Các nhà khoa học đã xác nhận sự tồn tại của bốn hành tinh đá nhỏ quay quanh Sao Barnard — hệ sao gần thứ hai với Trái Đất — bằng cách sử dụng một thiết bị chuyên dụng trên kính thiên văn Gemini North hùng mạnh ở Hawaii. Chỉ cách chúng ta sáu năm ánh sáng, tất cả các hành tinh đều quá nóng để có thể duy trì sự sống như chúng ta biết.
Phát hiện này đặc biệt thú vị, giải thích Ritvik Basant, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Chicago và là tác giả của một bài báo về khám phá mới này. Ông cho biết, điều này là do Ngôi sao Barnard về cơ bản là người hàng xóm trong vũ trụ của chúng ta, nhưng chúng ta lại không biết nhiều về nó.
Đã có nhiều tuyên bố về các ngoại hành tinh quay quanh Ngôi sao Barnard trong nhiều năm qua, bắt đầu từ những năm 1960. Ngôi sao Barnard là một sao lùn đỏ, còn được gọi là sao lùn M, và đáng chú ý vì có chuyển động riêng nhanh nhất, liên quan đến chuyển động có thể nhìn thấy trên bầu trời đêm, trong số bất kỳ ngôi sao nào được phát hiện cho đến nay.
Gần đây nhất, vào năm 2024, các nhà thiên văn học sử dụng máy quang phổ ESPRESSO trên Kính viễn vọng rất lớn ở Chile đã tuyên bố phát hiện của một hành tinh, và bằng chứng cho ba hành tinh khác. Hiện nay, một nhóm do Jacob Bean và Basant tại Đại học Chicago dẫn đầu đã xác nhận không còn nghi ngờ gì nữa về sự tồn tại của cả bốn hành tinh.
"Sự gần gũi của Sao Barnard cho phép chúng tôi quan sát nó ngay cả trong những đêm thời tiết xấu, vì độ sáng của nó khiến nó có thể tiếp cận được ngay cả trong điều kiện không tối ưu. Điều này cho phép chúng tôi thu thập thêm dữ liệu, cuối cùng dẫn đến việc phát hiện ra những hành tinh có khối lượng rất thấp này", Basant nói với Space.com.
Một công cụ chính được sử dụng trong các quan sát của nhóm là máy quang phổ MAROON-X, một thiết bị thăm dò trên Gemini North. MAROON-X đo "vận tốc hướng tâm" — sự dao động nhẹ qua lại của Sao Barnard khi nó quay quanh tâm khối lượng được chia sẻ giữa nó và bốn hành tinh quay quanh. Tất cả chúng đều nhỏ hơn nhiều so với Trái Đất. Trên thực tế, chúng là một số ngoại hành tinh có khối lượng nhỏ nhất từng được phát hiện.
Hành tinh trong cùng trong hệ thống là hành tinh d (các hành tinh được đặt tên theo thứ tự khám phá, không phải khoảng cách từ ngôi sao), có khối lượng chỉ bằng 26% khối lượng Trái Đất và quay quanh Sao Barnard cứ sau 2,34 ngày ở khoảng cách 1,7 triệu dặm (2,8 triệu kilômét/0,0188 đơn vị thiên văn). Tiếp theo là hành tinh b: hành tinh lần đầu tiên được xác định trong dữ liệu ESPRESSO năm 2024. Hành tinh này có khối lượng bằng 30% khối lượng Trái Đất và quay quanh ngôi sao của nó cứ sau 3,15 ngày ở khoảng cách 2,13 triệu dặm (3,4 triệu kilômét/0,0229 AU).
Hành tinh c là hành tinh nặng nhất trong số các hành tinh, với khối lượng bằng 33,5% khối lượng Trái Đất. Nó quay quanh Sao Barnard ở khoảng cách 2,55 triệu dặm (4,1 triệu kilômét/0,0274 AU) và có chu kỳ quỹ đạo là 4,12 ngày.
Ba hành tinh đầu tiên đã được xác nhận chỉ bằng các quan sát MAROON-X. Để xác nhận hành tinh thứ tư, e, dữ liệu MAROON-X phải được kết hợp với các phép đo của ESPRESSO để tiết lộ một hành tinh chỉ có 19% khối lượng Trái đất, quay quanh Sao Barnard sau mỗi 6,74 ngày ở khoảng cách 3,56 triệu dặm (5,7 triệu kilômét/0,0381 AU).
Những thế giới này cực kỳ nhỏ gọn về mặt khoảng cách với nhau, chỉ có 372.820 dặm (600.000 km) giữa các hành tinh d và b, và 434.960 dặm (700.000 km) giữa b và c. Để so sánh, khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trăng của chúng ta chỉ là 238.600 dặm (384.000 km). Hãy tưởng tượng có một hành tinh ngay trước cửa nhà chúng ta chỉ cách gấp đôi khoảng cách đó!
Tuy nhiên, đó chính là cách mọi thứ được sắp xếp xung quanh Sao Barnard.
Để có sự tương phản rõ nét hơn, Tàu thăm dò Mặt Trời Parker của NASA, thực sự lặn vào vành nhật hoa, chỉ cách bề mặt Mặt Trời của chúng ta 3,9 triệu dặm (6,2 triệu km). Quỹ đạo của cả bốn hành tinh xung quanh Sao Barnard có thể dễ dàng nằm gọn trong quỹ đạo của Tàu thăm dò Mặt Trời Parker. Và, để làm rõ hơn sự tương phản giữa hệ mặt trời của chúng ta và hệ hành tinh của Sao Barnard, hành tinh gần nhất với Mặt Trời trong Hệ Mặt Trời của chúng ta, Sao Thủy, có khoảng cách trung bình là 36 triệu dặm (58 triệu km) giữa nó và Mặt Trời.
Khoảng cách nhỏ giữa các hành tinh xung quanh Sao Barnard cũng gợi nhớ đến một hệ thống thế giới khác xung quanh một sao lùn đỏ, TRAPPIST-1, nơi bảy hành tinh nằm trong phạm vi 5,75 triệu dặm (9,267 triệu km) tính từ ngôi sao trung tâm của chúng.
Tuy nhiên, một sao lùn đỏ như Sao Barnard rất khác so với Mặt trời của chúng ta. Nó chỉ có 16% khối lượng và 19% đường kính của Mặt trời. Do đó, hệ thống hành tinh của nó bị thu nhỏ lại. Sao lùn đỏ cũng có thể rất dễ bay hơi, phun ra các đám mây hạt tích điện và các đợt bức xạ thường xuyên hơn Mặt trời của chúng ta, điều này có thể làm mất đi bầu khí quyển của các thế giới gần đó. Tuy nhiên, hoạt động của sao lùn đỏ giảm dần theo tuổi tác và hệ thống Sao Barnard có tuổi đời khoảng 10 tỷ năm.
Tuy nhiên, không có hành tinh nào được tìm thấy cho đến nay có thể sinh sống được như chúng ta biết, vì chúng quá gần và quá nóng. Thay vào đó, vùng có thể ở được xung quanh Sao Barnard sẽ trùng với các thế giới xa hơn, với chu kỳ quỹ đạo từ 10 đến 42 ngày. Cho đến nay, chưa có hành tinh nào được tìm thấy ở xa ngôi sao như vậy.
"Với tập dữ liệu hiện tại, chúng tôi có thể tự tin loại trừ bất kỳ hành tinh nào có khối lượng lớn hơn 40 đến 60% khối lượng Trái đất gần các cạnh bên trong và bên ngoài của vùng có thể ở được", sBasant cho biết.. "Ngoài ra, chúng tôi có thể loại trừ sự hiện diện của các hành tinh có khối lượng Trái đất với chu kỳ quỹ đạo lên đến vài năm. Chúng tôi cũng tin tưởng rằng hệ thống này không chứa một hành tinh khí khổng lồ trong khoảng cách hợp lý".
MAROON-X đã có thể thu thập 112 phép đo vận tốc hướng tâm của Sao Barnard trong suốt giai đoạn 2021–2023. Trong khi đó, ESPRESSO đã ghi lại 149 phép đo vận tốc hướng tâm của ngôi sao nhanh nhẹn nhưng nhỏ bé này. Điều này không đủ để loại trừ hoàn toàn khả năng có thêm bất kỳ hành tinh nhỏ nào có thể ẩn núp trong vùng có thể ở được.
"Chúng tôi cũng có thêm dữ liệu từ năm 2024 không được sử dụng trong khám phá này", Basant cho biết. "Nếu tôi phải chọn một con số, tôi ước tính rằng 50 điểm dữ liệu nữa sẽ là lý tưởng để đạt được độ nhạy tốt nhất có thể với các thiết bị hiện tại".
MAROON-X được thiết kế riêng để đo vận tốc xuyên tâm của các hệ sao lùn đỏ. Trọng tâm vào các sao lùn đỏ có hai mặt. Một lý do là chúng là loại sao đông dân nhất trong thiên hà và chiếm phần lớn các ngôi sao gần chúng ta nhất. Thứ hai, khối lượng nhỏ của chúng giúp dễ dàng phát hiện ra sự dao động trong chuyển động của chúng do các hành tinh đá có kích thước bằng Trái Đất gây ra. Được đặt trên một kính thiên văn loại tám mét như Gemini North, và có thể nhìn vào vùng hồng ngoại gần nơi các sao lùn đỏ như Sao Barnard sáng hơn, MAROON-X được đặt ở vị trí hoàn hảo để tìm kiếm các hệ hành tinh thu nhỏ này.
"Khám phá này có thể thực hiện được là nhờ sự kết hợp của nhiều yếu tố", Basant cho biết. "Nếu tôi phải chọn một, thì đó sẽ là độ chính xác chưa từng có của các thiết bị thế hệ tiếp theo như MAROON-X và ESPRESSO".
Thật không may, bốn hành tinh của Sao Barnard không di chuyển hoặc đi qua phía trước ngôi sao của chúng, theo quan điểm của chúng tôi. Điều này có nghĩa là chúng ta không thể quan sát nhật thực thứ cấp (khi các hành tinh di chuyển ra sau ngôi sao của chúng, cho phép chúng ta trừ ánh sáng của ngôi sao khỏi ánh sáng kết hợp của ngôi sao và các hành tinh, để chỉ còn lại ánh sáng của các hành tinh) hoặc quang phổ học quá cảnh (khi ánh sáng của các ngôi sao được lọc qua bầu khí quyển của các hành tinh, nếu chúng có, để lộ các phân tử có thể có mặt).
— Ngoại hành tinh K2-18b có chứa sự sống ngoài hành tinh hay không? Đây là lý do tại sao cuộc tranh luận vẫn tiếp diễn
— Kính viễn vọng Hubble phát hiện ra rằng các ngôi sao có tính khí thất thường có thể phá hỏng tầm nhìn của chúng ta về hàng nghìn ngoại hành tinh
— Hệ thống đa hành tinh kỳ lạ chứng minh không phải tất cả các ngoại hành tinh Sao Mộc nóng đều là những hành tinh khổng lồ đơn độc
Tuy nhiên, "mặc dù các hành tinh này không di chuyển, nhưng sự phát xạ nhiệt của chúng có thể được nghiên cứu bằng [Kính viễn vọng không gian James Webb], mặc dù điều này vẫn còn nhiều thách thức", Basant nói.
Trong khi đó, Basant, Bean và nhóm của họ có ý định tiếp tục tìm kiếm thêm các hành tinh quay quanh Sao Barnard. Suy cho cùng, chúng ta thực tế là hàng xóm — và đã đến lúc chúng ta tìm thấy và tìm hiểu hệ hành tinh ngay bên cạnh này.
Những phát hiện này đã được công bố vào ngày 11 tháng 3 trên The Astrophysical Journal Letters.
Phát hiện này đặc biệt thú vị, giải thích Ritvik Basant, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Chicago và là tác giả của một bài báo về khám phá mới này. Ông cho biết, điều này là do Ngôi sao Barnard về cơ bản là người hàng xóm trong vũ trụ của chúng ta, nhưng chúng ta lại không biết nhiều về nó.
Đã có nhiều tuyên bố về các ngoại hành tinh quay quanh Ngôi sao Barnard trong nhiều năm qua, bắt đầu từ những năm 1960. Ngôi sao Barnard là một sao lùn đỏ, còn được gọi là sao lùn M, và đáng chú ý vì có chuyển động riêng nhanh nhất, liên quan đến chuyển động có thể nhìn thấy trên bầu trời đêm, trong số bất kỳ ngôi sao nào được phát hiện cho đến nay.
Gần đây nhất, vào năm 2024, các nhà thiên văn học sử dụng máy quang phổ ESPRESSO trên Kính viễn vọng rất lớn ở Chile đã tuyên bố phát hiện của một hành tinh, và bằng chứng cho ba hành tinh khác. Hiện nay, một nhóm do Jacob Bean và Basant tại Đại học Chicago dẫn đầu đã xác nhận không còn nghi ngờ gì nữa về sự tồn tại của cả bốn hành tinh.
"Sự gần gũi của Sao Barnard cho phép chúng tôi quan sát nó ngay cả trong những đêm thời tiết xấu, vì độ sáng của nó khiến nó có thể tiếp cận được ngay cả trong điều kiện không tối ưu. Điều này cho phép chúng tôi thu thập thêm dữ liệu, cuối cùng dẫn đến việc phát hiện ra những hành tinh có khối lượng rất thấp này", Basant nói với Space.com.
Một công cụ chính được sử dụng trong các quan sát của nhóm là máy quang phổ MAROON-X, một thiết bị thăm dò trên Gemini North. MAROON-X đo "vận tốc hướng tâm" — sự dao động nhẹ qua lại của Sao Barnard khi nó quay quanh tâm khối lượng được chia sẻ giữa nó và bốn hành tinh quay quanh. Tất cả chúng đều nhỏ hơn nhiều so với Trái Đất. Trên thực tế, chúng là một số ngoại hành tinh có khối lượng nhỏ nhất từng được phát hiện.
Hành tinh trong cùng trong hệ thống là hành tinh d (các hành tinh được đặt tên theo thứ tự khám phá, không phải khoảng cách từ ngôi sao), có khối lượng chỉ bằng 26% khối lượng Trái Đất và quay quanh Sao Barnard cứ sau 2,34 ngày ở khoảng cách 1,7 triệu dặm (2,8 triệu kilômét/0,0188 đơn vị thiên văn). Tiếp theo là hành tinh b: hành tinh lần đầu tiên được xác định trong dữ liệu ESPRESSO năm 2024. Hành tinh này có khối lượng bằng 30% khối lượng Trái Đất và quay quanh ngôi sao của nó cứ sau 3,15 ngày ở khoảng cách 2,13 triệu dặm (3,4 triệu kilômét/0,0229 AU).
Hành tinh c là hành tinh nặng nhất trong số các hành tinh, với khối lượng bằng 33,5% khối lượng Trái Đất. Nó quay quanh Sao Barnard ở khoảng cách 2,55 triệu dặm (4,1 triệu kilômét/0,0274 AU) và có chu kỳ quỹ đạo là 4,12 ngày.
Ba hành tinh đầu tiên đã được xác nhận chỉ bằng các quan sát MAROON-X. Để xác nhận hành tinh thứ tư, e, dữ liệu MAROON-X phải được kết hợp với các phép đo của ESPRESSO để tiết lộ một hành tinh chỉ có 19% khối lượng Trái đất, quay quanh Sao Barnard sau mỗi 6,74 ngày ở khoảng cách 3,56 triệu dặm (5,7 triệu kilômét/0,0381 AU).
Những thế giới này cực kỳ nhỏ gọn về mặt khoảng cách với nhau, chỉ có 372.820 dặm (600.000 km) giữa các hành tinh d và b, và 434.960 dặm (700.000 km) giữa b và c. Để so sánh, khoảng cách trung bình giữa Trái Đất và Mặt Trăng của chúng ta chỉ là 238.600 dặm (384.000 km). Hãy tưởng tượng có một hành tinh ngay trước cửa nhà chúng ta chỉ cách gấp đôi khoảng cách đó!
Tuy nhiên, đó chính là cách mọi thứ được sắp xếp xung quanh Sao Barnard.
Để có sự tương phản rõ nét hơn, Tàu thăm dò Mặt Trời Parker của NASA, thực sự lặn vào vành nhật hoa, chỉ cách bề mặt Mặt Trời của chúng ta 3,9 triệu dặm (6,2 triệu km). Quỹ đạo của cả bốn hành tinh xung quanh Sao Barnard có thể dễ dàng nằm gọn trong quỹ đạo của Tàu thăm dò Mặt Trời Parker. Và, để làm rõ hơn sự tương phản giữa hệ mặt trời của chúng ta và hệ hành tinh của Sao Barnard, hành tinh gần nhất với Mặt Trời trong Hệ Mặt Trời của chúng ta, Sao Thủy, có khoảng cách trung bình là 36 triệu dặm (58 triệu km) giữa nó và Mặt Trời.
Khoảng cách nhỏ giữa các hành tinh xung quanh Sao Barnard cũng gợi nhớ đến một hệ thống thế giới khác xung quanh một sao lùn đỏ, TRAPPIST-1, nơi bảy hành tinh nằm trong phạm vi 5,75 triệu dặm (9,267 triệu km) tính từ ngôi sao trung tâm của chúng.
Tuy nhiên, một sao lùn đỏ như Sao Barnard rất khác so với Mặt trời của chúng ta. Nó chỉ có 16% khối lượng và 19% đường kính của Mặt trời. Do đó, hệ thống hành tinh của nó bị thu nhỏ lại. Sao lùn đỏ cũng có thể rất dễ bay hơi, phun ra các đám mây hạt tích điện và các đợt bức xạ thường xuyên hơn Mặt trời của chúng ta, điều này có thể làm mất đi bầu khí quyển của các thế giới gần đó. Tuy nhiên, hoạt động của sao lùn đỏ giảm dần theo tuổi tác và hệ thống Sao Barnard có tuổi đời khoảng 10 tỷ năm.
Tuy nhiên, không có hành tinh nào được tìm thấy cho đến nay có thể sinh sống được như chúng ta biết, vì chúng quá gần và quá nóng. Thay vào đó, vùng có thể ở được xung quanh Sao Barnard sẽ trùng với các thế giới xa hơn, với chu kỳ quỹ đạo từ 10 đến 42 ngày. Cho đến nay, chưa có hành tinh nào được tìm thấy ở xa ngôi sao như vậy.
"Với tập dữ liệu hiện tại, chúng tôi có thể tự tin loại trừ bất kỳ hành tinh nào có khối lượng lớn hơn 40 đến 60% khối lượng Trái đất gần các cạnh bên trong và bên ngoài của vùng có thể ở được", sBasant cho biết.. "Ngoài ra, chúng tôi có thể loại trừ sự hiện diện của các hành tinh có khối lượng Trái đất với chu kỳ quỹ đạo lên đến vài năm. Chúng tôi cũng tin tưởng rằng hệ thống này không chứa một hành tinh khí khổng lồ trong khoảng cách hợp lý".
MAROON-X đã có thể thu thập 112 phép đo vận tốc hướng tâm của Sao Barnard trong suốt giai đoạn 2021–2023. Trong khi đó, ESPRESSO đã ghi lại 149 phép đo vận tốc hướng tâm của ngôi sao nhanh nhẹn nhưng nhỏ bé này. Điều này không đủ để loại trừ hoàn toàn khả năng có thêm bất kỳ hành tinh nhỏ nào có thể ẩn núp trong vùng có thể ở được.
"Chúng tôi cũng có thêm dữ liệu từ năm 2024 không được sử dụng trong khám phá này", Basant cho biết. "Nếu tôi phải chọn một con số, tôi ước tính rằng 50 điểm dữ liệu nữa sẽ là lý tưởng để đạt được độ nhạy tốt nhất có thể với các thiết bị hiện tại".
MAROON-X được thiết kế riêng để đo vận tốc xuyên tâm của các hệ sao lùn đỏ. Trọng tâm vào các sao lùn đỏ có hai mặt. Một lý do là chúng là loại sao đông dân nhất trong thiên hà và chiếm phần lớn các ngôi sao gần chúng ta nhất. Thứ hai, khối lượng nhỏ của chúng giúp dễ dàng phát hiện ra sự dao động trong chuyển động của chúng do các hành tinh đá có kích thước bằng Trái Đất gây ra. Được đặt trên một kính thiên văn loại tám mét như Gemini North, và có thể nhìn vào vùng hồng ngoại gần nơi các sao lùn đỏ như Sao Barnard sáng hơn, MAROON-X được đặt ở vị trí hoàn hảo để tìm kiếm các hệ hành tinh thu nhỏ này.
"Khám phá này có thể thực hiện được là nhờ sự kết hợp của nhiều yếu tố", Basant cho biết. "Nếu tôi phải chọn một, thì đó sẽ là độ chính xác chưa từng có của các thiết bị thế hệ tiếp theo như MAROON-X và ESPRESSO".
Thật không may, bốn hành tinh của Sao Barnard không di chuyển hoặc đi qua phía trước ngôi sao của chúng, theo quan điểm của chúng tôi. Điều này có nghĩa là chúng ta không thể quan sát nhật thực thứ cấp (khi các hành tinh di chuyển ra sau ngôi sao của chúng, cho phép chúng ta trừ ánh sáng của ngôi sao khỏi ánh sáng kết hợp của ngôi sao và các hành tinh, để chỉ còn lại ánh sáng của các hành tinh) hoặc quang phổ học quá cảnh (khi ánh sáng của các ngôi sao được lọc qua bầu khí quyển của các hành tinh, nếu chúng có, để lộ các phân tử có thể có mặt).
— Ngoại hành tinh K2-18b có chứa sự sống ngoài hành tinh hay không? Đây là lý do tại sao cuộc tranh luận vẫn tiếp diễn
— Kính viễn vọng Hubble phát hiện ra rằng các ngôi sao có tính khí thất thường có thể phá hỏng tầm nhìn của chúng ta về hàng nghìn ngoại hành tinh
— Hệ thống đa hành tinh kỳ lạ chứng minh không phải tất cả các ngoại hành tinh Sao Mộc nóng đều là những hành tinh khổng lồ đơn độc
Tuy nhiên, "mặc dù các hành tinh này không di chuyển, nhưng sự phát xạ nhiệt của chúng có thể được nghiên cứu bằng [Kính viễn vọng không gian James Webb], mặc dù điều này vẫn còn nhiều thách thức", Basant nói.
Trong khi đó, Basant, Bean và nhóm của họ có ý định tiếp tục tìm kiếm thêm các hành tinh quay quanh Sao Barnard. Suy cho cùng, chúng ta thực tế là hàng xóm — và đã đến lúc chúng ta tìm thấy và tìm hiểu hệ hành tinh ngay bên cạnh này.
Những phát hiện này đã được công bố vào ngày 11 tháng 3 trên The Astrophysical Journal Letters.
