Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra rằng các hành tinh "siêu Trái Đất" có thể tồn tại trên quỹ đạo rộng hơn so với suy nghĩ trước đây — và điều này ngụ ý rằng những thế giới đá, hay "trên cạn", này phổ biến hơn nhiều so với nghi ngờ. Tóm lại, siêu Trái Đất là những hành tinh có khối lượng gấp 10 lần khối lượng của hành tinh chúng ta, nhưng vẫn nhỏ hơn khối lượng của các hành tinh khí khổng lồ.
Khám phá này xuất hiện sau khi một hành tinh ngoài hệ mặt trời nhỏ, hay "ngoại hành tinh", có quỹ đạo rộng xung quanh ngôi sao của nó được phát hiện, nhờ sự kiện "vi thấu kính" hấp dẫn được chỉ định là OGLE-2016-BLG-0007. Sự kiện này cho thấy ngoại hành tinh này có tỷ lệ khối lượng hành tinh trên ngôi sao gần gấp đôi tỷ lệ khối lượng Trái Đất trên Mặt Trời.
"Chúng tôi đã tìm thấy một hành tinh nhỏ trên quỹ đạo tương tự như Sao Thổ. Hành tinh này là một phần của mẫu lớn hơn cho thấy các hành tinh siêu Trái Đất nằm giữa quỹ đạo của Trái Đất và Sao Thổ rất nhiều", thành viên nhóm Jennifer Yee của Trung tâm Vật lý thiên văn | Harvard & Smithsonian nói với Space.com. "Sự phong phú của các siêu Trái Đất là một điều bất ngờ."
Yee giải thích rằng các nhà khoa học trước đây đã biết từ dữ liệu do sứ mệnh kính viễn vọng không gian Kepler cung cấp rằng các siêu Trái Đất phổ biến xung quanh các ngôi sao khác, nhưng chỉ trong khoảng cách từ các ngôi sao tương ứng của chúng tương đương với khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời. Khoảng cách dự kiến đó được biểu thị bằng một đơn vị thiên văn (au).
Tuy nhiên, công trình mới này cho thấy rằng siêu Trái Đất cũng phổ biến ở khoảng cách xa hơn so với các ngôi sao chủ của chúng, trong trường hợp này là khoảng 10 au (hoặc gấp 10 lần khoảng cách giữa hành tinh của chúng ta và mặt trời).
"Trước đây, chỉ có giới hạn trên về số lượng siêu Trái Đất [trên quỹ đạo rộng] và có ý kiến cho rằng chúng có thể không tồn tại", Yee tiếp tục.
"Cụ thể, sự phân bố cho thấy các hành tinh có thể được tách thành hai quần thể, một quần thể gồm các siêu Trái Đất và Sao Hải Vương và một quần thể gồm các hành tinh khí khổng lồ lớn hơn", Yee nói thêm. Nhóm nghiên cứu nghi ngờ sự phân chia này trong quần thể phản ánh sự khác biệt trong quá trình hình thành giữa các hành tinh đất đá và các hành tinh khí khổng lồ.
Việc phát hiện ra quần thể lớn hơn của các siêu Trái Đất trong quỹ đạo giống Sao Mộc và Sao Thổ cũng có thể có ý nghĩa đối với sự hiểu biết của chúng ta về cái gọi là "vùng có thể ở được" xung quanh các ngôi sao khác.
Vùng có thể ở được được định nghĩa là các vùng xung quanh các ngôi sao có đủ nhiệt độ để cho phép nước lỏng tồn tại trên bề mặt của các hành tinh đất đá trong khu vực. Bất kỳ nơi nào gần một ngôi sao hơn dải vùng có thể ở được của nó, thì nước lỏng của một hành tinh sẽ bốc hơi. Xa hơn, nó sẽ đóng băng.
Đây là lý do tại sao các vùng có thể ở được cũng được gọi là "vùng Goldilocks" (giống như cháo của gấu hoàn hảo, nước lỏng không quá nóng cũng không quá lạnh trong các vùng này).
Mặc dù Sao Mộc và Sao Thổ nằm ngoài vùng có thể ở được của hệ mặt trời, nhưng các siêu Trái đất có quỹ đạo tương tự xung quanh các ngôi sao nóng hơn có thể nằm trong các vùng như vậy — nếu chúng được mở rộng.
"Vùng vùng có thể ở được mà chúng ta mong đợi tìm thấy sự sống trong các hệ hành tinh khác là cực kỳ hẹp. Kỳ vọng của chúng ta về vùng này được thúc đẩy bởi chính hành tinh của chúng ta vì đó là nơi duy nhất mà chúng ta đã phát hiện ra sự sống một cách chắc chắn cho đến nay", Yee cho biết. "Thiên nhiên liên tục làm chúng ta ngạc nhiên."
Yee nói thêm rằng cách tốt nhất để hiểu vùng có thể sinh sống xung quanh các ngôi sao nói chung là đo các đặc tính của quần thể hành tinh lớn hơn.
"Điều này tạo ra nhiều không gian hơn cho những điều bất ngờ," Yee nói. "Phép đo quần thể siêu Trái đất này cung cấp một phần mới của bức tranh về vùng có thể sinh sống, về cơ bản sẽ góp phần vào việc mô tả quần thể các hành tinh giống Trái đất của chúng ta."
"Việc phát hiện ra hành tinh này không phải là điều bất ngờ vì KMTNet được thiết kế để làm điều này, nhưng nó cực kỳ thú vị vì nó chứng minh rằng KMTNet có khả năng thường xuyên tìm thấy các hành tinh nhỏ hơn, đây là yêu cầu để hiểu được quần thể hành tinh", Yee giải thích.
KMTNet săn lùng các ngoại hành tinh bằng một hiện tượng lần đầu tiên được Albert Einstein dự đoán trong lý thuyết hấp dẫn năm 1915 của ông, thuyết tương đối rộng.
Thuyết tương đối rộng cho rằng các vật thể có khối lượng khiến cấu trúc không gian và thời gian "bẻ cong", với lực hấp dẫn phát sinh từ độ cong này. Khi ánh sáng đi qua độ cong này, ánh sáng của nó cũng bị cong. Điều đó có nghĩa là khi một vật thể có khối lượng đi vào giữa Trái đất và một nguồn sáng nền, hình ảnh của nguồn đó bị cong, phóng đại hoặc thậm chí nhân lên khi đến được các thiết bị của chúng ta.
Một hệ hành tinh hoạt động như một thấu kính hấp dẫn và đi vào giữa Trái đất và một nguồn sáng nền có thể gây ra một sự biến dạng nhỏ ở nguồn đó, một tình huống được gọi là "thấu kính vi mô".
"Đây là một sự trùng hợp thú vị của vật lý", Yee nói. "Thấu kính vi mô rất hiệu quả trong việc tìm kiếm các hành tinh gần bán kính Einstein [góc đặc trưng cho thấu kính hấp dẫn]."
Bán kính này được thiết lập bởi khối lượng của hệ hành tinh thấu kính, bao gồm ngôi sao của nó, khoảng cách từ Trái đất đến hệ thấu kính đó và khoảng cách từ Trái đất đến nguồn nền có ánh sáng bị bóp méo. "Trên thực tế, chính sự nhận ra sự trùng hợp này vào đầu những năm 1990 đã dẫn đến các cuộc tìm kiếm hành tinh thấu kính vi mô đầu tiên", Yee nói thêm.
Các câu chuyện liên quan:
— Các nhà khoa học phát hiện ra hệ sao đôi kỳ lạ với ngoại hành tinh trên quỹ đạo ngang (video)
— 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
— Hành tinh có kích thước bằng Trái Đất được phát hiện xung quanh sao lùn đỏ lạnh có tên giống với một chiếc bánh quy
Nhóm nghiên cứu hiện sẽ tiếp tục sử dụng KMTNet và thấu kính hấp dẫn để săn lùng các hệ thống hành tinh thấu kính trong nỗ lực khám phá thêm nhiều siêu Trái Đất trong quỹ đạo rộng.
"Chúng tôi đang nỗ lực tăng kích thước mẫu hành tinh bằng cách đưa thêm nhiều mùa dữ liệu KMTNet vào phân tích", Yee kết luận. "Chúng tôi cũng đang nỗ lực cải thiện chất lượng dữ liệu thu gọn để có thể tìm thấy các tín hiệu hành tinh yếu hơn".
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ năm (ngày 24 tháng 4) trên tạp chí Science.
Khám phá này xuất hiện sau khi một hành tinh ngoài hệ mặt trời nhỏ, hay "ngoại hành tinh", có quỹ đạo rộng xung quanh ngôi sao của nó được phát hiện, nhờ sự kiện "vi thấu kính" hấp dẫn được chỉ định là OGLE-2016-BLG-0007. Sự kiện này cho thấy ngoại hành tinh này có tỷ lệ khối lượng hành tinh trên ngôi sao gần gấp đôi tỷ lệ khối lượng Trái Đất trên Mặt Trời.
"Chúng tôi đã tìm thấy một hành tinh nhỏ trên quỹ đạo tương tự như Sao Thổ. Hành tinh này là một phần của mẫu lớn hơn cho thấy các hành tinh siêu Trái Đất nằm giữa quỹ đạo của Trái Đất và Sao Thổ rất nhiều", thành viên nhóm Jennifer Yee của Trung tâm Vật lý thiên văn | Harvard & Smithsonian nói với Space.com. "Sự phong phú của các siêu Trái Đất là một điều bất ngờ."
Yee giải thích rằng các nhà khoa học trước đây đã biết từ dữ liệu do sứ mệnh kính viễn vọng không gian Kepler cung cấp rằng các siêu Trái Đất phổ biến xung quanh các ngôi sao khác, nhưng chỉ trong khoảng cách từ các ngôi sao tương ứng của chúng tương đương với khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời. Khoảng cách dự kiến đó được biểu thị bằng một đơn vị thiên văn (au).
Tuy nhiên, công trình mới này cho thấy rằng siêu Trái Đất cũng phổ biến ở khoảng cách xa hơn so với các ngôi sao chủ của chúng, trong trường hợp này là khoảng 10 au (hoặc gấp 10 lần khoảng cách giữa hành tinh của chúng ta và mặt trời).
"Trước đây, chỉ có giới hạn trên về số lượng siêu Trái Đất [trên quỹ đạo rộng] và có ý kiến cho rằng chúng có thể không tồn tại", Yee tiếp tục.
Vùng có thể sinh sống và sự hình thành hành tinh
Khi đưa vào dữ liệu siêu Trái Đất này, nhóm nghiên cứu đã tính toán rằng sẽ có khoảng 0,35 hành tinh siêu Trái Đất trên mỗi ngôi sao trên các quỹ đạo rộng giống như Sao Mộc. Yee giải thích rằng sự phân bố chung của tỷ lệ khối lượng hành tinh có thể phản ánh các đặc điểm cụ thể của quá trình hình thành hành tinh."Cụ thể, sự phân bố cho thấy các hành tinh có thể được tách thành hai quần thể, một quần thể gồm các siêu Trái Đất và Sao Hải Vương và một quần thể gồm các hành tinh khí khổng lồ lớn hơn", Yee nói thêm. Nhóm nghiên cứu nghi ngờ sự phân chia này trong quần thể phản ánh sự khác biệt trong quá trình hình thành giữa các hành tinh đất đá và các hành tinh khí khổng lồ.
Việc phát hiện ra quần thể lớn hơn của các siêu Trái Đất trong quỹ đạo giống Sao Mộc và Sao Thổ cũng có thể có ý nghĩa đối với sự hiểu biết của chúng ta về cái gọi là "vùng có thể ở được" xung quanh các ngôi sao khác.
Vùng có thể ở được được định nghĩa là các vùng xung quanh các ngôi sao có đủ nhiệt độ để cho phép nước lỏng tồn tại trên bề mặt của các hành tinh đất đá trong khu vực. Bất kỳ nơi nào gần một ngôi sao hơn dải vùng có thể ở được của nó, thì nước lỏng của một hành tinh sẽ bốc hơi. Xa hơn, nó sẽ đóng băng.
Đây là lý do tại sao các vùng có thể ở được cũng được gọi là "vùng Goldilocks" (giống như cháo của gấu hoàn hảo, nước lỏng không quá nóng cũng không quá lạnh trong các vùng này).
Mặc dù Sao Mộc và Sao Thổ nằm ngoài vùng có thể ở được của hệ mặt trời, nhưng các siêu Trái đất có quỹ đạo tương tự xung quanh các ngôi sao nóng hơn có thể nằm trong các vùng như vậy — nếu chúng được mở rộng.
"Vùng vùng có thể ở được mà chúng ta mong đợi tìm thấy sự sống trong các hệ hành tinh khác là cực kỳ hẹp. Kỳ vọng của chúng ta về vùng này được thúc đẩy bởi chính hành tinh của chúng ta vì đó là nơi duy nhất mà chúng ta đã phát hiện ra sự sống một cách chắc chắn cho đến nay", Yee cho biết. "Thiên nhiên liên tục làm chúng ta ngạc nhiên."
Yee nói thêm rằng cách tốt nhất để hiểu vùng có thể sinh sống xung quanh các ngôi sao nói chung là đo các đặc tính của quần thể hành tinh lớn hơn.
"Điều này tạo ra nhiều không gian hơn cho những điều bất ngờ," Yee nói. "Phép đo quần thể siêu Trái đất này cung cấp một phần mới của bức tranh về vùng có thể sinh sống, về cơ bản sẽ góp phần vào việc mô tả quần thể các hành tinh giống Trái đất của chúng ta."
Săn hành tinh với Einstein
Yee và các đồng nghiệp đã thực hiện khám phá này bằng cách sử dụng Mạng lưới Kính viễn vọng Vi thấu kính Hàn Quốc (KMTNet), bao gồm ba địa điểm ở Chile, Nam Phi và Úc. Ba kính viễn vọng ở ba múi giờ khác nhau có nghĩa là KMTNet có thể cho phép các nhà thiên văn học theo dõi bầu trời đêm không bị gián đoạn trên bán cầu nam."Việc phát hiện ra hành tinh này không phải là điều bất ngờ vì KMTNet được thiết kế để làm điều này, nhưng nó cực kỳ thú vị vì nó chứng minh rằng KMTNet có khả năng thường xuyên tìm thấy các hành tinh nhỏ hơn, đây là yêu cầu để hiểu được quần thể hành tinh", Yee giải thích.
KMTNet săn lùng các ngoại hành tinh bằng một hiện tượng lần đầu tiên được Albert Einstein dự đoán trong lý thuyết hấp dẫn năm 1915 của ông, thuyết tương đối rộng.
Thuyết tương đối rộng cho rằng các vật thể có khối lượng khiến cấu trúc không gian và thời gian "bẻ cong", với lực hấp dẫn phát sinh từ độ cong này. Khi ánh sáng đi qua độ cong này, ánh sáng của nó cũng bị cong. Điều đó có nghĩa là khi một vật thể có khối lượng đi vào giữa Trái đất và một nguồn sáng nền, hình ảnh của nguồn đó bị cong, phóng đại hoặc thậm chí nhân lên khi đến được các thiết bị của chúng ta.
Một hệ hành tinh hoạt động như một thấu kính hấp dẫn và đi vào giữa Trái đất và một nguồn sáng nền có thể gây ra một sự biến dạng nhỏ ở nguồn đó, một tình huống được gọi là "thấu kính vi mô".
"Đây là một sự trùng hợp thú vị của vật lý", Yee nói. "Thấu kính vi mô rất hiệu quả trong việc tìm kiếm các hành tinh gần bán kính Einstein [góc đặc trưng cho thấu kính hấp dẫn]."
Bán kính này được thiết lập bởi khối lượng của hệ hành tinh thấu kính, bao gồm ngôi sao của nó, khoảng cách từ Trái đất đến hệ thấu kính đó và khoảng cách từ Trái đất đến nguồn nền có ánh sáng bị bóp méo. "Trên thực tế, chính sự nhận ra sự trùng hợp này vào đầu những năm 1990 đã dẫn đến các cuộc tìm kiếm hành tinh thấu kính vi mô đầu tiên", Yee nói thêm.
Các câu chuyện liên quan:
— Các nhà khoa học phát hiện ra hệ sao đôi kỳ lạ với ngoại hành tinh trên quỹ đạo ngang (video)
— 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
— Hành tinh có kích thước bằng Trái Đất được phát hiện xung quanh sao lùn đỏ lạnh có tên giống với một chiếc bánh quy
Nhóm nghiên cứu hiện sẽ tiếp tục sử dụng KMTNet và thấu kính hấp dẫn để săn lùng các hệ thống hành tinh thấu kính trong nỗ lực khám phá thêm nhiều siêu Trái Đất trong quỹ đạo rộng.
"Chúng tôi đang nỗ lực tăng kích thước mẫu hành tinh bằng cách đưa thêm nhiều mùa dữ liệu KMTNet vào phân tích", Yee kết luận. "Chúng tôi cũng đang nỗ lực cải thiện chất lượng dữ liệu thu gọn để có thể tìm thấy các tín hiệu hành tinh yếu hơn".
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ năm (ngày 24 tháng 4) trên tạp chí Science.
