Đường muội than (thiên văn học)

Đường muội than (hay còn gọi là đường bồ hóng hoặc đường hắc ín trong một số tài liệu) là một ranh giới lý thuyết trong các đĩa tiền hành tinh đánh dấu khoảng cách bán kính từ ngôi sao trung tâm nơi các hợp chất carbon hữu cơ chịu lửa, chẳng hạn như hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs) và các vật liệu CHON khác (carbon, hydro, oxy, nitơ – được gọi chung là "muội than" hoặc "hắc ín"), bị phá hủy không thể đảo ngược bởi quá trình nhiệt và chuyển hóa thành các loài khí. Khái niệm này lần đầu được đề xuất năm 2010 bởi Monika E. Kress và các cộng sự, đường muội than tương tự như đường tuyết (hay đường băng) đối với các chất dễ bay hơi như nước, nhưng xảy ra ở nhiệt độ cao hơn và gần ngôi sao trung tâm hơn, thường khoảng 300–1000 K (thông thường ~500 K trong điều kiện đĩa điển hình).

Bên trong đường muội than, các hành tinh hình thành trong môi trường nghèo carbon, giải thích hàm lượng carbon thấp ở các hành tinh đá như Trái Đất (~0.1% khối lượng so với độ phong phú vũ trụ). Bên ngoài đường muội than nhưng bên trong đường tuyết, các hành tinh có thể bồi tụ lượng lớn carbon chịu lửa (lên đến 40% khối lượng trong một số mô hình), dẫn đến sự hình thành "hành tinh muội than" hoặc "thế giới muội than-nước". Khái niệm này đã nổi bật trong những năm gần đây (2021–2025) nhờ ý nghĩa của nó trong việc diễn giải các ngoại hành tinh mật độ thấp được quan sát bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST), gợi ý rằng nhiều "thế giới nước" được cho là như vậy có thể thay vào đó là giàu carbon với khí quyển mờ sương, thống trị bởi metan.

Lịch sử và phát triển 
Đường muội than lần đầu được giới thiệu năm 2010 bởi Monika E. Kress, Alexander G. G. M. Tielens, và Michael Frenklach như một cơ chế giải thích sự phá hủy các PAHs tiền mặt trời trong vùng nội của đĩa tiền hành tinh. Các nghiên cứu tiếp theo năm 2011 và 2017 đã tinh chỉnh các mô hình hóa học, kết hợp các phản ứng động học và động lực học đĩa.

Khái niệm này đã phát triển đáng kể trong thập niên 2020 qua công trình của Edwin A. Bergin, Jie Li, và các cộng sự tại Đại học Michigan. Năm 2021, Li et al. đề xuất kịch bản hình thành hành tinh "từ trong ra ngoài" liên kết đường muội than với sự cạn kiệt carbon ở các hành tinh nội. Đến năm 2023, Bergin et al. kết nối nó với sự hình thành sương mù trong khí quyển ngoại hành tinh. Bài báo năm 2025 của Li et al. giới thiệu "hành tinh muội than" như một lựa chọn thay thế cho thế giới nước, tích hợp các quan sát JWST của các ngoại hành tinh như TOI-270d.

Nền tảng 
Các đĩa tiền hành tinh thể hiện gradient nhiệt độ và áp suất bán kính, tạo ra các ranh giới ngưng tụ/bay hơi ảnh hưởng đến thành phần vật liệu cho sự hình thành hành tinh. Đường tuyết nước (~150–170 K) là nơi nước và các chất dễ bay hơi đông đặc, hỗ trợ sự hình thành các hành tinh khổng lồ băng. Các chất mang carbon dễ bay hơi bay hơi ở ~120 K, nhưng carbon chịu lửa tồn tại đến nhiệt độ cao hơn.

Đường muội than, ở ~500 K, đánh dấu sự chuyển hóa không thể đảo ngược của carbon rắn thành khí như CO, CH₄, hoặc C₂H₂ qua các phản ứng với H, OH, và O trong môi trường giàu oxy (C/O < 1). Không giống như đường tuyết, nơi vật liệu có thể tái ngưng tụ, sự phá hủy muội than là vĩnh viễn do rào cản động học ngăn chặn sự tái hình thành.

Định nghĩa và giả định mô hình 
Đường muội than được định nghĩa là bán kính đĩa nơi nhiệt độ cho phép phá hủy nhiệt của PAHs và carbon chịu lửa, thường ở 300–1000 K, với giá trị danh nghĩa ~500 K. Các mô hình giả định động học hóa học trong đĩa ấm, giàu oxy, kết hợp trôi sỏi, đối lưu khí, và Hình thành Hành tinh Từ Trong Ra Ngoài (IOPF). Đường này di chuyển vào trong theo thời gian, từ hàng chục AU đến bên trong 1 AU trong ~1 triệu năm khi đĩa nguội đi.

Các phản ứng chính bao gồm oxy hóa và hydro hóa, dẫn đến độ phong phú C₂H₂ bền vững do sự ức chế động học chuyển hóa sang CO/CO₂/CH₄.

Công thức toán học 
Sự phá hủy hóa học tại đường muội than có thể được mô hình hóa bởi các phản ứng như:

Vị trí bán kính r của đường muội than theo hồ sơ nhiệt độ đĩa:

trong đó T là nhiệt độ và α là chỉ số phồng đĩa (~1–1.5). Các mô hình nâng cao kết hợp di chuyển phụ thuộc thời gian:

với β phụ thuộc vào tốc độ bồi tụ.

Quan sát và bằng chứng 
Quan sát trực tiếp đường muội than là thách thức, nhưng quang phổ hồng ngoại giữa của JWST đã cung cấp bằng chứng gián tiếp qua độ phong phú khí carbon trong đĩa như d203-506. Khí quyển ngoại hành tinh, chẳng hạn như của TOI-270d và K2-18b, cho thấy tỷ lệ C/O cao và metan, phù hợp với sự hình thành giàu muội than.

Ý nghĩa đối với ngoại hành tinh và khả năng cư trú 
Đường muội than giải thích sự thiếu hụt carbon ở các hành tinh nội và gợi ý rằng các sub-Neptune mật độ thấp có thể giàu muội than thay vì thống trị bởi nước, với quan hệ khối lượng-bán kính giống như thành phần 50% đá-50% nước. Các hành tinh muội than có thể có khí quyển mờ sương với hydrocarbon, ảnh hưởng đến khí hậu và khả năng phát hiện. Điều này mở rộng khái niệm vùng khả cư đến bao gồm "vùng muội than" nơi carbon nâng cao tiềm năng cho sự sống.

Xem thêm 
 Đường tuyết (thiên văn học)
 Đĩa tiền hành tinh
 Ngoại hành tinh
 Kính viễn vọng Không gian James Webb

Tài liệu tham khảo 

Đĩa tiền hành tinh
Thiên văn vật lý
Ngoại hành tinh
Hình thành hành tinh
Hóa học vũ trụ