đất ra đời?
Câu trả lời vẫn nằm trong tương lai, nhưng những mô phỏng mới đang mở rộng đáng kể “cửa sổ thời gian” mà giới khoa học có thể tìm kiếm những thế giới ngoài Trái Đất và dấu vết của sự sống trong vũ trụ.
(Theo SciTechDaily, Space)
