Xác định tuổi của ngôi sao và hành tinh?

Việc đo tuổi của các hành tinh và ngôi sao giúp các nhà khoa học hiểu được thời điểm chúng hình thành, cách thức chúng thay đổi, và trong trường hợp của các hành tinh, liệu sự sống đã có đủ thời gian để phát triển và tiến hóa trên chúng hay chưa.

Vấn đề đặt ra là các thiên thể trong không gian rất khó xác định tuổi.

Những ngôi sao như Mặt trời gần như duy trì cùng một kích thước và nhiệt độ trong suốt hàng tỷ năm. Các đặc tính của hành tinh như nhiệt độ thường phụ thuộc vào ngôi sao mà chúng quay quanh thay vì độ tuổi và quá trình tiến hóa của riêng chúng.

Vì vậy, việc xác định tuổi của một ngôi sao hoặc hành tinh khó khăn giống như đoán tuổi của một người có ngoại hình không hề thay đổi từ lúc nhỏ cho đến tuổi nghỉ hưu.

Ước tính tuổi của một ngôi sao

May mắn thay, các ngôi sao vẫn có sự thay đổi rất nhỏ về độ sáng và màu sắc theo thời gian, mặc dù chúng ta rất khó nhận biết. Với các phép đo cực kỳ chính xác, các nhà thiên văn học có thể so sánh những dữ liệu này từ một ngôi sao với các mô hình toán học dự đoán điều gì sẽ xảy ra với các ngôi sao khi chúng già đi để ước tính tuổi của nó.

Ánh sáng từ các ngôi sao mang theo thông tin về thành phần hóa học và nhiệt độ của chúng, theo Science News. Bằng cách phân tích quang phổ của ánh sáng sao, các nhà khoa học có thể thu thập dữ liệu về tỷ lệ các nguyên tố khác nhau trong ngôi sao. Đối với các ngôi sao trẻ, lượng hydro (H) – nguyên tố “nhiên liệu” chính cho phản ứng hạt nhân – cao hơn so với các nguyên tố nặng hơn. Nhờ đó, họ có thể xác định tuổi của ngôi sao dựa trên sự thay đổi tỷ lệ của các nguyên tố.

Các ngôi sao không chỉ phát sáng mà còn quay tròn. Theo thời gian, tốc độ quay của chúng chậm dần, tương tự như bánh xe quay chậm lại khi gặp ma sát. Bằng cách so sánh tốc độ quay của các ngôi sao ở những độ tuổi khác nhau, các nhà thiên văn học có thể xây dựng mối quan hệ toán học về độ tuổi của chúng dựa trên chu kỳ quay, một phương pháp được gọi là “gyrochronology”.

Khi một ngôi sao quay tròn, nó cũng sản sinh một từ trường mạnh và tạo ra các hoạt động từ tính, chẳng hạn nhưchớp lửa sao (stellar flare) – những đợt bùng phát năng lượng và ánh sáng mạnh mẽ xảy ra trên bề mặt các ngôi sao. Sự suy giảm đều đặn hoạt động từ tính của một ngôi sao cũng có thể giúp ước tính tuổi của nó.

Một phương pháp tiên tiến hơn gọi là kỹ thuật địa chấn sao (asteroseismology), dựa vào hiện tượng rung lắc của ngôi sao. Các nhà thiên văn nghiên cứu sự rung động trên bề mặt của các ngôi sao do sóng lan truyền bên trong chúng gây ra. Khi ngôi sao hoạt động, nó tạo ra những gợn sóng năng lượng di chuyển qua lớp vật chất bên trong. Giống như cách các nhà địa chấn học sử dụng sóng địa chấn để tìm hiểu về cấu tạo bên trong Trái đất, các nhà thiên văn học phân tích những sóng này để khám phá cấu trúc và tuổi của một ngôi sao.

Một ngôi sao trẻ có kiểu dao động khác với một ngôi sao già. Dựa vào kỹ thuật địa chấn sao, các nhà thiên văn học ước tính Mặt trời khoảng 4,58 tỷ năm tuổi.

Ước tính tuổi của một hành tinh

Trong hệ Mặt trời, các hạt nhân phóng xạ là chìa khóa để xác định niên đại của các hành tinh. Đây là những nguyên tử đặc biệt giải phóng năng lượng chậm rãi trong một thời gian dài. Giống như những chiếc đồng hồ tự nhiên, các hạt nhân phóng xạ [hoặc đồng vị phóng xạ] giúp giới khoa học xác định tuổi của mọi thứ, từ đá cho đến xương và đồ gốm.

Sử dụng phương pháp phân tích đồng vị phóng xạ, các nhà khoa học xác định thiên thạch lâu đời nhất mà con người biết đến có độ tuổi khoảng 4,57 tỷ năm, gần giống với kết quả phép đo địa chấn sao của Mặt trời là 4,58 tỷ năm. Những tảng đá lâu đời nhất trên Trái đất có tuổi trẻ hơn một chút, khoảng 4,40 tỷ năm tuổi. Tương tự, đất đá được mang về từ Mặt trăng trong các sứ mệnh Apollo có niên đại lên tới 4,6 tỷ năm.

Mặc dù nghiên cứu hạt nhân phóng xạ là một phương pháp hiệu quả để đo tuổi của một hành tinh, nhưng các nhà khoa học phải có mẫu đá thực tế để tiến hành phân tích. Họ không thể xác định niên đại của một hành tinh chỉ bằng cách nhìn vào hình ảnh hoặc quang phổ của nó. Do đó, phương pháp này chỉ hiệu quả đối với các hành tinh hoặc vệ tinh mà con người có thể thu thập mẫu đất đá.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng xác định tuổi của các thiên thể bằng đá trong vũ trụ như sao Hỏa hoặc Mặt trăng thông qua việc đếm số lượng miệng hố va chạm trên bề mặt của chúng. Bề mặt lâu đời hơn có nhiều hố va chạm hơn bề mặt trẻ. Tuy nhiên, sự xói mòn của nước, gió, tia vũ trụ và dung nham núi lửa có thể xóa sạch bằng chứng của những hố va chạm trước đó.

Kỹ thuật trên không hiệu quả đối với các hành tinh khí khổng lồ như sao Mộc. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học có thể ước tính tuổi một cách gián tiếp bằng cách đếm số lượng miệng hố trên mặt trăng bay quanh chúng, hoặc nghiên cứu thành phần và sự phân bố của một số loại thiên thạch nhất định hình thành ở gần chúng và rơi xuống Trái đất.

Với công nghệ hiện tại, chúng ta vẫn chưa thể trực tiếp đo tuổi của các hành tinh bên ngoài hệ Mặt trời.

Các ước tính này chính xác đến mức nào?

Hệ Mặt trời là nơi lý tưởng nhất để chúng ta kiểm tra độ chính xác của các phương pháp ước tính tuổi của ngôi sao và hành tinh. Các nhà thiên văn học có thể so sánh độ tuổi của các nguyên tố phóng xạ trong đá trên Trái đất, Mặt trăng hoặc tiểu hành tinh với độ tuổi của Mặt trời được xác định bằng phương pháp địa chấn sao, và chúng gần như có sự trùng khớp với nhau.

Do đó, những phương pháp xác định tuổi của các thiên thể trong vũ trụ mà chúng ta sử dụng ngày nay là đáng tin cậy và có độ chính xác cao.

Ngoài ra, các ngôi sao trong các cụm sao như Pleiades hay Omega Centauri được cho là hình thành cùng một lúc. Do đó, tuổi ước tính của từng ngôi sao trong những cụm này cũng phải giống nhau. Ở một số ngôi sao, các nhà thiên văn học phát hiện các nguyên tố phóng xạ như urani – một kim loại nặng có trong đá và đất – xuất hiện trong khí quyển của chúng. Giống như cách các nhà khoa học đo tuổi của đá trên Trái đất, họ có thể ước tính tuổi của ngôi sao dựa trên sự phân rã của các nguyên tố này ngoài phương pháp địa chấn sao. Do các ước tính trùng khớp, nên các nhà khoa học có thể tin tưởng hơn vào kết quả.

Các nhà thiên văn học tin rằng đa số hành tinh có tuổi gần bằng với ngôi sao chủ của chúng, vì vậy việc cải thiện các phương pháp xác định tuổi của một ngôi sao cũng giúp xác định tuổi của một hành tinh chính xác hơn.

Theo Theconversation