Số phận đáng buồn của những hành tinh như Trái đất khi Mặt trời hấp hối

Theo nghiên cứu mới, chúng ta có thể bắt đầu viết điếu văn cho bốn ngoại hành tinh quay quanh một ngôi sao giống Mặt trời cách ta khoảng 57 năm ánh sáng. Nhưng không cần phải vội, đã có khoảng một tỉ năm trước khi ngôi sao đó trở thành sao đỏ khổng lồ và bắt đầu nuốt chửng các hành tinh của nó.

Ngôi sao đó là Rho Coronae Borealis (RCB), một ngôi sao lùn màu vàng giống như Mặt trời. Ngôi sao đó nằm trong chòm sao Corona Borealis, có khối lượng, bán kính và độ sáng tương đương Mặt trời. Nhưng khi Mặt trời khoảng 5 tỉ năm tuổi thì RCB đã gấp đôi con số đó. Do vậy, RCB đang dần bước vào giai đoạn khổng lồ đỏ.

Một bài viết vừa xuất hiện trên Tạp chí Vật lý thiên văn trình bày những kết quả này và đặt một số câu hỏi về điều gì sẽ xảy ra với các ngoại hành tinh trong vùng có thể ở được của một ngôi sao khi ngôi sao đó trở thành sao đỏ khổng lồ.

Bài Tiên lượng nhấn chìm hành tinh trong hệ thống Rho Coronae Borealis là công trình khoa học của Stephen R. Kane làm việc tại Khoa Khoa học trái đất và hành tinh, Đại học California, Riverside.

Kane viết: “Sự tiến hóa của sao ở cuối đời có thể dẫn đến những thay đổi đáng kể và đôi khi gây tổn thương đối với cấu trúc hệ thống hành tinh, chẳng hạn như sự gián đoạn thủy triều của các hành tinh và sự nuốt chửng của ngôi sao chủ”.

Theo Kane, RCB có tuổi đời đủ lâu và độ sáng đủ lớn, khiến nó trở thành "một trường hợp đặc biệt thú vị để quan sát về quá trình tiến hóa", không chỉ vì nó giống Mặt trời và dễ quan sát mà còn vì nó chứa bốn ngoại hành tinh (khá giống 4 hành tinh của hệ mặt trời của chúng ta).

Kane đã sử dụng các mô phỏng tiến hóa của sao để cố gắng xác định tương lai của RCB và tương lai của các hành tinh của nó. Trong vòng 1 - 1,5 tỉ năm nữa, ngôi sao sẽ đi đến cuối cuộc đời nó và trở thành sao đỏ khổng lồ.

Những ngôi sao đỏ khổng lồ có thể phình to đến mức khó tin và một số có thể mở rộng đường kính lên tới cả tỉ cây số. Khi Mặt trời trở thành một ngôi sao đỏ khổng lồ trong vài tỉ năm nữa, nó cũng có thể sẽ phình to để nuốt chửng các tất cả các hành tinh trong hệ mặt trời (từ sao Thủy đến sao Hỏa).

RCB cũng không khác. Nó có 4 ngoại hành tinh được biết đến có tên Rho Coronae Borealis B, C, D và E. Chúng được đặt tên theo thứ tự khám phá chứ không phải khoảng cách từ ngôi sao chủ. Ba hành tinh gặp nguy hiểm nhất là E, B, C - những hành tinh gần RCB nhất.

Bốn hành tinh có khối lượng từ siêu Trái đất đến sao Mộc. Tất cả chúng đều ở gần ngôi sao RCB hơn nhiều so với khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời, và 2 hành tinh trong cùng gần sao chủ còn hơn cả sao Thủy với Mặt trời. Chúng bị dồn chặt vào bên trong hệ sao và đây là điều báo hiệu chúng đang trên đường bị diệt vong.

Nghiên cứu cho thấy E, B, C ở vị trí xấu nhất. RCB hoàn toàn có thể nuốt chửng 3 hành tinh này.

Việc một ngôi sao đang giãn nở nuốt chửng các hành tinh có thể gây ra những kết quả khác nhau tùy thuộc vào kiến trúc tổng thể của hệ thống. Các hành tinh có thể mất hàng chục năm để chuyển động xoắn ốc về phía ngôi sao. Trên đường đi, chúng có thể bị phá hủy do bị nhiệt từ sao chủ làm bốc hơi. Chúng cũng có thể bị xé toạc do lực thủy triều gián đoạn khi vượt qua giới hạn Roche. Trong trường hợp đó, chúng làm tăng thêm khối lượng của ngôi sao, giúp nó phồng lên nhiều hơn.

Đối với các hành tinh có khối lượng nhỏ hơn sao Mộc nằm trong phạm vi từ 3 đến 5 AU, số phận của chúng đã được quyết định. Theo một số nghiên cứu, không có lối thoát nào cho chúng cả. Nhưng đối với những hành tinh khác, bất chấp hoàn cảnh thảm khốc, vẫn có thể thoát.

Đôi khi, các mô hình khoa học cho thấy các hành tinh bắt đầu tương tác theo những cách khác nhau về lực hấp dẫn với nhau khi ngôi sao phồng lên. Lúc ngôi sao giãn nở, nó cũng mất đi khối lượng khi tiếp tục nung chảy vật chất. Điều này tạo ra hiệu ứng thủy triều trong hệ thống và trong một số trường hợp, nó có thể khiến các hành tinh được đẩy ra xa trung tâm hệ thống nhờ tình trạng cộng hưởng chuyển động. Vì vậy, có một lối thoát tiềm năng nhưng rất khó xác định trước chính xác điều gì có thể xảy ra.

Có một lối thoát khả thi cho một số hành tinh, nhưng tương tác thủy triều có thể giải cứu một hành tinh cũng có thể chống lại nó. Các tương tác cũng có thể đẩy một hành tinh hướng về phía ngôi sao, dẫn đến sự tàn lụi sớm hơn. Các nhà nghiên cứu đang tích cực cố gắng tìm hiểu tất cả quá trình này bằng cách quan sát các ngôi sao đang hấp hối.

Để hiểu điều gì có thể xảy ra trong hệ thống RCB, Kane đã vẽ đồ thị khối lượng, độ sáng và bán kính trong tương lai của ngôi sao. Kane cũng vạch ra những thay đổi mà ngôi sao sẽ trải qua cùng với vị trí của 4 ngoại hành tinh. Điều đó làm cho mối nguy hiểm mà các hành tinh phải đối mặt trở nên nhẹ nhõm hơn. Kane giải thích: “Mặc dù tất cả các hành tinh sẽ đi vào bầu khí quyển sao của Rho Coronae Borealis, nhưng tiên lượng riêng của chúng khác nhau đáng kể”.

Hành tinh E, hành tinh trong cùng, có khả năng là hành tinh đá. Nó sẽ là hành tinh đầu tiên bị xử lý và có thể sẽ bốc hơi khi ngôi sao nhấn chìm nó sâu hơn. Quá trình nó bị diệt vòng có thể diễn ra nhanh chóng.

Hành tinh B có khối lượng lớn nhất trong cả bốn hành tinh, gần bằng 350 lần khối lượng Trái đất. Nó nặng hơn sao Mộc và khi nó đi vào bầu khí quyển đang giãn nở của ngôi sao RCB, lực cản sẽ khiến nó chuyển động theo hình xoắn ốc. Số phận của nó là bị xé toạc bởi sự gián đoạn của thủy triều.

Số phận của hành tinh B có thể ảnh hưởng đến số phận của hành tinh C. Nếu vật chất của hành tinh B làm cho ngôi sao đủ phồng lên, điều đó có thể đẩy nhanh sự diệt vong của hành tinh C do bị nuốt chửng.

Các hành tinh C và D đều có khối lượng bằng sao Hải vương và chúng có thể sẽ mất khối lượng do bốc hơi khi chúng chuyển động xoắn ốc về phía ngôi sao.

Thật không may, mô hình này không tính đến động lực quỹ đạo. Nhưng có khả năng một hành tinh có thể thoát khỏi tình trạng hỗn loạn này. Hành tinh D là kẻ duy nhất có cơ hội trốn thoát.

Kane viết: “Mô hình của chúng tôi còn không bao gồm các tác động của động lực quỹ đạo, vốn có khả năng khiến hành tinh D di chuyển xa hơn ra ngoài và có thể thoát khỏi sự nhấn chìm”. Nếu đúng như vậy, nó có cơ hội sống dai hơn rất nhiều, thậm chí chuyển quỹ đạo đến vùng sống được.

Không có cách nào để biết chắc chắn điều gì sẽ xảy ra trong hệ thống này. Nhưng các nhà vật lý thiên văn đang bận rộn quan sát các hệ mặt trời khác để tìm manh mối. Cho đến nay không có nhiều bằng chứng quan sát được về sự nuốt chửng hành tinh, nhưng điều đó không có nghĩa là nó không xảy ra.

“Cho đến nay, bằng chứng quan sát về dấu hiệu sao chủ nuốt chửng hành tinh vẫn còn tương đối thưa thớt. Điều đó cho thấy rằng các kịch bản nuốt chửng hành tinh hiếm hơn dự kiến hoặc việc phát hiện dấu hiệu đó khó khăn hơn dự đoán”.

Hiện tại, các chi tiết cụ thể về RCB có thể nằm ngoài tầm quan sát của chúng ta hoặc khả năng mô tả của các phần mềm mô phỏng. Nhưng không thể phủ nhận hậu quả thảm khốc tiềm ẩn đối với RCB.

Kane viết: “Sự tiến hóa của các ngôi sao thông qua sự phát triển của chúng trong diễn biến chính cuộc đời, mở rộng thành một ngôi sao khổng lồ và sau đó co lại thành sao lùn trắng, có những hậu quả sâu sắc đối với các hành tinh quay quanh”.

"Với khối lượng và bán trục lớn của 4 hành tinh đã biết, chúng tôi dự đoán rằng hành tinh E sẽ bốc hơi trong bầu khí quyển sao, hành tinh B sẽ chuyển động xoắn ốc và bị gián đoạn thủy triều, có khả năng làm ngôi sao phồng lên thêm và hành tinh C sẽ bốc hơi trong bầu khí quyển sao".

Số phận của hành tinh D khó đoán hơn một chút nhưng nếu có sống sót qua giai đoạn sao bước vào khổng lồ đỏ (RGB) thì nó cuối cùng cũng sẽ bị phá hủy. Nó có thể sẽ bốc hơi khi ngôi sao bước vào cuối giai đoạn tiệm cận khổng lồ (AGB).

Một phần của việc hiểu điều gì xảy ra với các hệ sao khi sao chủ bước vào giai đoạn cuối đời sẽ tạo ra bức tranh chính xác về quần thể hành tinh của chúng. Các hành tinh khổng lồ trên quỹ đạo xa có thể ảnh hưởng đến số phận của các hành tinh bên trong hệ thống, có khả năng thay đổi quỹ đạo của chúng và di chuyển chúng đến những khoảng cách an toàn hơn.

Những loại hành tinh này rất khó phát hiện bằng phương pháp di chuyển, nhưng nếu các phép đo vận tốc hướng tâm được cải thiện trong tương lai thì ta có thể tìm thấy nhiều hành tinh hơn.

Nghiên cứu này đặc biệt thú vị vì Mặt trời sẽ trở thành sao đỏ khổng lồ và cuối cùng là sao lùn trắng. Điều gì sẽ xảy ra với ngôi nhà của chúng ta?

Giờ không thể biết trước được, nhưng Trái đất đang trong vòng nguy hiểm. Trong tương lai, Trái đất có thể bị Mặt trời nuốt chửng hoặc có thể di chuyển xa hơn ra bên ngoài nhờ tác động từ sao Mộc, sao Thổ... Dù thế nào đi nữa, hệ mặt trời của chúng ta sẽ không bao giờ giống hoàn toàn hệ sao RCB. May mắn thay, đó là một tương lai rất xa, nên đối với chúng ta, kịch bản về Trái đất khi Mặt trời hóa thành sao đỏ khổng lồ chỉ là sự tò mò mà thôi.