Bí ẩn của ‘Oumuamua

‘Oumuamua có thể là tiểu hành tinh đầu tiên đến từ ngoài hệ Mặt trời sẽ hé lộ cho chúng ta phần nào câu hỏi “có tồn tại sự sống ngoài Trái đất hay không”?

Minh hoạ hình dạng kỳ dị của tiểu hành tinh ‘Oumumua đang bị bay hơi do bị bức xạ nhiệt của các sao đốt nóng. Nguồn NASA/JPL. 

‘Oumuamua, tiếng Hawaii có nghĩa là “người báo tin”, là vật thể đầu tiên đến từ môi trường liên sao, được phát hiện băng qua hệ Mặt trời vào năm 2017 bằng quan sát Pan-STARRS đặt tại Hawaii. Ở thời điểm gần nhất, ‘Oumuamua, với kích thước cỡ 200 m, chỉ cách chúng ta khoảng 24 triệu km (gần bằng 1/6 khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời). ‘Oumuamua đã thu hút sự quan tâm rất lớn của công chúng và các nhà thiên văn bởi đây là lần đầu tiên chúng ta phát hiện ra một tiểu hành tinh đến từ một hệ hành tinh khác ghé thăm. Việc phát hiện ra ‘Oumuamua đã mang đến cho các nhà thiên văn một cơ hội hiếm hoi để nghiên cứu về tính chất vật lý và hóa học và điều kiện hình thành các hệ Mặt trời xa xôi, từ đó trả lời câu hỏi liệu có tồn tại sự sống ngoài Trái đất hay không. 

Tuy nhiên, ‘Oumuamua mang những tính chất dị thường mà giới khoa học chưa thể trả lời được. Thứ nhất, ‘Oumuamua có hình dạng vô cùng đặc biệt, dài như điếu thuốc cigar hoặc dẹt giống chiếc đĩa (Hình 1). Tỷ số bán trục dài lớn hơn bán trục ngắn hơn sáu lần, điều này không giống với bất cứ tiểu hành tình nào từng thấy trong hệ Mặt trời. Thứ hai, khi rời khỏi hệ Mặt trời, ‘Oumuamua chuyển động nhanh hơn so với dự đoán dựa trên tác dụng của lực hấp dẫn Mặt trời. Để giải thích cho tính chất này của ‘Oumuamua, người ta suy luận là ắt phải tồn tại một lực phi hấp dẫn nào đó đủ khả năng tạo ra một gia tốc trội (acceleration excess). Thông thường, nếu là sao chổi thì gia tốc trội được sinh ra từ sự bay hơi của băng phân tử. Tuy nhiên, sử dụng kính thiên văn hồng ngoại Spitzer, các nhà thiên văn không quan sát thấy ở ‘Oumuamua có sự bay hơi của khí và bụi giống như với các sao chổi. Vì vậy, nguyên nhân của gia tốc trội của tiểu hành tinh này vẫn là điều bi ẩn.

Các giả thuyết về nguồn gốc của ‘Oumuamua

Đến nay, nguồn gốc của ‘Oumuamua cũng như tính kỳ dị của nó vẫn còn là điều bí ẩn. Vì vậy, các nhà thiên văn học đã đưa ra nhiều các giả thuyết khác nhau về ‘Oumuamua, trong đó đáng chú ý là bốn giả thuyết sau:

1. ‘Oumuamua được hình thành trong đĩa tiền hành tinh và bị văng ra trong quá trình các tiểu hành tinh va chạm với nhau.
2. ‘Oumuamua ban đầu có hình dạng bình thường nhưng trở nên kỳ dị trong quá trình bào mòn do va chạm với khí và bụi của môi trường liên sao.
3. ‘Oumuamua là một mảnh vỡ của một hành tinh khi chúng bay gần một hệ sao và bị phá hủy do lực hấp dẫn thủy triều.
4. ‘Oumuamua có thể là phi thuyền của người ngoài hành tinh viếng thăm Trái đất.

Gần đây nhất, hai nhà khoa học Mỹ, Darryl Seligman và Gregory Laughlin từ Đại học Yale đã đề xuất ‘Oumuamua là một tảng băng phân tử hydro. Theo giả thuyết này thì băng hydro sẽ thăng hoa (sublimation) do bị bức xạ Mặt trời đốt nóng, tạo ra phản lực và gây ra gia tốc phi hấp dẫn. Trong khi đó, phân tử hydro không phát xạ mạnh ở vùng hồng ngoại do không có mô men lưỡng cực điện do đối xứng phân tử (chỉ có phát yếu ớt do dịch chuyển dao động-quay tứ cực), nên sự bay hơi của chúng không thể quan sát được thông qua phổ phát xạ. Ngoài ra, sự thăng hoa của băng hydro cũng có thể giải thích được hình dạng kỳ dị của ‘Oumuamua. 

Đề xuất này rất thú vị vì trước đây, băng phân tử hydro đã được đề xuất để giải thích bản chất vật chất tối – một loại vật chất không quan sát thấy bằng bức xạ điện từ và chiếm tới 75% vật chất trong vũ trụ. Đi tìm bản chất của vật chất tối là một trong các vấn đề lớn nhất của vật lý thiên văn hiện nay.

Hình 1. Quỹ đạo hình hyperbol của tiểu hành tinh ‘Oumuamua khi bay qua hệt Mặt trời từ ngày 29/7/2017 đến 28/10/2017. Quỹ đạo của ‘Oumuamua gần như vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo do các hành tinh trong hệ Mặt trời tạo ra. Nguồn: Wikipedia.

Hydro là nguyên tố hóa học chiếm tới 90% khối lượng của vật chất “nhìn thấy” trong vũ trụ. Các quan sát thiên văn học cho thấy hydro chủ yếu tồn tại ở trạng thái khí. Về mặt lý thuyết, khi nhiệt độ môi trường giảm sâu tới dưới ~14 K (-2590C), chẳng hạn như trong lõi các đám mây phân tử khổng lồ, phân tử hydro có thể dính vào trên bề mặt của hạt bụi và tạo thành hạt băng hydro do quá trình bồi tụ. Trong môi trường vũ trụ, băng hydro sẽ thăng hoa ở nhiệt độ rất thấp, chỉ vài độ K. Các quan sát thiên văn học đến nay chưa tìm thấy bằng chứng của băng hydro trong vũ trụ. 

‘Oumuamua có là “tảng băng phân tử hydro”?

Ý tưởng của Darryl Seligman và Gregory Laughlin về việc ‘Oumuamua là một tảng băng phân tử hydro dựa trên giả thiết là băng hydro được tạo thành ở trong lõi của các đám mây phân tử khổng lồ (Giant Molecular Clouds-GMCs), nơi nhiệt độ được giảm tới mức thấp nhất có thể, cỡ vài K, gần bằng nhiệt độ phông nền vi sóng vũ trụ (Cosmic Microwave Background Radiation). Vì vậy, nếu ‘Oumuamua thực sự là một tảng băng hydro, đầu tiên chúng phải được tạo thành trong lõi đám mây và phải bền vững trong quá trình di chuyển từ nơi sinh ra cho đến hệ Mặt trời.

Ý tưởng của họ đã gợi ý cho tôi và Abraham Loeb, giáo sư Frank B. Baird Jr. tại Đại học Harvard, cùng tập trung vào các câu hỏi căn bản: Liệu các tảng băng phân tử Hydro có thể hình thành được trong vũ trụ hay không? Băng hydro có thể bền vững trong quá trình chuyển động từ nơi nó hình thành đến hệ Mặt trời? Liệu vật chất tối có thể bao gồm băng phân tử hydro hay không? Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Astrophysical Journal Letters, “Destruction of molecular hydrogen ice and Implications for 1I/2017 U1 (‘Oumuamua)” (Sự phá hủy tảng băng phân tử hydro và những gợi ý cho 1I/2017 U1 (‘Oumuamua)).

Dựa trên các tính toán chi tiết, chúng tôi nhận thấy có bốn điểm quan trọng mà chúng tôi rút ra từ ‘Oumuamua: 1. Trong điều mật độ cao ở lõi các đám mây phân tử khổng lồ (GMCs), việc hình thành các hạt băng phân tử hydro (có bán kính cỡ micro mét) không thể diễn ra, bởi vì nhiệt sinh ra do va chạm của phân tử khí với hạt băng hydro dễ dàng đốt nóng băng hydro lên trên 3 K, làm chúng thăng hoa rất nhanh. Các hạt băng hydro bị phá hủy trước khi chúng có thể kết hợp với nhau để phát triển thành các khối băng có kích thước lớn; 2 Nếu các khối băng hydro có kích thước hàng trăm mét có thể được tạo thành trong đám mây bụi khí khổng lồ thông qua một quá trình vật lý nào đó chưa biết, thì các khối băng này sẽ bị quá trình thăng hoa do sự đốt nóng bởi va chạm khi di chuyển từ lõi đám mây khổng lồ ra môi trường liên sao phá hủy; 3. Khi di chuyển trong môi trường liên sao, bức xạ từ các ngôi sao sẽ đốt nóng bề mặt của khối băng hydro. Vì vậy tảng băng có kích thước ‘Oumuamua sẽ bị phá trước khi chúng có thể bay tới hệ Mặt trời; 4. Khối băng hydro có kích thước cỡ 200 m, bằng kích thước của ‘Oumuamua, dễ dàng bị phá hủy do quá trình thăng hoa nhiệt khi chúng đi vào hệ Mặt trời và bị phá hủy trước khi chúng có thể thoát ra khỏi hệ Mặt trời. Điều này không phù hợp với thực tế là ‘Oumuamua vẫn an toàn rời khỏi hệ Mặt trời chúng ta. 

Những thông tin này có nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu bản chất của vật thể liên sao đầu tiên ‘Oumuamua, cũng như sự hình thành và tồn tại của một loại vật thể hoàn toàn mới trong vũ trụ-vật thể cấu tạo từ băng phân tử hydro. Thứ nhất, chúng tôi bác bỏ giả thuyết ‘Oumuamua là một tảng băng phân tử hydro” bởi vì các tảng băng này dễ dàng bị phá hủy do quá trình thăng hoa khi chúng di chuyển trong môi trường liên sao và hệ Mặt trời. Thứ hai, giả thuyết vật chất tối có nguồn gốc từ băng hydro nguyên thủy thật khó thuyết phục bởi vì băng phân tử hydro không thể được hình thành trong vũ trụ, ngay cả nơi lạnh lẽo nhất là lõi đám mây khổng lồ. 
Kết quả này một lần nữa cho ta thấy bản chất của ‘Oumuamua vẫn còn là điều bí ẩn. Trong tương lai sẽ có thêm nhiều vật thể liên sao được các kính thiên văn tối tân phát hiện. Điều này sẽ giúp chúng ta hiểu sâu sắc thêm về bản chất của ‘Oumuamua, về thành phần hóa học của các hệ Mặt trời xa xôi, từ đó cho chúng ta từng bước tìm ra lời giải cho câu hỏi “có tồn tại sự sống trong vũ trụ hay không”.□

Tài liệu tham khảo:
Seligman D; Laughlin G (2020). “Evidence that 1I/2017 U1 (‘Oumuamua) was Composed of Molecular Hydrogen Ice“, ApJL, 896L, 82
Hoang, T.; Loeb, A. (2020). “Destruction of molecular hydrogen ice and Implications for 1I/2017 U1 (‘Oumuamua)”. arXiv:2006.0808