ALMA phát hiện các phân tử hữu cơ quanh những ngôi sao sơ sinh bên trong tàn tích siêu tân tinh

Hai vườn ươm sao bên trong tàn tích của một vụ nổ cổ xưa

Các nhà thiên văn học đã phát hiện hai vườn ươm sao sơ sinh nhỏ gọn bên trong RX J1713.7-3946, tàn tích đang giãn nở của một vụ nổ sao xảy ra khoảng 1.600 năm trước. Một vườn ươm chứa các phân tử hữu cơ phức tạp có tới chín nguyên tử, nhưng tỷ lệ hóa học đo được tại đây giống với tỷ lệ tìm thấy quanh những ngôi sao trẻ trong các môi trường thông thường hơn.

Phát hiện này, được thực hiện bằng Mảng kính thiên văn vô tuyến Atacama bước sóng milimét/dưới milimét lớn (ALMA), là lần đầu tiên các lõi phân tử nóng được báo cáo phát hiện bên trong tàn tích siêu tân tinh. Đây là những vùng khí ấm, đậm đặc bao quanh các ngôi sao vẫn đang hình thành. Việc tìm thấy chúng trong một khu vực hứng chịu bức xạ mạnh và sóng xung kích đem đến cho các nhà thiên văn học một cách mới để nghiên cứu liệu những thành phần cấu tạo nên các hệ hành tinh trong tương lai có thể chịu được một vụ nổ sao ở gần hay không.

Tàn tích này cách Trái Đất khoảng 3.600 năm ánh sáng. Cả hai lõi, được đặt tên HC1 và HC2, đều gắn với các tiền sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời. Phân tích hóa học chi tiết tập trung vào HC1, nơi nhóm nghiên cứu tìm thấy các phân tử chứa carbon, oxy, nitơ, lưu huỳnh và silic.

Đại học Gifu công bố kết quả vào ngày 9 tháng 7 năm 2026. Thông báo nghiên cứu của trường ghi ngày công bố trên The Astrophysical Journal là 1 tháng 7 năm 2026. Nghiên cứu do Takashi Shimonishi, phó giáo sư tại Đại học Niigata; Hidetoshi Sano, phó giáo sư tại Đại học Gifu; Kenji Furuya, nhà nghiên cứu tại RIKEN; và Yoko Oya, giảng viên tại Đại học Kyoto, thực hiện.

Phát hiện trọng tâm liên quan đến khả năng tồn tại của hóa chất, chứ không phải việc phát hiện sự sống. Các phân tử hữu cơ có thể góp phần vào những phản ứng hóa học liên quan đến các hệ sống, nhưng chỉ riêng sự hiện diện của chúng không chứng minh rằng các quá trình sinh học đã diễn ra.

ALMA đã quan sát được gì

Nhóm nghiên cứu quan sát khu vực này trong Đợt 11 của ALMA, vào tháng 12 năm 2024 và tháng 1 năm 2025. Các quan sát vô tuyến trước đó đã xác định hai vị trí này có khả năng là nơi hình thành sao, trong đó có bằng chứng về các luồng khí phụt theo hai hướng ngược nhau từ những vật thể nằm bên trong.

ALMA phân giải được một nguồn nhỏ gọn ở mỗi vị trí. Kính thiên văn này kết hợp tín hiệu từ 66 ăng-ten dạng chảo đặt tại sa mạc Atacama, miền bắc Chile, ở độ cao khoảng 5.000 mét. Trong các quan sát này, độ phân giải góc của kính là khoảng 0,5 giây cung, cho phép các nhà nghiên cứu phân biệt những vùng tập trung khí phân tử nhỏ.

Bài báo nghiên cứu của nhóm xác định cả hai vật thể là tiền sao khối lượng trung bình thuộc Lớp I. Lớp I mô tả giai đoạn đầu, khi một ngôi sao đang phát triển vẫn còn được bao quanh bởi lượng vật chất đáng kể. Cả hai vật thể đều chưa phải là những ngôi sao hoàn chỉnh như Mặt Trời hiện nay.

Cả hai lõi đều nằm bên trong lớp vỏ tàn tích, theo dấu vết phát xạ tia X. Vị trí này cho thấy chúng có liên hệ với môi trường siêu tân tinh, nhưng không có nghĩa mọi phần của mỗi lõi đều hứng chịu mức bức xạ hay sóng xung kích như nhau.

Vì sao một lõi nóng vẫn có thể cực kỳ lạnh

HC1 chứa khí phân tử với mật độ ước tính khoảng 10 triệu phân tử trên mỗi centimét khối, nhiệt độ ít nhất 100 kelvin và vùng phát xạ nhỏ gọn có kích thước dưới 500 đơn vị thiên văn. Một đơn vị thiên văn là khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trời.

Nhiệt độ 100 kelvin tương đương khoảng âm 173 độ C. Theo tiêu chuẩn đời thường, mức này là lạnh, nhưng lại ấm so với các đám mây phân tử nơi sao hình thành. Phần giải thích của ALMA mô tả nhiệt độ trong những đám mây đó dưới âm 260 độ C.

Chênh lệch nhiệt độ có ý nghĩa về mặt hóa học. Trong các đám mây lạnh, phân tử có thể hình thành và tích tụ dưới dạng băng trên bề mặt các hạt bụi. Khi một ngôi sao sơ sinh làm ấm môi trường xung quanh, băng có thể thăng hoa trực tiếp thành khí, khiến các phân tử có thể được quan sát bằng sóng vô tuyến. Vì vậy, lõi nóng cho thấy một phần kho hóa chất có trong vật chất quanh một ngôi sao đang hình thành.

Kho phân tử đa dạng, không phải bằng chứng về sự sống

Các phân tử được phát hiện gồm methanol, ethanol, methyl formate, dimethyl ether và formamide. Thông báo của trường đại học cũng cho biết có nước. Nhìn chung, các phát hiện này cho thấy khí chứa nhiều loại hợp chất hóa học, chứ không chỉ một hợp chất hữu cơ duy nhất còn tồn tại.

Trong thiên văn học, một phân tử hữu cơ phức tạp thường được định nghĩa là phân tử hữu cơ có ít nhất sáu nguyên tử. Một số phân tử được phát hiện trong HC1 có tới chín nguyên tử. Từ “phức tạp” mô tả cấu trúc phân tử theo định nghĩa thiên văn học đó, chứ không hàm ý vai trò sinh học đã được chứng minh.

Sự hiện diện của các hợp chất này đáng chú ý vì vật chất hữu cơ có thể trở thành một phần của vật chất cấu tạo nên các hệ hành tinh. Điều đó không cho thấy hành tinh đã hình thành quanh những tiền sao này, vật chất nhất định sẽ đến được một hành tinh, hay ở đó có sinh vật sống.

Shimonishi, người dẫn dắt nghiên cứu tại Đại học Niigata, mô tả ý nghĩa rộng hơn của phát hiện:

"Các môi trường có khả năng chứa những phân tử hữu cơ phức tạp – những thành phần tiềm năng của hóa học tiền sinh học – có thể đa dạng hơn so với nhận định trước đây," Shimonishi cho biết.

So sánh thuyết phục nhất đến từ tỷ lệ phân tử

Phát hiện các phân tử hữu cơ trong HC1 chỉ là một phần của kết quả. Các nhà nghiên cứu còn so sánh tỷ lệ của một số phân tử được chọn với số liệu đo từ các lõi nóng và vùng nóng nhỏ quanh tiền sao trong những khu vực hình thành sao điển hình hơn. Vùng nóng nhỏ là khu vực phân tử ấm gắn với các tiền sao có khối lượng tương đối thấp, gồm cả những sao có khối lượng gần với Mặt Trời.

Với HC1, nghiên cứu xem xét tỷ lệ methyl formate, dimethyl ether và acetaldehyde so với methanol. Nhóm cũng đo tỷ lệ một dạng methanol chứa deuteri, đồng vị nặng hơn của hydro, so với methanol thông thường. Các phép so sánh khác gồm carbonyl sulfide so với methanol và ethyl cyanide so với methyl cyanide.

Bài báo cho biết các tỷ lệ mật độ cột này không thể phân biệt được với những tỷ lệ đo tại các môi trường dùng để đối chiếu. Mật độ cột đo lượng vật chất nằm dọc theo hướng quan sát. Dùng tỷ lệ giúp so sánh hỗn hợp hóa chất thay vì chỉ so sánh lượng khí mà mỗi vật thể chứa.

Cách diễn đạt này chính xác hơn so với việc nói HC1 giống hệt về mặt hóa học với một vườn ươm sao thông thường. Các tỷ lệ được chọn cho thấy không có khác biệt nào có thể phát hiện trong những phép đo này. Chúng không chứng minh rằng mọi phân tử, mọi điều kiện vật lý hay toàn bộ lịch sử hóa học đều giống nhau.

Môi trường dữ dội với mức độ phơi nhiễm không đồng đều

RX J1713.7-3946 là một tàn tích siêu tân tinh trẻ. Thông báo nghiên cứu của ALMA liên hệ vụ nổ này với một sự kiện được ghi lại trong các tài liệu lịch sử Trung Quốc khoảng 1.600 năm trước. Thông báo mô tả môi trường có tia vũ trụ cường độ cao, phát xạ tia X và tia gamma mạnh, cùng các sóng xung kích di chuyển với tốc độ hàng nghìn kilômét mỗi giây.

Tia vũ trụ là các hạt năng lượng cao. Cùng với bức xạ và sóng xung kích, chúng có thể làm biến đổi khí phân tử và hóa học của nó. Những điều kiện này tạo ra các khả năng trái chiều: phân tử có thể bị phá vỡ, nhưng một số phản ứng cũng có thể được kích thích. Các quan sát mới cho thấy môi trường này chứa hỗn hợp phân tử phong phú, nhưng chưa xác định riêng từng quá trình tạo nên hỗn hợp đó.

Vị trí của HC1 đặc biệt đáng chú ý. Dù nằm bên trong lớp vỏ, bài báo nghiên cứu xác định nó ở gần rìa ngoài. Một bản tin mô tả cả hai vật thể nằm sâu bên trong lớp vỏ kém cụ thể hơn so với vị trí của HC1 nêu trong bài báo. Nằm bên trong ranh giới không đồng nghĩa với việc đã chịu những điều kiện khắc nghiệt nhất trong suốt vòng đời của tàn tích.

Hai khả năng lý giải vì sao hóa học vẫn được duy trì

Các nhà nghiên cứu đề xuất hai cách lý giải cho những tỷ lệ phân tử có vẻ thông thường trong HC1. Khả năng thứ nhất là thời gian phơi nhiễm còn hạn chế. Môi trường xung quanh có thể chỉ mới bắt đầu chịu ảnh hưởng của siêu tân tinh gần đây, chưa đủ lâu để các hạt năng lượng cao và bức xạ tạo ra thay đổi hóa học có thể đo được.

Khả năng thứ hai liên quan đến các từ trường được tăng cường do siêu tân tinh tác động lên khí xung quanh. Những từ trường này có thể hạn chế tia vũ trụ xuyên vào lõi đậm đặc, giảm một con đường có thể khiến các phân tử bị phá hủy.

Đây là những khả năng, chưa phải cơ chế đã được xác nhận. Các quan sát không xác định được khả năng nào chiếm ưu thế, liệu cả hai có cùng góp phần hay hỗn hợp phân tử sẽ thay đổi ra sao khi tiếp tục phơi nhiễm. Không thể coi tuổi khoảng 1.600 năm của tàn tích là thời gian HC1 đã phơi nhiễm, vốn chưa được đo.

Sự phân biệt này giới hạn điều có thể kết luận về khả năng tồn tại. Nghiên cứu chứng minh rằng một vườn ươm nằm trong tàn tích siêu tân tinh mới hình thành có sự phong phú về hóa chất. Nghiên cứu không chứng minh mọi phân tử được phát hiện đã trải qua vụ nổ ban đầu mà không thay đổi, hay các lõi tương tự sẽ giữ nguyên hóa học của chúng vô thời hạn.

Ý nghĩa đối với nơi Mặt Trời hình thành

Mối liên hệ với Mặt Trời bắt nguồn từ bằng chứng về đồng vị phóng xạ được đề cập trong thông báo của ALMA. Các phân tích vật chất từ Hệ Mặt Trời thời kỳ sơ khai cho thấy quá trình hình thành có thể đã diễn ra trong một môi trường chịu ảnh hưởng của các vụ nổ siêu tân tinh. Vì vậy, các lõi tiền sao gần tàn tích là đối tượng hữu ích để tìm hiểu một môi trường có thể là nơi Mặt Trời ra đời.

Phát hiện này cung cấp một ví dụ quan sát được về sự phong phú của các phân tử hữu cơ trong môi trường như vậy. Trước đó, việc chưa phát hiện lõi nóng nào ở khu vực chịu ảnh hưởng của một siêu tân tinh gần đây khiến vẫn còn khoảng trống giữa môi trường được giả thuyết và các phép đo trực tiếp về hóa học phân tử ấm.

HC1 và HC2 không phải bản sao chính xác của Mặt Trời thời trẻ. Các tiền sao của chúng có khối lượng trung bình, còn những so sánh hóa học chi tiết tập trung vào HC1. Mối liên hệ hữu ích hẹp hơn: vật chất quanh một ngôi sao đang hình thành có thể vẫn đa dạng về mặt hóa học trong môi trường siêu tân tinh, ít nhất là trong các điều kiện được đo ở đây.

Mốc thời gian và các quan sát tiếp theo

Các quan sát và công bố diễn ra theo trình tự sau:

• Khoảng 1.600 năm trước: vụ nổ tạo nên RX J1713.7-3946 xảy ra; thông báo của ALMA liên hệ sự kiện này với các ghi chép lịch sử Trung Quốc.
• Tháng 12 năm 2024 và tháng 1 năm 2025: ALMA quan sát hai vị trí trong Đợt 11.
• Ngày 1 tháng 7 năm 2026: theo Đại học Gifu, nghiên cứu được đăng trên The Astrophysical Journal.
• Ngày 9 tháng 7 năm 2026: Đại học Gifu công bố thông báo nghiên cứu.

Thông báo của ALMA cũng xác định The Astrophysical Journal là tạp chí đăng bài, nhưng để ngày công bố ở dạng chỗ trống chưa điền. Đại học Gifu cung cấp ngày cụ thể. Cả hai thông báo chính thức đều nêu cùng một bài báo và mã DOI 10.3847/1538-4357/ae6fba.

Nhóm nghiên cứu dự định thực hiện thêm các quan sát bằng ALMA. Thông báo của các đơn vị cũng đề cập đến những quan sát vô tuyến rộng hơn về khí phân tử và quan sát hồng ngoại về bụi, băng như những cách nghiên cứu các môi trường này. Chưa có ngày quan sát cụ thể hay thời hạn công bố kết quả mới nào được thông báo.

Các phép đo tiếp theo cần xác định liệu HC1 có đại diện cho các lõi khác hay là trường hợp đặc biệt, môi trường xung quanh che chắn được bao nhiêu, và liệu những vườn ươm khác có tỷ lệ hóa học tương tự hay không. Quan sát thêm nhiều vật thể sẽ giúp phân biệt một quy luật chung với kết quả phụ thuộc vào vị trí và lịch sử gần đây của một lõi duy nhất.

Điểm chính

• ALMA phát hiện hai lõi phân tử nóng, HC1 và HC2, bên trong tàn tích siêu tân tinh RX J1713.7-3946.
• Tàn tích này khoảng 1.600 năm tuổi và cách Trái Đất khoảng 3.600 năm ánh sáng.
• HC1 chứa các phân tử hữu cơ phức tạp có tới chín nguyên tử, cùng khí có nhiệt độ ít nhất 100 kelvin.
• Một số tỷ lệ phân tử được chọn trong HC1 khớp với các tỷ lệ đo tại những khu vực hình thành sao điển hình hơn.
• Phơi nhiễm gần đây và sự che chắn của từ trường là những cách lý giải được đề xuất, chưa phải nguyên nhân đã xác nhận.
• Phát hiện góp phần nghiên cứu các môi trường có thể là nơi Hệ Mặt Trời hình thành, nhưng không phải bằng chứng về sự sống.
• Các quan sát tiếp theo đã được lên kế hoạch, nhưng chưa có ngày cụ thể.