Basri và cộng sự [1] lần đầu tiên đã áp dụng thành công phương pháp thử nghiệm lithium để xác nhận PPL 15 là sao lùn nâu. Họ đã dùng kính viễn vọng Keck, với độ phân giải phổ cao, đã phát hiện PPL 15 là vật thể có độ sáng yếu, mờ nhất (log (L/ L)[2] = -2,80 ± 0,10) trong đám sao Pleiades và có tồn tại lithium. Tuy nhiên, vạch lithium không mạnh (log N(Li) = 1,16) ở vật thể có kiểu phổ M6.5 này. Ngoài ra, PPL 15 có vận tốc xuyên tâm và Hα mạnh để trở thành 1 thành viên của đám sao Pleiades. Tuổi của PPL 15 được ước tính nằm trong khoảng 115 – 120
[1]
Cấp sao tuyệt đối (M) là độ sáng thực của vật thể, được đo bằng cấp sao biểu kiến tính ở khoảng cách (d) cho trước 10 pc cách người quan sát. (Cấp sao biểu kiến (m) là độ sáng đập vào mắt người quan sát tại Mặt đất).
Công thức tính cấp sao tuyệt đối: M = m + 5 – 5log(d)
MI, MJ, MK: Cấp sao tuyệt đối ở các băng quang học và hồng ngoại gần I (0,89 μm), J (1,2 μm), K (2,2 μm)
[2] log (L/ L)là độ trưng của vật thể so với độ trưng của Mặt trời.
triệu năm. Khối lượng của PPL 15 nằm ở ranh giới giữa sao thông thường và sao lùn nâu, được ước tính là 0,080 ± 0,005 M.
Năm 1995, Rebolo và cộng sự [32] đã công bố khám phá vật thể có tên là Teide 1. Vật thể này mờ hơn PPl 15 (log (L/ L) = -3,18 ± 0,10) và nó cũng đã được xác nhận là thành viên của đám sao Pleiades. Những sao lùn nâu M8 không chỉ dựa vào việc đủ trẻ để tìm thấy lithium mà còn dựa vào độ trưng của nó. Và rõ ràng những thành viên trong đám sao Pleiades sáng hơn PPL 15 sẽ cạn kiệt lithium. Rebolo và cộng sự [33] đã xác nhận lithium mạnh (log N(Li)[3]
= 2,5 – 3,3) cho Teide 1 và một vật thể tương tự, Calar 3. Khối lượng của chúng được ước tính trong khoảng 55 – 60 MJ.
Hình 3.2trình bày hình ảnh phổ của PPL 15, Teide 1 và Calar 3 ở vùng bước sóng có chứa vạch Li Iλ 6708 Å.
Hình 3.2: Hình ảnh phổ của PPl 15, Teide 1 và Calar 3 (Rebolo và cộng sự [33]).
[3] log N(Li)là độ dồi dào của lithium.
3.1.4. Những sao lùn nâu khác ứng dụng phương pháp thử nghiệm lithium
Ngoài ba ứng dụng đầu tiên ở tiểu mục 3.1.3, cho đến nay có khoảng 9 sao lùn nâu kiểu phổ M đã được xác thực thông qua việc áp dụng phương pháp thử nghiệm lithium này.
Martín và cộng sự [19] cũng đã phát hiện được vạch lithium có ở phổ của một vật thể nằm trong đám sao liên kết yếu Pleiades, với tên là Teide 2 (Hình 3.3). Teide 2 có kiểu phổ M6.0 ± 0.5, với khối lượng 0,070 ± 0,005 M, và có tuổi nằm trong khoảng 100 – 120 triệu năm. Nhóm của ông đã đo được độ rộng tương đương của vạch Li I λ 6708 Å ở Teide 2 là 0,77 ± 0,5 Å.
Hình 3.3: Vùng phổ quang học có vạch lithium λ 6708 Å ở Teide 2 (Martín và cộng sự [19]).
Cũng vào năm 1998, Tinney [37] đã báo cáo phát hiện sự có mặt của vạch lithium mạnh ở phổ của sao lùn LP 944–20 có kiểu phổ M9. Đây như là bằng chứng cho thấy LP 944–20 là vật thể dưới sao và còn trẻ. Tuổi của LP 944–20 được ước tính 320 ± 80 triệu năm, và có khối lượng < 0,057 M [26].
Vạch lithium cũng được phát hiện ở sao mờ nhất AP 270 bởi Basri và cộng sự [3]. Nhóm của ông đã đo được độ rộng tương đương của vạch lithium ở AP 270 là 0,62 ± 0,06 Å. AP 270 có kiểu phổ M6.7 ± 0.8, khối lượng 75 MJ, tuổi 65 triệu năm.
Năm 2000, Martín và cộng sự [21] đã áp dụng phương pháp thử nghiệm lithium vào vật thể CFHT-Pl-16 và CFHT-Pl-18. Nhóm của ông đã phát hiện vạch Hα rất rõ ở CFHT-Pl-16 (kiểu phổ M9) và đo được độ rộng tương đương của vạch lithium là 1,2 Å, tương tự với độ rộng tương đương của Teide 1 (Rebolo và cộng sự [33]). Vạch Li Ikhông được phát hiện ở CFHT-Pl-18 (Hình 3.4).
Hình 3.4: Hình ảnh phổ của Teide 1, CHFT-Pl-16, CFHT-Pl-18. Hα rất mạnh ở phổ, và vạch cộng hưởng Li I tại 670,8 nm được phát hiện ở CFHT-Pl-16, không thấy ở CFHT-Pl-18. (Martín và cộng sự [21]).
Gần đây, năm 2009, A. Reiners và G. Basri [30] đã phát hiện được lithium ở 6 vật thể: 2MASS J0019262+161407 (M8), 2MASS J0041353-562112 (M7.5), 2MASS J0123112-692138 (M8), 2MASS J0339352-352544 (M9 – LP 944-20), 2MASS J0443376-053008 (M9), 2MASS J1411213-211950 (M9) (Hình 3.5). Cả 6 vật thể này đều có tuổi trẻ hơn nửa tỉ năm. Trong đó, vật thể J0339352-352544 (M9
– LP 944-20) được biết trước là sao lùn nâu trẻ thông qua việc phát hiện vạch Li (Tinney [37]).
Hình 3.5: Hình ảnh phổ trong vùng có vạch lithium, từ trái sang phải: Hàng trên: 2MASS J0019262+161407 (M8), 2MASS J0041353-562112 (M7.5), 2MASS J0123112-692138 (M8). Hàng dưới: 2MASS J0339352-352544 (M9 – LP 944-20), 2MASS J0443376-053008 (M9), 2MASS J1411213-211950 (M9). (Reiners và Basri [30]).
3.2. THỬ NGHIỆM LITHIUM Ở CÁC SAO LÙN NÂU TRONG VÙNG LÂN CẬN MẶT TRỜI
Hình 3.6 chỉ ra vùng cạn kiệt lithium thông qua biểu đồ liên hệ giữa độ tuổi và độ trưng của vật thể. Vùng cạn kiệt lithium này chỉ ra giới hạn dưới của khối lượng và tuổi của vật thể nếu lithium không được tìm thấy. Ngược lại, nó sẽ cho biết giới hạn trên của khối lượng và tuổi nếu lithium được tìm thấy. Do đó, những vật thể trôi nổi tự do ở vùng lân cận Mặt trời mà có độ trưng yếu, và nếu còn phát hiện thấy lithium trong phổ quang học của chúng thì có thể khẳng định đó là sao lùn nâu. Ví dụ, với các vật thể có độ trưng dưới “giới hạn đảm bảo” (xem Hình 3.6), mà
còn phát hiện thấy Li thì chắc chắn đó là một sao lùn nâu. Bởi vì không có sao thông thường nào có độ trưng yếu như vậy mà lại còn phát hiện thấy Li (những sao mờ nhạt như vậy đã cạn kiệt Li).
Hình 3.6: Biểu đồ độ trưng – độ tuổi (Basri [2]). Những đường cong biểu diễn cho các khối lượng khác nhau. Vùng cạn kiệt lithium (nơi lithium bị giảm còn 1% giá trị ban đầu) được cho bởi vùng gạch sọc. Vùng lithium bảo toàn đảm bảo là 1 vật thể dưới sao được biểu diễn bởi dấu chấm. Vạch đậm hơn tại 75 MJ cho biết giới hạn khối lượng dưới sao.
Guaranteed Limit for Lithium Brown Dwarfs (Giới hạn đảm bảo cho những sao lùn nâu còn lithium); Lithium Depletion Region (Vùng cạn kiệt lithium).
Khi áp dụng phương pháp thử nghiệm lithium này với những vật thể có độ trưng ban đầu là 10-4
L, nếu phát hiện có lithium trong phổ quang học của chúng, thì chúng phải là sao lùn nâu có khối lượng nằm trong khoảng từ 13 – 65 MJ. Tuy nhiên, nếu chúng không được phát hiện có lithium, chúng vẫn có thể là sao lùn nâu với khối lượng trong khoảng 65 – 75 MJ, và tuổi phải đủ lớn (> 150 triệu năm tuổi). Cuối cùng, với những vật thể có độ trưng dưới 10-4 L, chúng vẫn là sao lùn nâu nhưng độc lập với sự quan trắc lithium. Việc nghiên cứu tương tự áp dụng cho tất
cả khám phá những vật thể mới rất mờ và những vật thể lạnh trôi nổi tự do nằm ở vùng lân cận Mặt trời (giống KELU-1; Ruiz [35]). Cho nên, những nghiên cứu này vẫn dẫn đường cho phương pháp thử nghiệm lithium đối với những vật thể nằm trong vùng lân cận Mặt trời. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.3. THỬ NGHIỆM LITHIUM Ở CÁC SAO LÙN NÂU TRẺ
Hầu hết các sao lùn nâu trẻ đều nằm ở vùng hình thành sao. Đây là vùng mà không có vật thể nào có đủ thời gian để làm cạn kiệt lithium do tuổi của chúng trẻ, ngay cả những sao thông thường có khối lượng khá lớn. Có nhiều báo cáo về sao lùn nâu trong các vùng hình thành sao (Taurus, ρ Ophiuchi, và Orion). Sao lùn nâu có thể được nhận biết ở vị trí cơ bản của chúng trên biểu đồ khối lượng – cấp sao hoặc biểu đồ HR (Hertzsprung – Russell), dựa trên vết tiến hóa tiền dãy chính. Việc nhận biết sao lùn nâu như vậy dựa trên lý thuyết này vẫn chưa thỏa đáng hoàn toàn, cho dù những vật thể mờ hơn rất giống như vật thể dưới sao. Mặc dù vậy, đây là cách độc lập để xác nhận tình trạng sao hay dưới sao của chúng.
Nếu quan sát một trong những ứng cử viên sao lùn nâu nằm trong vùng hình thành sao này, và không thấy lithium, thì nó không phải là thành viên của vùng hình thành sao. Tuy nhiên, có một ràng buộc giữa nhiệt độ và khối lượng cho những vật thể dưới sao với khối lượng đủ thấp, để từ đó hình thành nên bằng chứng của tình trạng dưới sao của chúng (độc lập với việc chúng có nằm trong vùng hình thành sao hay không). Điều này được thể hiện trên Hình 3.1.
Giới hạn khối lượng 75 MJ để xác định vật thể dưới sao nhằm ám chỉ giới hạn nhiệt độ khoảng 2700 K, tương đương với loại phổ M6 (Baraffe và Chabrier [6]). Do đó, bất kỳ vật thể M7 nào hoặc muộn hơn mà thử nghiệm có lithium phải là dưới sao. Điều này vẫn đúng bất kể độ tuổi hay độ trưng của vật thể đó. Phương pháp thử nghiệm liithium sử dụng giới hạn khối lượng 75 MJ thích hợp hơn khi sử dụng giới hạn độ trưng (~10-3 L). Vì việc xác định độ trưng của vật thể ở vùng rộng lớn như vùng hình thành sao thì khó khăn hơn khi xác định khối lượng của nó.
Mặc dù vậy, những vật thể ở vùng hình thành sao có độ trưng dưới “giới hạn đảm bảo” (xem Hình 3.6) thì thật sự là sao lùn nâu trẻ khối lượng thấp.
Trong thử nghiệm lithium, ngoài mối liên hệ giữa khối lượng và độ tuổi, còn có những mối liên hệ khác như: khối lượng – độ trưng, khối lượng – nhiệt độ… Phương pháp này phù hợp cho việc xác thực vật thể ứng cử viên là vật thể sao hay dưới sao, nhờ vào hệ thống lý thuyết đáng tin cậy đã được chứng thực trong khoảng thời gian trước đây. Do đó, thử nghiệm lithium chắc chắn tiếp tục tạo ra quy luật cơ bản của việc nghiên cứu những sao thông thường khối lượng thấp và sao lùn nâu (Martín [18]).
Chương 4: ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM LITHIUM ĐỐI VỚI CÁC ỨNG CỬ VIÊN SAO LÙN NÂU TRẺ
4.1. MỤC TIÊU
Dựa vào cơ sở lý thuyết ở trên, tôi áp dụng với một mẫu nghiên cứu nhỏ gồm 10 ứng cử viên sao lùn nâu trẻ. Dùng phương pháp thử nghiệm lithium để tìm mẫu nào là sao lùn nâu dựa trên cơ sở phát hiện vạch phổ Li Iλ 6708 Å ở phổ quang học của chúng.
4.2. MẪU QUAN SÁT
Bảng 4.1: Các thông số vật lý của mười ứng cử viên trong mẫu quan sát
Tên sao Khoảng cách d (pc) Kiểu phổ Nhiệt độ hiệu dụng (K)
Cấp sao tuyệt đối Độ rộng vạch Hα (Å) Tài liệu tham khảo MI (mag) MJ (mag) MK (mag) J0103-5351 23,7 M5.5 2600 12,49 10,26 9,38 9,8 [28], [29] J0144-4604 20,8 M5.6 2650 12,23 10,11 9,25 25,4 [28], [29] J0517-3349 16,4 M8.0 2270 14,7 11,52 10,34 8,1 [28], [29] J1236-3106 18,6 M5.5 2680 12,49 10,26 9,38 9,3 [27], [29] J1357-1438 25,6 M7.5 2361 13,56 10,85 9,82 9,2 [27], [29] J1538-1038 23,8 M5.0 2650 11,63 9,73 8,92 11,0 [10], [38] J1553-2311 20,6 M5.0 2740 11,87 9,89 9,06 10,0 [10], [28] J1610-0631 18,1 M5.5 2720 12,14 10,06 9,20 7,0 [10], [28] J1917-3019 20,3 M5.5 2700 12,0 9,97 9,13 21,0 [10], [28] J2049-1716 18,3 M6.0 2566 12,65 10,36 9,45 10,0 [10], [27]
Tôi chọn một mẫu nghiên cứu nhỏ gồm 10 ứng cử viên sao lùn nâu trẻ, kiểu phổ muộn hơn M5, nằm trong vùng lân cận Mặt trời (khoảng cách dưới 30 pc tính từ Mặt trời). Các ứng cử viên này đã được phát hiện trước đó và phổ quang học của chúng đều có vạch bức xạ Hα (Phan Bao và cộng sự [10], [27], [28], [29]). Trong đó có 8 ứng cử viên có độ rộng vạch Hα trong khoảng từ 7,0 – 10,0 Å, 1 ứng cử
viên có độ rộng 21,0 Å và vạch Hα mạnh nhất ở ứng cử viên J0144-4604 (25 Å). Thông thường những sao trẻ sẽ có từ trường hoạt động mạnh. Từ trường mạnh gây ra vạch Hα mạnh. Vì vậy vạch Hα ở J0144-4604 rất mạnh là một dấu hiệu chứng tỏ nó còn trẻ. Những sao lùn nâu còn trẻ thường có lượng lithium nguyên thủy lớn vì chúng chưa có đủ thời gian để phá hủy hết lượng lithium nguyên thủy theo phản ứng (2.3). Vì thế, việc chọn lựa các ứng cử viên này làm cho xác suất phát hiện lithium của tôi sẽ cao hơn.
Bảng 4.1 liệt kê các thông số vật lý cơ bản của 10 ứng cử viên trong mẫu quan sát của tôi. Trong Bảng 4.1, MI, MJ, MK là cấp sao tuyệt đối ở các băng quang học và hồng ngoại gần I (0,89 μm), J (1,2 μm), K (2,2 μm).
4.3. QUAN SÁT, XỬ LÝ SỐ LIỆU
Hình 4.1: Phổ quang học của 10 ứng cử viên sao lùn nâu trẻ. Vạch phát xạ Hα được chỉ thị rõ trên hình vẽ.
Nhóm nghiên cứu đã quan sát phổ quang học của các ứng cử viên với kính viễn vọng ở đài quan sát thiên văn Siding Spring (Australia) (Hình 1.3). Kính có
đường kính 2,3 m, cách tử 158 g/mm, vùng bước sóng quan sát từ 5800 – 6800 Å, độ phân giải phổ 5 Å. Tất cả dữ liệu thô sau đó được xử lý với phần mềm FIGARO. Và tôi phân tích phổ bằng phần mềm IRAF. Sau đó, ở hệ điều hành LINUX, tôi lập trình để vẽ 10 phổ của ứng cử viên sao lùn nâu trẻ vào một hình phổ chung. Phổ của các ứng cử viên được thể hiện trên Hình 4.1.
4.4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Hình 4.2: Phổ quang học được phóng to của 10 ứng cử viên ở vùng bước sóng có chứa vạch Li I λ 6708 Å.
Trong 10 ứng cử viên được quan sát, tôi phát hiện vạch Li I λ 6708 Å ở duy nhất 1 ứng cử viên, J0144-4604, phổ quan sát được thể hiện ở Hình 4.2.
Phương pháp thử nghiệm lithium còn cung cấp mối quan hệ ràng buộc giữa khối lượng và tuổi (như đã trình bày ở tiểu mục 3.1.1). Sự ràng buộc này cũng đã được thảo luận bởi Basri [2]. Dựa vào sự ràng buộc trên, cùng với việc phát hiện vạch lithium ở ứng cử viên J0144-4604 đã xác nhận rõ ràng ứng cử viên này là sao lùn nâu trẻ, có khối lượng nằm trong khoảng từ 13 đến 65 MJ và tuổi của nó không thể lớn hơn 1 tỉ năm.
Bảng 4.2 : Mô hình bụi cho tuổi t = 100 triệu năm (Chabrier và cộng sự [9]) M/MS: Khối lượng của vật thể so với khối lượng của Mặt trời; Teff: Nhiệt độ hiệu dụng của vật thể (K); g: Hệ số hấp dẫn; Li/Li0: Lượng lithium còn tồn tại trong vật thể so với lượng lithium ban đầu; Mv, Mr, Mj, Mh, Mk, Ml’, Mm: Các cấp sao tuyệt đối của vật thể (mag).
t (Gyr) = 0.100 --- M/Ms Teff L/Ls g R Li/Li0 Mv Mr Mi Mj Mh Mk Ml' Mm --- 0.010 916. -4.98 4.21 0.130 1.000 42.64 35.06 31.45 22.06 18.14 15.20 11.71 11.30 0.012 1333. -4.25 4.22 0.141 1.000 29.33 24.92 22.13 16.50 14.09 12.14 10.10 10.12 0.015 1290. -4.37 4.37 0.132 1.000 30.63 25.96 23.08 17.14 14.59 12.52 10.32 10.36 0.020 1441. -4.21 4.53 0.127 1.000 27.30 23.35 20.73 15.68 13.52 11.86 10.14 10.20 0.030 1878. -3.75 4.71 0.127 1.000 21.21 18.37 15.96 12.22 11.36 10.76 9.74 9.89 0.040 2234. -3.41 4.80 0.132 1.000 18.72 16.41 13.95 11.04 10.53 10.16 9.37 9.62 0.050 2483. -3.18 4.84 0.140 0.999 17.07 15.14 12.86 10.47 10.02 9.70 9.04 9.28 0.055 2576. -3.09 4.86 0.145 0.992 16.44 14.65 12.48 10.27 9.83 9.51 8.90 9.13 0.060 2652. -3.01 4.87 0.149 0.963 15.95 14.26 12.18 10.11 9.67 9.36 8.77 8.98