Nghiên cứu các sao lùn nâu trẻ trong vùng lân cận mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thành Đạt NGHIÊN CỨU CÁC SAO LÙN NÂU TRẺ TRONG VÙNG LÂN CẬN MẶT TRỜI: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHÚNG VÀ CỦA ĐĨA TIỀN HÀNH TINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT Thành phố Hồ Chí Minh – 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thành Đạt NGHIÊN CỨU CÁC SAO LÙN NÂU TRẺ TRONG VÙNG LÂN CẬN MẶT TRỜI: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHÚNG VÀ CỦA ĐĨA TIỀN HÀNH TINH Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT CHẤT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS PHAN BẢO NGỌC Thành phố Hồ Chí Minh – 2015 i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn Thạc sĩ này, trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc đến PGS.TS Phan Bảo Ngọc (Bộ môn Vật lý - Trường Đại học Quốc tế - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh), người tận tình hướng dẫn, dìu dắt, bảo tơi suốt q trình triển khai, nghiên cứu hồn thành luận văn Nhân đây, tơi xin chân thành cảm ơn GS Trần Thanh Vân, người giúp đỡ tài tạo điều kiện cho tơi thêm tự tin, nỗ lực đường nghiên cứu khoa học Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giảng dạy lớp Cao học Vật lý ngun tử, khóa 24 (2013 - 2015), phịng Sau Đại học khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh hỗ trợ, giúp đỡ tạo điều kiện cho lớp chúng tơi hồn thành tốt khóa học Tơi gửi lời cảm ơn đến anh Đặng Đức Cường, Đào Văn Tiến Dũng; chị Phạm Thị Kiều Nhân Nguyễn Thị Diệu Hiền (Bộ môn Vật lý - Trường Đại học Quốc tế - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh) giúp đỡ tơi suốt q trình nghiên cứu trường Cuối tơi xin gửi lịng biết ơn đến gia đình, bạn bè ủng hộ, động viên, chia sẻ giúp đỡ mặt vật chất tinh thần suốt trình học thực luận văn Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Người viết Nguyễn Thành Đạt ii MỤC LỤC Lời cảm ơn i Mục lục ii Danh mục bảng iv Danh mục hình vẽ, đồ thị v Danh mục số đơn vị vii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN 1.1 Sao lùn nâu 1.2 Các tính chất vật lý lùn nâu .5 1.2.1 Khối lượng .5 1.2.2 Nhiệt độ 1.2.3 Bán kính 1.2.4 Kiểu phổ 1.3 Nguồn gốc lùn nâu 1.3.1 Sự hình thành thông thường .8 1.3.2 Các mơ hình hình thành lùn nâu 1.3.2.1 Sao lùn nâu hình thành giống thơng thường có khối lượng thấp 1.3.2.2 Sự đẩy sớm phôi tiền 10 1.4 Vùng tìm kiếm phát lùn nâu 10 1.4.1 Vùng lân cận Mặt trời 10 1.4.2 Vùng hình thành 11 1.4.3 Các hệ 11 1.5 Kính thiên văn .12 Chương CÁC PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Ở SAO LÙN NÂU 14 2.1 Phản ứng tổng hợp hạt nhân thông thường .14 2.2 Các phản ứng hạt nhân lùn nâu 16 2.3 Mối quan hệ lithium tính chất vật lý lùn nâu 18 2.3.1 Sự hình thành vạch hấp thụ lithium khí lùn nâu 18 2.3.2 Mối quan hệ lithium tính chất vật lý lùn nâu .19 iii 2.3.3 Mơ hình tiến hóa cho có khối lượng thấp lùn nâu với khí bụi 21 Chương CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA ĐĨA TÀN DƯ 22 3.1 Đĩa tàn dư xung quanh thông thường lùn nâu 22 3.1.1 Sự hình thành đĩa tàn dư xung quanh thông thường 22 3.1.2 Các phương pháp phát đĩa tàn dư 23 3.1.3 Đĩa tàn dư xung quanh lùn kiểu M lùn nâu 25 3.2 Các tính chất đĩa tàn dư 25 3.2.1 Nhiệt độ bụi 25 3.2.2 Khối lượng bụi .26 3.2.3 Bán kính đĩa 27 3.3 Mơ hình phổ phân bố lượng đĩa tàn dư .28 Chương NGHIÊN CỨU CÁC SAO LÙN NÂU TRẺ TRONG VÙNG LÂN CẬN MẶT TRỜI: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHÚNG VÀ CỦA ĐĨA TIỀN HÀNH TINH 30 4.1 Mục tiêu 30 4.2 Mẫu nghiên cứu 30 4.3 Các liệu từ 2MASS WISE 31 4.4 Phân tích vạch lithium bước sóng 6708 Å để xác định số tính chất ứng viên .32 4.5 Xây dựng mơ hình phổ phân bố lượng đĩa tàn dư .34 4.5.1 Các bước xây dựng chương trình 34 4.5.2 Chức mơ hình 35 4.5.3 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình 35 4.6 Thảo luận 36 4.7 Kết luận .40 TÀI LIỆU THAM KHẢO 41 iv DANH MỤC CÁC BẢNG Số thứ tự Bảng Diễn giải Trang Các thông số vật lý lùn kiểu M-muộn 4.1 4.2 mẫu nghiên cứu 30 Dữ liệu quan sát ứng viên từ 2MASS WISE băng J, H, K,W1, W2, W3 31 Kiểm tra kết ước tính khối lượng bụi đĩa 4.3 tàn dư xung quanh lùn kiểu M-sớm từ mơ hình 34 SED Khoảng thông lượng ước tính ứng viên 4.4 450 μm 850 μm 37 v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Số thứ tự Hình 1.1 Sao lùn nâu so với thông thường hành tinh 1.2 Nhiệt độ bề mặt lùn nâu 1.3 Sơ đồ kiểu phổ thông thường, lùn nâu hành tinh 1.4 Vùng phổ hồng ngoại gần (NIR) lùn nâu kiểu M, L, T Mộc tinh 1.5 Hệ đôi Gliese 752 A Gliese 752 B 11 1.6 Kính thiên văn JCMT hệ thống SCUBA-2 kính JCMT 12 2.1 Cấu trúc bên 14 2.2 Sơ đồ phản ứng chuỗi PP trình đốt cháy hydrogen 15 2.3 Cấu trúc bên lùn nâu so với lùn đỏ Mộc tinh 17 10 2.4 Đường biểu diễn mối liên hệ độ rộng tương đương vạch Li I bước sóng λ 6103 Å, 6708 Å 8128 Å với độ giàu Li mô hình khí 3000/5,0 2500/5,0 18 11 2.5 Biểu đồ nhiệt độ - độ tuổi 19 12 3.1 Biểu đồ biểu diễn diễn xác suất phát đĩa tiền hành tinh xung quanh kiểu Mặt trời theo độ tuổi 22 13 3.2 Hình ảnh số đĩa tàn dư phát kính thiên văn không gian Hubble 23 3.3 Nhiệt độ ước tính hạt bụi có kích thước khác khoảng cách khác đĩa ngơi có kiểu phổ G2 24 3.4 Khối lượng bụi đĩa tiền hành tinh đĩa tàn dư xung quanh có kiểu phổ từ A đến M phát từ quan sát mm 26 3.5 Bán kính đĩa tàn dư xung quanh có kiểu phổ từ A đến M độ tuổi khác 27 14 15 16 Diễn giải Trang vi 17 3.6 Hai mơ hình phổ phân bố lượng (SED) 28 18 4.1 Phổ quang học phóng to ứng viên vùng bước sóng có chứa vạch Li I λ 6708 Å 32 19 4.2 Mơ hình SED ứng viên J0144 - 4604, J0351 0052, J0440 - 0530, J0517 - 3349, J0518 - 3101, J1553 - 2311 36 20 4.3 Mơ hình SED ứng viên J2022 - 5645, J1546 2514 37 vii DANH MỤC CÁC HẰNG SỐ VÀ ĐƠN VỊ  Các số h: số Planck, h = 6,626.10-34 J.s c: tốc độ ánh sáng chân không, c = 3.108 m/s k B : số Boltzmann, k B = 1,38.10-23 J/K  Các đơn vị M J : khối lượng Mộc tinh, M J = 1,899.1027 kg M  : khối lượng Mặt trời, M  = 1,989.1030 kg M ⊕ : khối lượng Trái đất, M ⊕ = 5,972.1024 kg pc: viết tắt parsec, pc = 3,086.1016 m AU: viết tắt đơn vị thiên văn, 1AU = 1,496.108 m L  : độ trưng Mặt trời, L  = 3,846.1026 W R  : bán kính Mặt trời, R  = 6,96.108 m R J : bán kính Mộc tinh, R J = 6,99.107 m Jy: viết tắt Jansky, đơn vị hệ SI mật độ thông lượng, Jy = 103 mJy = 10-26 W.m-2.Hz-1 (SI) = 10-23 erg.s-1.cm-2.Hz-1 (cgs) MỞ ĐẦU Sao lùn nâu loại có khối lượng nhỏ, nằm khoảng từ 13 đến 75 M J Chúng không đủ nặng để thực phản ứng đốt cháy hydrogen thực phản ứng đốt cháy deuterium Sự tồn lùn nâu tiên đoán mặt lý thuyết Kumar vào năm 1963 [15] Tuy nhiên sau 30 năm, lùn nâu Gliese 229B phát quan sát vào năm 1995 Nakajima cộng [23] Cũng vào năm này, Rebolo cộng [29] khám phá lùn nâu trẻ vùng hình thành Từ đến nay, 1000 lùn nâu vùng lân cận Mặt trời vùng hình thành phát qua nhiều khảo sát rộng như: DENIS (Deep Near Infrared Survey), 2MASS (Two Micro All Sky Survey), SDSS (Sloan Digital Sky Survey) Các phát động lực thúc đẩy việc nghiên cứu lùn nâu đồng thời mở rộng hiểu biết người loại Trong tính chất vật lý lùn nâu, khối lượng đóng vai trị quan trọng việc xác định tính chất khác Những lùn nâu có khối lượng 60 M J khơng có khả thực phản ứng phá hủy lithium, lithium ngun thủy cịn diện lùn nâu [8] Trên sở lý thuyết đó, xác nhận chất lùn nâu vật thể có khối lượng thấp thông qua việc phát vạch hấp thụ lithium bước sóng 6708 Å khí chúng [4] Đồng thời dựa mối quan hệ lithium với tính chất lùn nâu, việc phát lithium sở để ước tính khối lượng tính chất khác chúng Tuy lùn nâu có mật độ phổ biến vũ trụ, tương đương kiểu Mặt trời chưa hiểu rõ toàn q trình tiến hóa loại Các quan sát nghiên cứu gần ủng hộ mơ hình lùn nâu hình thành phiên thu nhỏ thông thường [21, 28] Vào cuối q trình tiến hóa ngơi thơng thường (vd: Mặt trời), hành tinh hình thành xung quanh Vì vậy, vấn đề nhà thiên văn vật lý quan tâm là: “Các hành tinh có khả hình thành xung quanh lùn nâu vào cuối q trình tiến hóa 30 Chương NGHIÊN CỨU CÁC SAO LÙN NÂU TRẺ TRONG VÙNG LÂN CẬN MẶT TRỜI: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHÚNG VÀ CỦA ĐĨA TIỀN HÀNH TINH Trong đề tài này, chúng tơi nghiên cứu tính chất mẫu gồm ứng cử viên lùn nâu trẻ vùng lân cận Mặt Trời qua việc phân tích vạch phổ lithium khí chúng Sau mơ hình phổ phân bố lượng cho đĩa tàn dư xung quanh ứng viên xây dựng, từ mơ hình chúng tơi thảo luận đề xuất quan sát thực bước sóng mm 4.1 Mục tiêu Trên sở lý thuyết nói trên, tiến hành nghiên cứu với mẫu nhỏ gồm ứng viên lùn nâu trẻ Dựa phương pháp phân tích vạch hấp thụ Li I λ 6708 Å, chúng tơi ước tính số tính chất lùn khối lượng độ tuổi Sau đó, mơ hình phổ phân bố lượng (SED) đĩa tàn dư xây dựng để xác định số đặc tính bụi đĩa khối lượng, nhiệt độ số phát xạ Dựa vào kết tính tốn khối lượng bụi đĩa lùn kiểu M sớm biết theo mơ hình này, chúng tơi ước tính khoảng khối lượng bụi cho ứng viên mẫu Từ khoảng thơng lượng ứng viên bước sóng mm ước tính để làm sở cho quan sát tới 4.2 Mẫu nghiên cứu Mẫu nghiên cứu gồm ứng viên lùn nâu trẻ, kiểu phổ muộn M5, nằm vùng lân cận Mặt trời (khoảng cách 30 pc tính từ Mặt trời) Các lùn kiểu M-muộn phát từ khảo sát DENIS [11, 26, 27] Vị trí lùn nằm vĩ độ cao dải Ngân hà nên quang phổ chúng thu bị ảnh hưởng bụi vũ trụ Vạch phổ hấp thụ Li I λ 6708 Å phát phổ quang học lùn mẫu Lithium nguyên thủy lùn tồn chứng tỏ chúng có độ tuổi cịn trẻ Các lùn trẻ thường có lõi khơng đạt đến nhiệt độ cần thiết để đốt cháy lithium chúng không đủ thời gian để phá hủy lithium 31 lõi hoàn tồn Đặc biệt, lùn kiểu M có nhiệt độ 2700 K (tức có kiểu phổ M7 muộn hơn) phát lithium chúng lùn nâu (< 75 M J ) [4] Vì vậy, lùn chọn ứng viên lùn nâu trẻ tiêu biểu Bảng 4.1 liệt kê thông số vật lý quan trọng lùn cuối kiểu phổ M mẫu nghiên cứu chúng tơi, M I , M J , M K cấp tuyệt đối băng quang học hồng ngoại gần I (0,89 μm), J (1,2 μm), K (2,2 μm) Bảng 4.1: Các thông số vật lý lùn kiểu M-muộn mẫu nghiên cứu Tên vật thể Khoảng cách d (pc) Kiểu phổ Nhiệt độ hiệu dụng (K) J0144 - 4604 23,3 M5,5 J0351 - 0052 12,8 J0440 - 0530 Cấp tuyệt đối Tài liệu tham khảo MI (mag) MJ (mag) MK (mag) 2650 12,23 10,11 9,25 [26, 27] M7,0 2430 13,2 10,66 9,68 [11, 26] 8,9 M7,5 2400 13,67 10,91 9,86 [11, 26] J0517 - 3349 12,1 M8,0 2270 14,7 11,52 10,34 [26, 27] J0518 - 3101 19,5 M6,5 2580 12,69 10,38 9,47 [11, 26] J1553 - 2311 21,5 M5,0 2740 11,87 9,89 9,06 [11, 26] J2022 - 5645 22 M5,5 2740 12,00 9,97 9,13 [11, 26] J1546 - 2514 26,7 M5,0 2710 11,87 9,89 9,06 [26, 27] 4.3 Các liệu từ 2MASS WISE Trong trình nghiên cứu, sử dụng liệu quan trắc vùng hồng ngoại từ hai khảo sát 2MASS WISE Chúng thu thập dịch vụ tra cứu VizieR trung tâm liệu thiên văn Strasbourg (Pháp) Các liệu quan sát băng hồng ngoại gần J (1,2 μm), H (1,7 μm), K (2,2 μm),W1 (3,4 μm), W2 (4,6 μm), W3 (11,6 μm) Phần liệu từ 2MASS WISE cho ứng viên trình bày bảng 4.2 32 Bảng 4.2: Dữ liệu quan sát ứng viên từ 2MASS WISE băng J, H, K,W1, W2, W3 (Nguồn: http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR) 2MASS Tên vật thể WISE J (mag) H (mag) K (mag) W1 (mag) W2 (mag) W3 (mag) J0144 - 4604 11,880 ± 0,024 11,299 ± 0,021 10,980 ± 0,024 10,751 ± 0,023 10,495 ± 0,020 10,346 ± 0,065 J0351 - 0052 11,302 ± 0,024 10,609 ± 0,022 10,232 ± 0,024 9,970 ± 0,024 9,761 ± 0,021 9,565 ± 0,051 J0440 - 0530 10,858 ± 0,024 9,986 ± 0,022 9,545 ± 0,019 9,356 ± 0,024 9,168 ± 0,021 8,859 ± 0,027 J0517 - 3349 12,004 ± 0,022 11,317 ± 0,024 10,832 ± 0,024 10,524 ± 0,023 10,265 ± 0,020 9,871 ± 0,041 J0518 - 3101 11,878 ± 0,029 11,234 ± 0,023 10,900 ± 0,021 10,641 ± 0,023 10,403 ± 0,019 10,111 ± 0,043 J1553 - 2311 11,547 ± 0,022 10,946 ± 0,024 10,617 ± 0,021 10,371 ± 0,022 10,210 ± 0,020 9,808 ± 0,052 J2022 - 5645 11,758 ± 0,026 11,238 ± 0,025 10,829 ± 0,021 10,649 ± 0,023 10,405 ± 0,020 10,152 ± 0,051 J1546 - 5534 12,052 ± 0,027 11,457 ± 0,025 11,087 ± 0,021 10,873 ± 0,023 10, 663 ± 0,022 10,487 ± 0,084 4.4 Phân tích vạch lithium bước sóng 6708 Å để xác định số tính chất ứng viên Lithium vật thể có mối quan hệ chặt chẽ với khối lượng độ tuổi chúng [4] Dựa mối quan hệ đó, việc phát lithium ứng viên (Hình 4.1) cho thấy lùn có kiểu phổ từ M7 đến M8 gồm J0351 - 0052, J0440 - 0530, J0517 - 3349 lùn nâu trẻ, có khối lượng nằm khoảng từ 13 đến 60 M J tuổi chúng lớn tỷ năm Cịn lùn cịn lại có kiểu phổ từ M5 đến M6.5 ứng viên lùn nâu trẻ nằm gần ranh giới lùn nâu thơng thường có khối lượng thấp, chúng có khối lượng gần 75 M J Tuổi lùn phải 100 triệu năm, độ tuổi mà ngơi chưa 33 phá hủy hết lithium lõi Hình 4.1: Phổ quang học phóng to ứng viên vùng bước sóng có chứa vạch Li I λ 6708 Å Để ước tính độ tuổi ứng viên xác hơn, chúng tơi so sánh chúng với bảng mơ hình “DUSTY” với độ tuổi khác Các bảng mơ hình độ tuổi khác từ t = triệu năm đến t = 10 tỷ năm trình bày Chabrier cộng [9] Chúng dựa vào cấp tuyệt đối M I , M J , M K ứng viên để so sánh với ba M I , M J , M K tương ứng mơ hình Từ cho thấy lùn nâu tương ứng với mơ hình “DUSTY” có độ tuổi từ t = 10 triệu năm đến t = 100 triệu năm Như vậy, lùn nâu chúng tơi có độ tuổi cịn trẻ nẳm khoảng từ 10 - 100 triệu năm Vì lùn nâu cịn trẻ nên nhiệt độ bề mặt chúng nóng so với lùn nâu lớn tuổi Do đó, xạ nhiệt bụi từ đĩa tàn dư (được đốt nóng ngơi chủ) xung quanh chúng quan sát rõ ràng từ đĩa xung quanh lùn nâu già Điều làm tăng khả phát đĩa tàn dư xung quanh lùn 34 4.5 Xây dựng mô hình phổ phân bố lượng đĩa tàn dư Trong phần này, giả sử tất ứng viên lùn nâu phát đĩa tàn dư Trên sở đó, chúng tơi xây dựng chương trình để mơ hình hóa phổ phân bố lượng (SED) chúng Mơ hình SED dùng để xác định số tính chất quan trọng đĩa tàn dư khối lượng, nhiệt độ, số phát xạ bụi Các xạ vật thể có nguồn gốc từ từ bụi đĩa tàn dư, mơ hình SED ứng viên gồm SED vật đen tuyệt đối ứng với ứng viên SED vật đen tuyệt đối khác ứng với bụi đĩa Chương trình viết ngơn ngữ lập trình Fortran kết hợp với thư viện đồ họa Pgplot 4.5.1 Các bước xây dựng chương trình Bước mơ hình hóa SED ứng viên dựa liệu thu thập từ VizeR (2MASS WISE) Các liệu quan trắc làm khớp với mẫu khí “NEXTGEN” cho có khối lượng thấp lùn nâu, chúng trình bày Allard cộng [2] Bước xây dựng mơ hình SED bụi đĩa tàn dư xung quanh ứng viên Để xác định thơng số mơ hình, chúng tơi viết chương trình dựa mối liên hệ thơng lượng quan sát tính chất đĩa Cơng thức biểu diễn mối liên hệ suy từ công thức (3.1) phần 3.2.2 sau Fν = M dust κ B (T ) d2 ν ν d (4.1) Các thông số tối ưu mơ hình xác định dựa thuật tốn tìm tham số nhiệt độ T d , khối lượng M dust số phát xạ β tương ứng với giá trị χ nhỏ (giá trị đánh giá mức độ khớp mơ hình với liệu quan sát) Trên sở lý thuyết trình bày phần trước, chương trình chạy khoảng nhiệt độ 10 K ≤ T d ≤ 80 K , khoảng khối lượng 0,01 M ⊕ ≤ M dust ≤ M ⊕ khoảng số phát xạ β từ 0,1 đến 2,0 Sau thuật toán xử lý, giá trị M dust , T d , β tìm giúp chúng tơi xác định mơ hình vật đen khớp với xạ bụi đĩa Trong trình viết chương trình, sai số (error bar) liệu đưa vào 35 ý thể mơ hình Các sai số giúp đánh giá độ xác mơ hình với thực nghiệm quan sát 4.5.2 Chức mơ hình Mơ hình SED giúp tái lại hình ảnh đơn giản đĩa tàn dư xung quanh giả thiết tất bụi đĩa có nhiệt độ số phát xạ Khác với mô hình vật lý khác, mơ hình cần khớp với số liệu quan sát Do đó, cách đơn giản để ước tính tính chất đĩa khối lượng, nhiệt độ số phát xạ bụi Từ việc xác định tính chất ấy, mơ hình giúp mơ tả kích thước, thành phần mối quan hệ đĩa tàn dư với vật thể 4.5.3 Kiểm tra độ tin cậy mơ hình Kiểm tra độ tin cậy mơ hình đánh giá độ xác thơng số ước tính từ mơ hình Chúng tơi sử dụng mơ hình để ước tính lại khối lượng bụi đĩa tàn dư xung quanh lùn có kiểu phổ M-sớm so sánh với giá trị tìm trước Các lùn gồm AU Mic, GJ 182, GJ 842.2 [18, 20] Ba ngơi cịn tương đối trẻ nằm vùng lân cận Mặt trời (khoảng cách 30 pc) mẫu nghiên cứu Các đĩa tàn dư chúng phát kính thiên văn JCMT/SCUBA bước sóng 850 μm Bảng 4.3 trình bày kết ước tính khối lượng bụi đĩa xung quanh kiểu phổ M-sớm từ mơ hình chúng tơi so với kết từ mơ hình khác biết Bảng 4.3: Kiểm tra kết ước tính khối lượng bụi đĩa tàn dư xung quanh lùn kiểu M-sớm từ mơ hình SED chúng tơi Tên vật thể Kiểu phổ Tuổi (triệu năm) Au Mic M1 GJ 182 GJ 842.2 Khối lượng bụi M dust (M ⊕ ) Tài liệu tham khảo Mơ hình chúng tơi Mơ hình khác 12 0,012 0,011 [20] M0,5 30 > 0,026 > 0,026 [20] M0,5 20 - 200 0,37 0,35 [18] Các kết trình bày bảng 4.3 cho thấy sai lệch tương đối kết từ 36 mơ hình chúng tơi với kết trước thấp (dưới 10 %) Điều chứng tỏ giá trị ước tính từ mơ hình đáng tin cậy, phù hợp với kểt tìm Riêng trường hợp GJ 182, Liu cộng [20] cho cịn thành phần bụi khác ngồi thành phần bụi có M dust = 0,026 M ⊕ ước tính từ thơng lượng quan sát 850 μm Vì vậy, khối lượng bụi lùn phải lớn 0,026 M ⊕ 4.6 Thảo luận Bức xạ bụi từ đĩa tàn dư phát bước sóng vùng hồng ngoại xa mm qua số thiết bị CSO/SHARC, Herschel/SPIRE, JCMT/SCUBA Ở bước sóng này, xạ từ đĩa tàn dư thường sáng ngơi chủ Vì vậy, để phát nghiên cứu sâu đĩa tàn dư xung quanh ứng viên, cần quan sát chúng bước sóng hồng ngoại xa hay mm Trong thiết bị nay, SCUBA-2 kính thiên văn JCMT với quan sát 450 μm 850 μm thiết bị phù hợp cho nghiên cứu Khi muốn quan sát mục tiêu đó, trước hết cần phải xác định khoảng thời gian phù hợp để hướng kính thiên văn phía mục tiêu Khoảng thời gian thời gian quan sát mục tiêu Do đó, để ước tính thời gian quan sát cho ứng viên, chúng tơi ước tính khoảng thơng lượng cho ứng viên bước sóng quan sát Khoảng thơng lượng tính tốn từ khoảng khối lượng bụi đĩa xung quanh ứng viên Hiện phát đĩa tàn dư xung quanh lùn có kiểu phổ M-sớm AU Mic (M1, 12 triệu năm) với M dust = 0,01 M ⊕ ; GJ 182 (M0,5, 50 triệu năm) với M dust > 0,026 M ⊕ [20]; GJ 842.2 (M0,5, 20 - 200 triệu năm) với M dust = 0,35 M ⊕ GJ 581 (M3, - tỷ năm) với M dust = 0,16 M ⊕ [18, 19] Mặt khác, khơng có cơng thức hay mơ hình cụ thể mơ tả mối liên hệ khối lượng bụi khối lượng cho lùn kiểu M Do đó, dựa vào phát trên, chúng tơi ước tính khối lượng bụi ứng viên lùn nâu trẻ nằm khoảng từ 0,01 M ⊕ đến 0,4 M ⊕ Tiếp theo mơ hình SED cho ứng viên xây dựng mô tả phần 4.4 Với khối lượng bụi ước tính trên, nhiệt độ bụi T d = 40 K số phát xạ 37 bụi β = 0,8 giả thiết phù hợp cho mơ hình tất ứng viên Chúng giả sử độ chắn sáng bụi κν 1,7 cm2/g ứng với bước sóng 850 μm Hình 4.2 4.3 thể mơ hình SED ứng viên lùn nâu trẻ mẫu nghiên cứu với M dust = 0,05 M ⊕ , đường nét đứt - chấm màu xanh thể phổ lý thuyết khớp với liệu từ VizeR (các điểm tròn màu đỏ), đường nét đứt màu cam thể phổ vật đen tuyệt M dust = 0,05 M ⊕ , T d = 40 K β = 0,8, điểm tròn màu xanh thể liệu vùng mm 38 Hình 4.2: Mơ hình SED ứng viên J0144 - 4604, J0351 - 0052, J0440 - 0530, J0517 - 3349, J0518 - 3101, J1553 - 2311 39 Hình 4.3: Mơ hình SED ứng viên J2022 - 5645, J1546 - 2514 Bảng 4.4 liệt kê khoảng thông lượng ước tính cho ứng viên bước sóng 450 μm 850 μm tương ứng với khoảng khối lượng bụi 0,01 - 0,4 M ⊕ Các giá trị sử dụng để tính toán thời gian cho quan sát tới với kính thiên văn JCMT/SCUBA-2 Bảng 4.4: Khoảng thơng lượng ước tính ứng viên 450 μm 850 μm Tên vật thể Flux_450 (mJy) Flux_850 (mJy) J0144 - 4604 12 - 465 - 96 J0351 - 0052 39 - 1541 - 319 J0440 - 0530 80 - 3188 17 - 661 J0517 - 3349 43 - 1725 - 358 J0518 - 3101 17 - 664 - 138 J1553 - 2311 14 - 546 - 113 J2022 - 5645 13 - 522 - 208 J1546 - 2514 - 354 - 73 Những liệu cụ thể tới từ kính thiên văn JCMT/SCUBA-2 cung cấp cho phát đĩa tàn dư xung quanh lùn nâu Những phát gián tiếp có mặt vật thể tiền hành tinh xung quanh lùn nâu thông qua trình va chạm chúng để tạo bụi đĩa Đồng thời 40 tính chất đĩa tàn dư khối lượng bụi, nhiệt độ số phát xạ bụi xác định xác cho ứng viên Từ đó, mơ tả mối liên hệ tính chất đĩa với lùn nâu, đặc biệt phụ thuộc khối lượng bụi vào khối lượng 4.7 Kết luận Luận văn hoàn thành mục tiêu đặt ban đầu, khảo sát tính chất ứng viên lùn nâu trẻ vùng lân cận Mặt trời qua việc phân tích vạch hấp thụ lithium xây dựng mơ hình phổ phân bố lượng (SED) cho đĩa tàn dư xung quanh ứng viên Các ứng viên mẫu nghiên cứu lùn nâu trẻ có độ tuổi từ 10 – 100 triệu năm, lùn nâu gồm J0351 - 0052, J0440 - 0530, J0517 - 3349 có khối lượng nằm khoảng từ 13 đến 60 M J lùn nâu lại nằm gần ranh giới với thông thường có khối lượng thấp Mơ hình SED dùng để ước tính thơng lượng cho quan sát chúng tơi vùng bước sóng mm, tương ứng với khoảng khối lượng bụi ứng viên từ 0,01 - 0,4 M ⊕ Dựa liệu quan sát tới kính thiên văn JCMT/SCUBA-2, mơ hình SED xây dựng sử dụng để xác định xác thơng số bụi từ đĩa tàn dư xung quanh lùn nâu trẻ Các quan sát cung cấp chứng chứng tỏ tồn vật thể tiền hành tinh xung quanh Các lùn nâu trẻ nằm gần Mặt trời nên mẫu tiêu biểu để thực nghiên cứu tiếp theo, giúp hiểu rõ đặc tính vật lý khác đĩa thành phần, bán kính,… lịch sử hình thành phát triển hệ thống hành tinh xung quanh lùn nâu có khối lượng thấp, đặc biệt khả phát hành tinh kiểu Trái đất sống hệ Mặt trời 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO Andrews S.M., Williams J.P (2005), “Circumstellar Dust Disks in TaurusAuriga: The Submillimeter Perspective”, The Astrophysical Journal, 631(2), pp 1134-1160 Allard F., Hauschildt P.H., Baraffe I., Chabrier, G (1996), “Synthetic Spectra and Mass Determination of the Brown Dwarf GI 229B”, Astrophysical Journal Letters, 465(2), pp L123-L127 Apai D., Luhman K., Liu M.C (2005), “The Onset of Planet Formation in Brown Dwarf Disks”, Science, 310(5749), pp 834-836 Basri G (1998), “The Lithium Test for Young Brown Dwarfs”, Brown dwarfs and extrasolar planets, Proceedings of a Workshop held in Puerto de la Cruz, Tenerife, Spain, 17-21 March 1997, ASP Conference Series #134, edited by Rafael Rebolo; Eduardo L Martin; Maria Rosa Zapatero Osorio, p 394 Bonnell I.A., Clark P., Bate M.R (2008), “Gravitational fragmentation and the formation of brown dwarfs in stellar clusters”, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 389(4), pp 1556-1562 Boss A.P (2006), “Rapid Formation of Super-Earths around M Dwarf Stars”, The Astrophysical Journal, 644(1), pp L79-L82 Burgasser A.J (2008), “Brown dwarfs: Failed stars, Super Jupiter”, Physics today, 61, pp 70-71 Chabrier G., Baraffe I (2000), “Theory of low-mass stars and substellar objects”, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 38, pp 337-377 Chabrier G., Baraffe I., Allard F., Hauschildt P (2000), “Evolution Models for Very Low-Mass Stars and Brown Dwarfs with Dusty Atmospheres”, The Astrophysical Journal, 542(1), pp 464-472 10 Chabrier G., Gallardo J., Baraffe I (2007), “Evolution of low-mass star and brown dwarf eclipsing binaries”, Astronomy and Astrophysics, 472(2), pp L17L20 42 11 Crifo F., Phan-Bao Ngoc; Guibert J., Martín E L., Reylé C (2005), “New neighbours – VI Spectroscopy of DENIS nearby stars candidates”, Astronomy and Astrophysics, 441(2), pp 653-661 12 Cushing M.C., Kirkpatrick J.D., Gelino C.R., Griffith R.L., Skrutskie M.F., Mainzer A., Marsh K.A., Beichman C.A., Burgasser A.J., Prato L.A., Simcoe, R.A.; Marley, M.S., Saumon, D., Freedman, R.S., Eisenhardt, P.R., Wright E.L (2011), “The Discovery of Y Dwarfs using Data from the Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE)”, The Astrophysical Journal, 743(1), article id 50 13 Joergens, Viki (2013), 50 Year of Brown Dwarfs - From Prediction to Discovery to Forefront of Research, Springer, New York 14 Krivov Alexander V (2010), “Debris Disks: Seeing Dust, Thinking of Planetesimals and Planets”, Research in Astronomy and Astrophysics, 10(5), pp 383-414 15 Kumar Shiv S (1963), “The structure of stars of very low mass”, Astrophysical Journal, 137(4), pp.1121-1125 16 Laor A., Draine Bruce T (1993), “Spectroscopic constraints on the properties of dust in active galactic nuclei”, The Astrophysical Journal, 402(2), pp 441-468 17 Legett S.K., Morley M.S., Freedman R., Saumon D., Liu M.C., Geballe T.R., Golimowski D.A., Stephens D.C (2007), “Physical and Spectral Characteristies of The T8 and Later Type Dwarfs”, The Astrophysical Journal, 667(1), pp 537548 18 Lestrade J.F., Wyatt M.C., Bertoldi F., Dent W.R.F., Menten K M (2006), “Search for Cold Debris Disks around M-Dwarfs”, Astronomy and Astrophysics, 460(3), pp 733-741 19 Lestrade J F., Matthews B C., Sibthorpe B (2012), “A Debris Disk around The Planet Hosting M-Star GJ 581 Spatially Resolved With Herschel”, Astronomy and Astrophysics, 548, id.A86 20 Liu M C., Matthews B.C., Williams J P., Kalas P.G., (2004), “A Submillimeter Search of Nearby Young Stars for Cold Dust: Discovery of Debris Disks around Two Low-Mass Stars”, The Astrophysical Journal, 608(1), pp 526-532 43 21 Luhman K.L., Joergens V., Lada C., Muzerolle J.; Pascucci I.; White R (2007), “The Formation of Brown Dwarfs: Observations”, Protostars and Planets V, pp 443-457 22 Meyer M.R., Carpenter J.M., Mamajek E.E (2007), “Evolution of Mid-Infrared Excess around Sun-like Stars: Constraints on Models of Terrestrial Planet Formation”, The Astrophysical Journal, 673(2), pp L181-L184 23 Nakajima T., Oppenheimer B.R., Kulkarni S.R., Golimowski D.A., Matthews K., Rebolo R., Zapatero Osorio M.R., Martín E.L (1995), “Discovery of a brown dwarf in the Pleiades star cluster”, Nature, 377(6545), pp 129-131 24 Padoan P., Nordlund A (2002), “The stellar initial mass function from turbulent fragmentation”, The Astrophysical Journal, 576(2), pp 870-879 25 Pavlenko Y.V., Rebolo R., Martín E L., Garcia Lopez R.J (1995), “Formation of lithium lines in very cool dwarfs”, Astronomy and Astrophysics, 303(3), pp 807818 26 Phan-Bao Ngoc, Crifo F., Delfosse X., Forveille T., Guibert J., Borsenberger J., Epchtein N., Fouqué P., Simon G., Vetois J (2003), “New Neighbours: V 35 DENIS Late-M Dwarfs between 10 and 30 parsecs”, Astronomy and Astrophysics, 401(3), pp 959-974 27 Phan-Bao Ngoc, Bessell M.S (2006), “Spectroscopic Distance of Nearby Ultracool Dwarfs”, Astronomy and Astrophysics, 446(2), pp 515-523 28 Phan-Bao Ngoc, Riaz B., Lee Chin-Fei, Tang Ya-Wen, Ho Paul T P., Martín Eduardo L., Lim Jeremy, Ohashi Nagayoshi, Shang Hsien (2008), “First Confirmed Detection of a Bipolar Molecular Outflow from a Young Brown Dwarf”, The Astrophysical Journal, 689(2), pp L141-L144 29 Rebolo R., Zapatero Osorio M.R., Martín E.L (1995), “Discovery of a Brown Dwarf in The Pleiades Star Cluster”, Nature, 377(6545), pp 129-131 30 Reipurth Bo, Clarke Cathie (2001), “The Formation of Brown Dwarfs Are Ejected Stellar Embryos”, The Astrophysical Journal, 122(1), pp 432-439 31 Stassun K.G., Mathieu R.D., Valenti, J A (2006), “Discovery of Two Young Brown dwarfs in An Eclipsing Binary System”, Nature, 440(7082), pp 311-314 44 32 Wyatt Mark C (2008), “Evolution of Debris Disks”, Annual Review of Astronomy & Astrophysics, 46(1), pp 339-383 ... 1.4 Vùng tìm kiếm phát lùn nâu 1.4.1 Vùng lân cận Mặt trời Vùng lân cận Mặt trời xem vùng khơng gian hình cầu có bán kính 11 khoảng 30 pc tính từ Mặt trời Đây nơi theo lý thuyết số lượng lớn lùn. .. xạ dư vùng hồng ngoại) 30 Chương NGHIÊN CỨU CÁC SAO LÙN NÂU TRẺ TRONG VÙNG LÂN CẬN MẶT TRỜI: NHỮNG TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA CHÚNG VÀ CỦA ĐĨA TIỀN HÀNH TINH Trong đề tài này, chúng tơi nghiên cứu tính... nghiên cứu Mẫu nghiên cứu gồm ứng viên lùn nâu trẻ, kiểu phổ muộn M5, nằm vùng lân cận Mặt trời (khoảng cách 30 pc tính từ Mặt trời) Các lùn kiểu M-muộn phát từ khảo sát DENIS [11, 26, 27] Vị trí lùn