TS. Nguyễn Thị Phương, nghiên cứu viên thuộc Trung tâm Vật lý Thiên văn và Khám phá vũ trụ, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam

Những quan sát mới của nhóm nghiên cứu đã tạo nên một bước tiến lớn trong việc tìm hiểu thành phần hóa lý của các hệ hành tinh tương lai và tinh chỉnh các mô hình hình thành hành tinh xung quanh các ngôi sao tương tự như Mặt Trời trẻ.

Một trong những cách để trả lời câu hỏi then chốt về sự đa dạng trong tính chất, thành phần của các hệ hành tinh hiện hữu là đi tìm hiểu thành phần hóa học trong môi trường đĩa tiền hành tinh. Hiện nay, các nhà khoa học có thể nghiên cứu được thành phần hóa học và phân bố của chúng trong đĩa tiền hành tinh một cách chi tiết nhờ khả năng cung cấp các phép đo có độ phân giải và độ nhạy cao của hệ giao thoa vô tuyến ALMA. Tuy vậy, quan sát sự phân lớp của các phân tử trong các đĩa tiền hành tinh vẫn luôn là một thách thức lớn để tìm hiểu sự hình thành của các hành tinh.

Hệ giao thoa vô tuyến ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) là hệ giao thoa thiên văn vô tuyến khổng lồ và mạnh mẽ xây dựng ở sa mạc Atacama, Chile, sử dụng 66 anten dạng đĩa để tạo ra hình ảnh của các vật thể thiên văn với độ phân giải cao, tập trung nghiên cứu sự hình thành sao, hành tinh, và lỗ đen bằng cách quan sát phát xạ từ các vật thể này ở bước sóng milimét/dưới milimét. Một trong các kết quả nổi bật gần đây là việc đóng vai trò đặc biệt đóng vai trò quan trọng trong dự án chụp ảnh lỗ đen Chân trời Sự kiện (EHT).

Cách đây 8 năm, một nhóm cộng tác bao gồm 25 thành viên là các nhà khoa học, sinh viên đến từ 20 viện nghiên cứu/trường đại học thuộc 11 quốc gia (Pháp, Chilê, Đức, Ý, Anh, Nhật, Mỹ, Đài Loan, Hungary, Ấn Độ và Việt Nam) do TS. Anne Dutrey và Stephane Guilloteau thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp (CNRS) dẫn đầu đã bắt đầu thực hiện nghiên cứu này.

Trong đó có nữ TS. Nguyễn Thị Phương, nghiên cứu viên thuộc Trung tâm Vật lý Thiên văn và Khám phá vũ trụ, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam tham gia nhóm cộng tác này. Chị tham gia vào nhóm nghiên cứu này khi đang làm luận án Tiến sĩ đồng hướng dẫn tại Đại học Bordeaux và Học viện Khoa học và Công nghệ.

Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, TS. Nguyễn Thị Phương đã thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng gồm lên ý tưởng, viết và chỉnh sửa đề xuất sử dụng kính thiên văn ALMA, thảo luận về kết quả phân tích số liệu và viết bài báo.

TS. Nguyễn Thị Phương tham gia nghiên cứu quan sát đầu tiên về phân lớp của các phân tử trong đĩa tiền hành tinh Flying Saucer

Tạp chí Phụ nữ Mới trò chuyện với TS. Nguyễn Thị Phương về quá trình tham gia các nghiên cứu còn nhiều mới mẻ ở Việt Nam này:

PV: Được biết, vừa qua, Tiến sĩ tham gia nghiên cứu quan sát đầu tiên về phân lớp của các phân tử trong đĩa tiền hành tinh Flying Saucer. Xin chị thông tin thêm về những điểm mới của nghiên cứu này?

TS. Nguyễn Thị Phương: Đầu tiên là định nghĩa về đĩa tiền hành tinh - đĩa vật chất khí và bụi bao quanh các ngôi sao trẻ trong giai đoạn hình thành của chúng: vừa là nơi trung chuyển vật chất từ đám mây phân tử mẹ vào nuôi ngôi sao, vừa là cái nôi để hình thành hành tinh. Tuy nhiên, trong hằng hà sa số hệ sao, có sao có rất nhiều hành tinh quay quanh, có sao lại chẳng có hành tinh nào. Và trong hằng hà sa số hành tinh ấy thì lại có hành tinh khí, hành tinh đá, hành tinh có sự sống (Trái Đất của chúng ta) hoặc hành tinh độc hại cho sự sống (Kim tinh).

Việc nghiên cứu tính chất vật lý và hóa học trong các đĩa tiền hành tinh này là tối quan trọng để trả lời câu hỏi về sự đa dạng tính chất, thành phần và khí quyển của các hành tinh. Đĩa tiền hành tinh, được gọi là đĩa nhưng không phải là dẹt và đồng đều như chiếc đĩa trên bàn ăn của chúng ta mà nó có độ dày và loe nhất định: càng xa tâm sao, nó càng dày. Do đó, ở mỗi vị trí nó lại có các tính chất vật lý (nhiệt độ, mật độ khác nhau), hỗ trợ các phản ứng hóa học khác nhau xảy ra tại đó.

Các nhà khoa học vẫn luôn nỗ lực trong việc khảo sát cấu trúc của các đĩa tiền hành tinh. Nhiều phương pháp đã được xây dựng để làm việc này. Có những nhóm đã khảo sát độ phân lớp của khí trong các đĩa tiền hành tinh có góc nghiêng trung bình - chỉ quan sát được phân bố theo bán kính, không trực tiếp quan sát được phân bố theo độ cao. Để nghiên cứu phân bố theo độ cao của các lớp khí trong đĩa tiền hành tinh có độ nghiêng trung bình, các nhà khoa học phải sử dụng thêm một vài giả thiết và phép chiếu khác nhau. Do đó, phương pháp này có thể dẫn tới sai số trong việc xác định phân lớp khí trong đĩa tiền hành tinh.

Chỉ khi quan sát các đĩa khí có góc nghiêng tối đa (có thể nhìn thấy từ phía cạnh của nó một cách hoàn hảo) mới thấy được phân bố độ cao của nó một cách chính xác nhất, không cần dùng bất cứ phương pháp chiếu nào cả. Flying Saucer là một đĩa tiền hành tinh điển hình với góc nghiêng lớn cho phép thực hiện các nghiên cứu này. Trước đây, các nhà khoa học cho rằng các phân tử trong đĩa tiền hành tinh tồn tại ở các độ cao khác nhau (ví dụ: khí CN ở cao hơn CO, khí CO ở cao hơn CS...).

Kết luận này đến từ các nghiên cứu khác nhau ở các đĩa có độ nghiêng trung bình và có nhiều sai số (ví dụ như khí CO ở phân lớp z/r = 0.1 - 0.5, khí CN ở phân lớp z/r = 0.2 - 0.4, khí CS ở phân lớp z/r < 0.1, tùy từng đĩa - và chúng thậm chí không có tương quan gì với khối lượng vật chất trên đĩa hay khối lượng của sao ở tâm, …). Còn trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát rất nhiều phân tử trong một đĩa và cho thấy rằng, hầu hết chúng nằm ở phân lớp z/r = 0.15, còn các phân tử có chứa Detơri thì nằm sâu hơn trong đĩa, cùng vị trí với các hạt bụi lớn. Tức là, các phân tử trong đĩa tiền hành tinh không tồn tại ở quá nhiều phân lớp như đã nghĩ trước đó. 

PV: Công việc cụ thể của chị trong nhóm là gì?

TS. Nguyễn Thị Phương: Trong một nhóm nghiên cứu nhiều người đến từ nhiều quốc gia như này, thì việc xác định chính xác “công việc cụ thể” là một khái niệm rất khó rạch ròi. Không giống như quy trình vận hành của một dây chuyền công nghiệp, chúng tôi làm việc theo diện cộng tác: Tức là cùng nhau lên ý tưởng, viết đề xuất, nhận và xử lý số liệu, phân tích số liệu và viết bài báo, tương tác trả lời với phản biện... Và tất nhiên, cần có người phụ trách, đứng mũi chịu sào - thường thì là 3 người đầu tiên trong danh sách tác giả.

Đối với nghiên cứu này, tôi chỉ tham gia ở mức đóng góp xây dựng ý tưởng để viết đề xuất, đóng góp gợi ý việc cải thiện chất lượng của đề xuất sử dụng kính thiên văn ALMA, tham gia thảo luận, giải thích các kết quả đạt được và góp ý chỉnh sửa trong việc trình bày kết quả dưới dạng bài báo và quá trình tham gia trả lời phản biện kín.

PV: Những kết quả nổi bật của nghiên cứu này là gì, thưa chị?

TS. Nguyễn Thị Phương: Nhóm nghiên cứu đã vượt qua thách thức khảo sát phân lớp khí trong đĩa tiền hành tinh bằng cách khai thác "Flying Saucer" - một đĩa tiền hành tinh được quan sát hoàn hảo từ phía cạnh (“edge-on” disk). Cấu hình hiếm có này cho phép các nhà khoa học thực hiện việc thiết lập bản đồ chi tiết đầu tiên về phân bố theo độ cao (so với mặt phẳng đĩa) của các phân tử trong một đĩa vật chất có khả năng hình thành một hệ hành tinh. Sử dụng hệ giao thoa kế ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), nhóm đã lập bản đồ phân bố của hơn mười loại phân tử thiết yếu cho sự sống, được hình thành từ hydro, carbon, nitơ và oxy.

Những quan sát này cho phép đo lường, đối với mỗi phân tử, độ cao chính xác so với mặt phẳng trung tâm của đĩa cũng như sự phân bố xuyên tâm của nó. Các nhà nghiên cứu đã có thể theo dõi các điều kiện nhiệt độ và mật độ của khí ở các độ cao khác nhau, tiết lộ một cấu trúc phân tầng của các phân tử trong đĩa tiền hành tinh mà cho đến nay không thể quan sát trực tiếp trong các đĩa khác.

Các kết quả cho thấy một kiến trúc phức tạp. Ở khoảng cách 100 đơn vị thiên văn tính từ ngôi sao trung tâm (tức là gấp 100 lần khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trời), hầu hết các phân tử cùng tồn tại trong một lớp khí duy nhất, ở nhiệt độ khoảng 20 K. Mặt phẳng của đĩa lạnh hơn (9 - 10 K) và ở nhiệt độ này, hầu hết các phân tử nặng hơn H2 ngưng tụ trên các hạt bụi, tạo thành lớp băng bao phủ. Những quan sát này cho phép phác thảo chi tiết khu vực trên mặt phẳng nơi các phân tử đã biến mất khỏi pha khí (ví dụ: 12CO, CS, CN, ...) và nơi các phôi hành tinh có thể hình thành.

Một khám phá quan trọng khác là các phân tử được deuteri hóa như DCN và N2D+ được tìm thấy ở gần mặt phẳng đĩa nhất, hoàn toàn khớp với dự đoán của các mô hình lý thuyết. Ngược lại, một số phân tử đã được phát hiện ở cao hơn nhiều so với đĩa bụi được quan sát bằng ALMA, có lẽ là do các đặc tính của bụi thay đổi và cho phép bức xạ sao xuyên qua tốt hơn.

Những quan sát mới của nhóm nghiên cứu đã tạo nên một bước tiến lớn trong việc tìm hiểu thành phần hóa lý của các hệ hành tinh tương lai và tinh chỉnh các mô hình hình thành hành tinh xung quanh các ngôi sao tương tự như Mặt Trời trẻ.

Bản đồ lát cắt của vạch phân tử trong hệ tiền hành tinh Flying Saucer được quan sát bằng ALMA với độ phân giải 20 đơn vị thiên văn. Đây là cường độ của các vạch theo hàm của bán kính và độ cao. Lớp phân tử xuất hiện trực tiếp, cùng với sự thiếu hụt các phân tử trên mặt phẳng (Dutrey et al 2025)

PV: Thưa chị, kết quả nghiên cứu này giúp ích gì cho nghiên cứu về sự đa dạng trong tính chất, thành phần của các hệ hành tinh hiện hữu?

TS. Nguyễn Thị Phương: Một nghiên cứu thì không thể ngay lập tức trả lời được câu hỏi này. Tuy nhiên, nghiên cứu này có thể thúc đẩy làm thay đổi cách nhìn và cách tiếp cận vấn đề của các nhà khoa học khác: Để nghiên cứu phân bố theo chiều cao của các phân tử trong đĩa thì cần quan sát ở các hệ tiền hành tinh có góc nghiêng hoàn hảo. Các đĩa có góc nghiêng hoàn hảo tuy không phổ biến nhưng vẫn tồn tại và có thể quan sát được.

Cần phải có thêm nhiều nghiên cứu, để tăng sự thống kê, kết hợp giữa các quan sát ở nhiều giai đoạn phát triển khác nhau của đĩa và các mô hình lý hóa khác để cùng nhau tìm hiểu sự hình thành hành tinh, giải thích về sự đa dạng trong tính chất, thành phần của các hệ hành tinh hiện hữu.

PV: Trong thời gian qua, chị đã tham gia những nghiên cứu nào khác liên quan đến hệ hành tinh và vũ trụ?

TS. Nguyễn Thị Phương: Tôi bắt đầu nghiên cứu về hệ tiền hành tinh với nhóm nghiên cứu này từ năm 2016 - khi tôi bắt đầu luận án tiến sĩ của mình dưới sự đồng hướng dẫn của PGS. TS. Phạm Ngọc Điệp (VNSC) và TS. Anne Dutrey (CNRS, Pháp). Trong những năm qua, tôi đã nghiên cứu rất chi tiết về hệ đa sao trẻ GG Tau A. GG Tau A là một hệ sao phức tạp hơn khá nhiều so với Flying Saucer vì tương tác hấp dẫn của các ngôi sao thành phần cũng ảnh hưởng đến cấu hình và vật chất trong đĩa tiền hành tinh bao quanh chúng.

Một trong những kết quả nổi bật của nghiên cứu của tôi có thể kể đến là việc xác định được phân bố nhiệt độ, mật độ khí CO trên đĩa tiền hành tinh này, tính toán được tốc độ bồi tụ của vật chất từ đĩa vào tâm sao. Cấu hình đặc biệt với khối lượng lớn của GG Tau A cũng cho phép chúng tôi phát hiện được các phân tử hiếm chưa từng được quan sát trong đĩa tiền hành tinh như H2S (2018) và CCS (2021).

Bên cạnh đó, năm 2020, tôi cũng quan sát thấy cấu trúc xoắn ốc trong đĩa tiền hành tinh này - có thể là bằng chứng cho thấy hành tinh đang hình thành trong đĩa. Những nghiên cứu này cũng giúp trả lời câu hỏi về cấu hình đặc biệt của GG Tau A mà các nhà khoa học đã loay hoay đi tìm kiếm câu trả lời từ những năm 90s. Các phát hiện về H2S và CCS đã góp phần tăng thêm sự hiểu biết về hóa học Sulfur trong đĩa tiền hành tinh (trong thiên văn S-chemistry là một bí ẩn lớn vì sự chênh lệch cực lớn về độ giàu S đo được trong môi trường liên sao và trong đĩa tiền hành tinh).

Ngoài ra, tôi cũng tham gia với một nhóm hợp tác khác chuyên nghiên cứu hình thái và động học của khí quanh các hệ sao trẻ (trẻ hơn giai đoạn tiền hành tinh), được dẫn dắt bởi 3 nhà khoa học ở Đài Loan, Đan Mạch và Mỹ. Với nhóm nghiên cứu này, tôi có phụ trách một nghiên cứu trên hệ sao rất trẻ (~500 nghìn năm tuổi) IRAS04166+2706. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy dấu hiệu phân bố bất đối xứng trong đĩa bụi và tín hiệu của đĩa khí quay quanh sao theo định luật Kepler, cùng với các hoạt động mạnh mẽ của các dòng khí lưỡng cực phun ra từ tâm sao của hệ này.

2 trong số nghiên cứu (2020, 2021) này của tôi (bản thân tôi là tác giả chính) đã được điểm tin bởi CNRS. Ngoài ra, có một bản tin truyền thông bởi trang thiên văn nghiệp dư của Nhật Bản mà tôi rất thích dưới đây về kết quả năm 2018 (https://phys.org/news/2018-08-hydrogen-sulfide-protoplanetary-disk-gg.html).

Tôi nghĩ, một phần nghiên cứu về sự phát hiện của khí H2S trong đĩa tiền hành tinh được cộng đồng chú ý là do khí H2S quen thuộc hơn trong đời sống hằng ngày của chúng ta (người ta vẫn gọi nó là “khí trứng thối”). Tôi còn nhớ, hồi đó mình còn theo dõi rất nhiều trang facebook và twitter. Một lần vô tình lướt web, tôi nhìn thấy đâu đó có trích dẫn và bình luận về nghiên cứu này của tôi. Dưới bài viết, có một câu bình luận từ một độc giả đùa rằng “Chứng tỏ là trên đĩa tiền hành tinh đã có gà và chúng đẻ trứng trên đó”. 

TS. Nguyễn Thị Phương cho biết sẽ tiếp tục các nghiên cứu về tính chất vật lý và hóa học trong đĩa tiền hành tinh

 PV: Những dự định của chị trong thời gian tới là gì?

TS. Nguyễn Thị Phương: Trong thời gian tới tôi sẽ tiếp tục các nghiên cứu về tính chất vật lý và hóa học trong đĩa tiền hành tinh.

Ngoài ra, trước giờ tôi đa số chỉ hướng nghiên cứu tới việc quan sát thành phần khí trong môi trường đĩa hành tinh mà dường như bỏ qua các tính chất của bụi trong đĩa. Dù chỉ chiếm 1% vật chất trong đĩa, bụi lại là thành phần không thể thiếu bởi nó là khởi điểm của lõi hành tinh, đồng thời rất nhiều các phản ứng hóa học xảy ra trên bề mặt của hạt bụi. Do vậy, gần đây, tôi cũng hướng một phần nghiên cứu của mình sang nghiên cứu tính chất bụi trong các hệ sao trẻ, hợp tác với TS. Hoàng Chí Thiêm thuộc viện Khoa học và Không gian Hàn Quốc.

PV: Xin cảm ơn chị về những thông tin rất thú vị vừa rồi!

Nữ TS. Nguyễn Thị Phương sinh năm 1991. Chị học Đại học và Thạc sĩ tại Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Chị bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 2019 và 2020. Luận án của chị được đồng hướng dẫn giữa Đại học Bordeaux (Pháp) và Học viện Khoa học và Công nghệ (VAST, Hà Nội). (Tháng 11 năm 2019, chị bảo vệ Luận án Tiến sĩ tại Hội đồng chung của cả Pháp và Việt Nam: được phía Pháp công nhận cấp bằng Tiến sĩ và phía Việt Nam công nhận là bảo vệ thành công cấp khoa. Theo quy định đào tạo tiến sĩ ở Việt Nam, tháng 8 năm 2020, chị tiếp tục bảo vệ luận án cấp học viện và được phía Việt Nam công nhận cấp bằng.)

Các bài báo đáng chú ý: N.T. Phuong et al (2020), “Planet-induced spirals in the circumbinary disk of GG Tauri A”, Astronomy & Astrophysics, Volume 635, id.L9, 5 pp.

N. T. Phuong et al (2021), “An unbiased NOEMA 2.6 to 4 mm survey of the GG Tau ring: First detection of CCS in a protoplanetary disk”, Astronomy & Astrophysics, Volume 653, id.L5, 7 pp.