Hầu hết các hành tinh trong vũ trụ là những hành tinh mồ côi không có ngôi sao mẹ

Được gọi là hành tinh mồ côi, hành tinh lưu lạc, hoặc hành tinh không có ngôi sao mẹ, những kẻ ngoại đạo này có thể là loại hành tinh phổ biến nhất trong toàn bộ vũ trụ.

Ở đây, trong Hệ Mặt Trời, chúng ta có thể quan sát tám hành tinh quay quanh ngôi sao của mình một cách tự tin, với nhận thức rằng chúng ta đã khám phá ít nhất phần lớn các hành tinh hình cầu lớn, làm sạch quỹ đạo quanh Mặt Trời. Nhưng có một lịch sử dài 4,5 tỷ năm mà từ góc nhìn hiện tại, chúng ta không thể biết rõ. Điều duy nhất chúng ta có thể chắc chắn là những hành tinh nào đã tồn tại đến ngày nay.

Những hành tinh đã từng tồn tại nhưng bị đẩy ra ngoài

Vậy những thế giới nào đã được hình thành xung quanh Mặt Trời của chúng ta từ thuở ban đầu nhưng sau đó bị đẩy ra ngoài bởi một quá trình trọng lực đầy bạo lực thì sao?

Vậy những thế giới nào lẽ ra đã trở thành hành tinh nếu chúng được hình thành xung quanh một ngôi sao, thay vì trong khoảng không gian liên sao?

Trong vài năm gần đây, chúng ta bắt đầu tìm thấy những hành tinh mồ côi này – đôi khi được gọi là hành tinh lưu lạc – ở các khoảng trống giữa các ngôi sao. Dựa trên những gì chúng ta biết về các ngôi sao, trọng lực và sự tiến hóa vũ trụ, chúng ta có thể ước tính sơ bộ về tổng số lượng hành tinh trong vũ trụ. Con số này có thể lớn hơn số lượng các ngôi sao từ 10 đến 100.000 lần. Không gian đầy rẫy các hành tinh, và phần lớn trong số chúng thậm chí không có ngôi sao nào cả.

Trong thế hệ vừa qua, chúng ta bắt đầu hiểu rằng các hệ hành tinh như Hệ Mặt Trời của chúng ta là quy tắc trong vũ trụ, thay vì là ngoại lệ. Các nghiên cứu về ngoại hành tinh cho chúng ta thấy, thông qua cả phương pháp quá cảnh và phương pháp dao động của các ngôi sao, rằng không chỉ hầu hết (nếu không muốn nói là tất cả) các ngôi sao có khả năng có hành tinh quanh chúng, mà hầu hết các ngôi sao này còn có các thế giới với nhiều khối lượng, kích thước và chu kỳ quỹ đạo khác nhau.

Các ngôi sao có thể có những hành tinh khí khổng lồ ở phần trong của hệ hành tinh, có nhiều hành tinh nằm trong quỹ đạo của sao Thủy, hoặc có những hành tinh nằm cách xa hơn cả sao Hải Vương trong Hệ Mặt Trời.

Chúng ta có thể nói rằng có lẽ sự đa dạng về các thế giới quay quanh những ngôi sao khác lớn hơn nhiều so với những gì chúng ta từng đoán dựa vào Hệ Mặt Trời. Có lẽ có những ngôi sao với hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm hành tinh quay quanh; chúng ta hy vọng sẽ phát hiện ra điều này khi công nghệ quan sát ngày càng cải thiện.

Trung bình, chúng ta có thể nói rằng có khoảng 10 hành tinh cho mỗi ngôi sao trong dải Ngân Hà của chúng ta, mặc dù đây là một ước tính dựa trên thông tin chưa hoàn chỉnh. Số trung bình thực sự có thể là nhỏ hơn, chẳng hạn 3, hoặc lớn hơn, khoảng 30, nhưng con số 10 là một ước lượng hợp lý dựa trên những gì chúng ta biết đến nay.

Tuy nhiên, như đã đề cập trước đó, con số này chỉ đại diện cho những hành tinh còn tồn tại đến ngày nay. Trong suốt vòng đời của một hệ sao, có nhiều thế giới được tạo ra nhưng không tồn tại nguyên vẹn đến thời điểm hiện tại. Một số sẽ va chạm và hợp nhất với nhau, tạo thành những thế giới lớn hơn. Một số khác sẽ tương tác trọng lực và mất năng lượng, bị đẩy vào bên trong và có thể rơi vào ngôi sao trung tâm.

Sự tương tác trọng lực và những hành tinh bị đẩy

Những tương tác trọng lực phức tạp qua thời gian hoặc những lần tương tác đơn lẻ với các khối lớn đi ngang qua có thể dẫn đến sự phá vỡ và đẩy ra ngoài của các hành tinh lớn từ các hệ sao. Trong các giai đoạn đầu của một hệ sao, rất nhiều khối lượng bị đẩy ra ngoài chỉ bởi sự tương tác trọng lực giữa các tiền hành tinh.

Theo các mô phỏng, với mỗi hệ sao như Hệ Mặt Trời được hình thành, có ít nhất một hành tinh khí khổng lồ và khoảng 5 – 10 thế giới nhỏ hơn, đá hơn bị đẩy ra không gian liên sao, nơi chúng sẽ lang thang vô gia cư trong thiên hà. Điều này cho chúng ta biết rằng số lượng hành tinh không có ngôi sao có thể so sánh với số lượng hành tinh đang quay quanh các ngôi sao ngày nay.

Nhưng đây chỉ là những hành tinh mồ côi: những hành tinh từng có gia đình nhưng bị tách khỏi ngôi sao mẹ bởi lực đẩy trọng lực từ những người anh chị em. Đây là những Abel của vũ trụ, là nạn nhân của cuộc thảm sát anh em hành tinh.

Tuy nhiên, dù số lượng những thế giới này rất lớn, có thể đến hàng nghìn tỷ trong dải Ngân Hà, phần lớn các hành tinh lưu lạc chưa từng có cha mẹ. Để hiểu tại sao, chúng ta phải quay trở lại thời điểm các ngôi sao lần đầu tiên hình thành.

Những đám mây phân tử tối, bụi như Barnard 59, một phần của Tinh Vân Pipe, nổi bật lên khi chúng chặn ánh sáng từ các vật thể nền như sao, khí bị đốt nóng, và vật liệu phản xạ ánh sáng. Trong vũ trụ trẻ, trước thời điểm khoảng 550 triệu năm tuổi, một phần lớn các nguyên tử không bị ion hóa, vì vậy chúng rất hiệu quả trong việc chặn ánh sáng từ những ngôi sao nóng mới hình thành. Vì sao một thiên hà như JADES-GS-z13-1-LA lại có vạch phát xạ hydro sáng hiện vẫn là một bí ẩn đối với thiên văn học.

Khi bạn có một đám mây khí phân tử lớn và mát, nó sẽ phân mảnh và sụp đổ thành một số khối, nơi mà lực hấp dẫn kéo khối lượng vào bên trong và bức xạ đẩy nó ra ngoài. Nếu đám mây của bạn đủ mát và đủ lớn, nó có thể đạt đến nhiệt độ và mật độ đủ lớn tại lõi của các khối dày đặc nhất để kích hoạt quá trình tổng hợp hạt nhân và hình thành sao.

Trong một khu vực hình thành sao, có một cuộc đua dữ dội đang diễn ra giữa lực hấp dẫn, lực này cố gắng hình thành càng nhiều sao càng tốt với khối lượng lớn, và bức xạ, lực này thổi khí ra xa và kết thúc quá trình tăng trưởng hấp dẫn. Khi chúng ta nhìn vào một cụm sao mới sinh, mắt chúng ta sẽ cho rằng lực hấp dẫn đã thắng, bởi vì một số lượng lớn sao khổng lồ thường xuất hiện ngay lập tức.

Cụm sao lớn nhất trong nhóm địa phương, 30 Doradus ở Tinh Vân Tarantula, chứa những ngôi sao có khối lượng lớn nhất mà nhân loại biết đến cho đến nay. Điều không thể nhìn thấy trong bức ảnh này là hàng nghìn ngôi sao có khối lượng nhỏ, cũng như hàng triệu hành tinh lưu lạc được dự đoán là tồn tại.

Nhưng kết luận này thực ra là một sự đánh lừa. Với mỗi ngôi sao nóng, xanh, có khối lượng lớn mà chúng ta nhìn thấy, thường có hàng trăm, thậm chí hàng nghìn ngôi sao nhỏ hơn, có khối lượng thấp hơn khó có thể nhìn thấy vì chúng mờ và yếu hơn rất nhiều. Nhưng chỉ vì chúng bị lu mờ không có nghĩa là chúng không tồn tại!

Bốn trong năm ngôi sao trong vũ trụ là sao lùn đỏ: các ngôi sao có khối lượng từ 8% đến 40% khối lượng của Mặt Trời, nhưng những ngôi sao dễ nhìn thấy nhất lại có khối lượng lớn hơn Mặt Trời hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm lần. Khi những ngôi sao khổng lồ này cháy sáng và nóng, chúng thổi bay khí, loại khí có thể hình thành các ngôi sao mới. Chúng không chỉ ngăn các sao nhỏ hơn phát triển thêm, mà còn ngăn cản sự tăng trưởng trọng lực của các ngôi sao tiềm năng.

Nếu bạn xem xét tất cả khối lượng trong một đám mây phân tử trước khi nó hình thành sao, bạn sẽ thấy rằng 90% khối lượng quay trở lại môi trường liên sao; chỉ khoảng 10% khối lượng trở thành sao hoặc hành tinh. Những ngôi sao có khối lượng lớn nhất hình thành nhanh nhất, sau đó thổi bay lượng khí còn lại trong hàng triệu năm, ngăn chặn khả năng hình thành sao thêm nữa. Điều này để lại nhiều ngôi sao có khối lượng thấp và trung bình trong cụm sao, nhưng cũng tạo ra một số lượng lớn các sao thất bại: những khối vật chất không bao giờ đạt đến ngưỡng để trở thành sao.

Hành tinh lưu lạc và những kẻ không nhà

Theo một nghiên cứu vào năm 2012, với mỗi ngôi sao được hình thành, có từ 100 đến 100.000 hành tinh du mục cũng được tạo ra, và chúng sẽ lang thang không có sao, qua không gian liên sao.

Hãy nghĩ đến thực tế rằng hệ mặt trời của chúng ta chứa hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn vật thể có thể đáp ứng định nghĩa địa vật lý của một hành tinh, nhưng lại bị loại trừ về mặt thiên văn chỉ vì vị trí quỹ đạo của chúng. Giờ hãy cân nhắc rằng với mỗi ngôi sao như Mặt Trời của chúng ta, có khả năng hàng trăm sao thất bại chỉ đơn giản là không tích lũy đủ khối lượng để kích hoạt hợp hạch trong lõi của chúng. Đây là những hành tinh không nhà – hoặc hành tinh lưu lạc – mà số lượng vượt xa các hành tinh như Trái Đất của chúng ta, những hành tinh quay quanh các ngôi sao.

Những hành tinh lưu lạc này rất phổ biến, nhưng vì chúng ở rất xa và không tự phát sáng, chúng cực kỳ khó phát hiện.

Điều đáng chú ý là chúng ta đã phát hiện được bốn ứng viên hành tinh lưu lạc ngay cả trước kỷ nguyên của kính thiên văn James Webb (JWST). Trong sự bao la của không gian, những thiên thể không phát ra ánh sáng khả kiến này có thể được nhìn thấy, thông qua ánh sáng phản chiếu từ sao, bức xạ hồng ngoại của chính chúng, hoặc thông qua hiệu ứng thấu kính hấp dẫn của chúng trên các ngôi sao nền.

Khi chúng ta nhìn vào vũ trụ, nơi thiên hà của chúng ta chứa khoảng 400 tỷ ngôi sao, và có hàng nghìn tỷ thiên hà trong toàn vũ trụ, nhận thức rằng có khoảng mười hành tinh cho mỗi ngôi sao thật đáng kinh ngạc. Nhưng nếu chúng ta nhìn ra ngoài các hệ sao, có lẽ có từ 100 đến 100.000 hành tinh lang thang trong không gian cho mỗi ngôi sao mà chúng ta có thể nhìn thấy, điều này phù hợp với các hành tinh có khối lượng Sao Mộc không có sao mẹ được kính JWST phát hiện khi quan sát Tinh Vân Lạp Hộ.

Mặc dù một tỷ lệ nhỏ trong số đó bị đẩy ra khỏi hệ sao của chính mình, nhưng phần lớn chúng chưa bao giờ biết đến hơi ấm của một ngôi sao. Nhiều hành tinh trong số đó là các hành tinh khí khổng lồ, nhưng số lượng lớn hơn nữa có thể là hành tinh đá và băng, với nhiều hành tinh chứa tất cả các thành phần cần thiết cho sự sống. Có lẽ, một ngày nào đó, chúng sẽ có cơ hội. Cho đến lúc đó, chúng sẽ tiếp tục lang thang, khắp thiên hà và khắp vũ trụ, vượt xa số lượng các ánh sáng rực rỡ đang chiếu sáng bầu trời.