Giống như một gia đình mà cha mẹ thấp bé có con cái cao lớn, một ngôi sao lùn đỏ nhỏ bé đang thách thức sự hiểu biết của chúng ta về cách các hành tinh hình thành bằng cách tồn tại cùng với một ngoại hành tinh khổng lồ.
Các hành tinh khổng lồ không phải là hiếm — xét cho cùng, chúng ta có bốn hành tinh trong hệ mặt trời của mình. Tuy nhiên, những thế giới lớn như vậy hiếm khi được tìm thấy xung quanh những ngôi sao nhỏ nhất, sao lùn đỏ. Sao lùn đỏ đơn giản là không có đủ vật chất để hình thành nên những thế giới khổng lồ như vậy.
Vâng, hãy nói điều đó với ngôi sao lùn đỏ TOI-6894, nằm cách xa 238 năm ánh sáng. Nó chỉ có 20% khối lượng của Mặt trời, nhưng được phát hiện là có một hành tinh khổng lồ, TOI-6894b, lớn hơn Sao Thổ một chút, mặc dù chỉ bằng khoảng một nửa khối lượng của hành tinh có vành đai.
Công trình thống kê đã chỉ ra rằng chỉ có khoảng 1,5% sao lùn đỏ chứa các hành tinh khí khổng lồ, vì vậy TOI-6894 thực sự là một giống hiếm. Và cho đến nay, đây là ngôi sao có khối lượng nhỏ nhất được tìm thấy có một hành tinh khí khổng lồ quay quanh: ít hơn 60% khối lượng so với ngôi sao có khối lượng thấp nhất tiếp theo có một hành tinh khí khổng lồ.
Với sự khan hiếm của các thế giới như vậy xung quanh các sao lùn đỏ, việc tìm ra hành tinh mới này trong dữ liệu từ Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh (TESS) của NASA không hề dễ dàng. (Chữ "TOI" trong tên của hệ thống ám chỉ "đối tượng quan tâm của TESS.")
"Ban đầu, tôi đã tìm kiếm qua các quan sát của TESS về hơn 91.000 ngôi sao lùn đỏ khối lượng thấp để tìm kiếm các hành tinh khổng lồ", Edward Bryant thuộc Đại học Warwick, người đứng đầu cuộc khám phá này, cho biết trong tuyên bố.
Sau khi phát hiện ra rằng TESS đã ghi lại TOI-6894b đang di chuyển qua ngôi sao của nó, cung cấp cho Bryant bán kính của hành tinh này, nhóm của ông đã quan sát nó bằng máy quang phổ ESPRESSO (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations) trên Kính viễn vọng rất lớn ở Chile và máy quang phổ SPIRou (Spectropolarimétre Infrarouge) trên Kính viễn vọng Canada–Pháp–Hawaii trên Mauna Kea để xác định khối lượng của nó.
Tuy nhiên, "chúng tôi thực sự không hiểu làm thế nào một ngôi sao có khối lượng nhỏ như vậy có thể hình thành một hành tinh lớn như vậy", thành viên nhóm Vincent Van Eylen của Phòng thí nghiệm khoa học không gian Mullard thuộc Đại học College London cho biết trong tuyên bố
Có hai mô hình để mô tả sự hình thành của các hành tinh khổng lồ. Một cách, mà chúng tôi cho là cách Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương hình thành, là thông qua một quá trình gọi là bồi tụ lõi. Một lõi hành tinh khổng lồ, có khối lượng gấp mười lần Trái đất, đầu tiên hình thành từ các nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Lực hấp dẫn của khối đá lớn tạo thành sau đó có thể kéo các luồng khí khổng lồ trong một quá trình mất kiểm soát từ đĩa hình thành hành tinh xung quanh.
Vì sao lùn đỏ là những ngôi sao có kích thước nhỏ hơn, nên vật liệu có sẵn trong đĩa hình thành hành tinh của chúng cũng có kích thước nhỏ hơn tương tự — đó là lý do tại sao chúng ta tìm thấy nhiều hành tinh nhỏ hơn xung quanh sao lùn đỏ hơn là sao khí khổng lồ. Các tính toán cho thấy lõi của TOI-6894b chứa khối lượng gấp 12 lần Trái đất. Tuy nhiên, trong một cuộc khảo sát trước đây về 70 đĩa hình thành hành tinh xung quanh sao lùn đỏ có khối lượng từ 15 đến 25% khối lượng Mặt trời của chúng ta, chỉ có năm đĩa được phát hiện chứa hơn 12 khối lượng Trái đất của các nguyên tố nặng và chỉ có một đĩa có độ phong phú lớn hơn đáng kể so với 12 khối lượng Trái đất. Khả năng là TOI-6894b không thể hỗ trợ sự tích tụ lõi.
Tuy nhiên, Bryant đã cố gắng hình dung một quá trình tích tụ lõi giảm một nửa. Do tổng khối lượng của TOI-6894b nhỏ hơn Sao Thổ, nên quá trình tích tụ mất kiểm soát có thể không cần thiết để tích tụ khối lượng của nó.
"Với khối lượng của hành tinh, TOI-6894b có thể hình thành thông qua quá trình tích tụ lõi trung gian, trong đó một tiền hành tinh hình thành và liên tục tích tụ khí mà không cần lõi trở nên đủ khối lượng để tích tụ khí mất kiểm soát", ông nói.
Một phương tiện thay thế mà các hành tinh khổng lồ hình thành là từ sự bất ổn của đĩa, theo đó một phần của đĩa hình thành hành tinh trở nên không ổn định và sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó, hợp nhất thành một hành tinh. Đây là quá trình hình thành từ trên xuống chứ không phải từ dưới lên của quá trình tích tụ lõi, nhưng cộng đồng thiên văn học vẫn bất đồng quan điểm về việc liệu những ngôi sao có khối lượng thấp như vậy có thể trải qua tình trạng bất ổn đĩa hay không.
Vì vậy, nguồn gốc của TOI-6894b vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải, nhưng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) có khả năng khám phá ra câu trả lời trong bầu khí quyển của hành tinh này.
TOI-6894b quay quanh ngôi sao của nó trong 3,37 ngày ở khoảng cách chỉ 3,89 triệu km (2,42 triệu dặm). Một hành tinh khí khổng lồ gần một ngôi sao giống mặt trời như vậy sẽ được phân loại là "Sao Mộc nóng" với nhiệt độ khí quyển lên tới hàng trăm, nếu không muốn nói là hơn một nghìn độ C. Tuy nhiên, là một sao lùn đỏ, TOI-6894 mát hơn mặt trời của chúng ta hơn 2.500 độ C, nghĩa là TOI-6894b có nhiệt độ khí quyển chỉ 147 độ C (296 độ F) - vẫn ấm, nhưng không hề nóng. Điều này có tác động đến tính chất hóa học của bầu khí quyển của nó.
"Dựa trên bức xạ sao của TOI-6894b, chúng tôi dự đoán bầu khí quyển bị chi phối bởi tính chất hóa học của mêtan, một tính chất rất hiếm khi xác định được", Amaury Triaud của Đại học Birmingham cho biết trong tuyên bố. "Nhiệt độ đủ thấp để các quan sát khí quyển thậm chí có thể cho chúng ta thấy amoniac, đây sẽ là lần đầu tiên nó được tìm thấy trong bầu khí quyển của một ngoại hành tinh".
Các bài viết liên quan:
— 'Phép màu vũ trụ!' Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra thiên hà sớm nhất từng được nhìn thấy
— Kính viễn vọng không gian James Webb hé lộ nguồn gốc dữ dội của một ngoại hành tinh xa xôi, đầy địa ngục
— Các nhà khoa học đặt câu hỏi về các dấu hiệu có thể có của sự sống trên ngoại hành tinh K2-18b trong nghiên cứu mới: 'Chúng tôi chưa bao giờ thấy gì ngoài những gợi ý không đáng kể'
Một đề xuất quan sát bầu khí quyển của TOI-6894b đã được chấp nhận như một phần của chu kỳ quan sát khoa học thứ tư của JWST, sẽ diễn ra trong 12 tháng tới. Bên cạnh việc tìm kiếm những thứ như mêtan và amoniac, các đặc điểm của bầu khí quyển của hành tinh mà JWST có thể nhận biết được có thể chỉ ra mô hình hình thành nào – sự tích tụ lõi hay sự bất ổn của đĩa – là mô hình chính xác, hoặc thậm chí liệu có cần một mô hình hình thành hoàn toàn mới hay không.
Mặc dù các hành tinh khổng lồ xung quanh các ngôi sao lùn đỏ rất hiếm — các ví dụ khác bao gồm các thế giới LHS 3154b, GJ 3512b và c, và TZ Ari b — nhưng số lượng vẫn có thể đứng về phía chúng. Đó là vì các sao lùn đỏ là loại sao phổ biến nhất trong thiên hà, chiếm ba phần tư trong số 100 tỷ ngôi sao ước tính trong Ngân Hà. Vì vậy, ngay cả 1,5% của 75 tỷ cũng là một con số khổng lồ các ngôi sao lùn đỏ – chính xác là 1,125 tỷ – có thể chứa các hành tinh khổng lồ.
"Phát hiện này sẽ là nền tảng để hiểu được những điều cực đoan trong quá trình hình thành các hành tinh khổng lồ", Bryant kết luận.
Phát hiện về TOI-6894b đã được công bố vào ngày 4 tháng 6 trên tạp chí Thiên văn học tự nhiên.
Các hành tinh khổng lồ không phải là hiếm — xét cho cùng, chúng ta có bốn hành tinh trong hệ mặt trời của mình. Tuy nhiên, những thế giới lớn như vậy hiếm khi được tìm thấy xung quanh những ngôi sao nhỏ nhất, sao lùn đỏ. Sao lùn đỏ đơn giản là không có đủ vật chất để hình thành nên những thế giới khổng lồ như vậy.
Vâng, hãy nói điều đó với ngôi sao lùn đỏ TOI-6894, nằm cách xa 238 năm ánh sáng. Nó chỉ có 20% khối lượng của Mặt trời, nhưng được phát hiện là có một hành tinh khổng lồ, TOI-6894b, lớn hơn Sao Thổ một chút, mặc dù chỉ bằng khoảng một nửa khối lượng của hành tinh có vành đai.
Công trình thống kê đã chỉ ra rằng chỉ có khoảng 1,5% sao lùn đỏ chứa các hành tinh khí khổng lồ, vì vậy TOI-6894 thực sự là một giống hiếm. Và cho đến nay, đây là ngôi sao có khối lượng nhỏ nhất được tìm thấy có một hành tinh khí khổng lồ quay quanh: ít hơn 60% khối lượng so với ngôi sao có khối lượng thấp nhất tiếp theo có một hành tinh khí khổng lồ.
Với sự khan hiếm của các thế giới như vậy xung quanh các sao lùn đỏ, việc tìm ra hành tinh mới này trong dữ liệu từ Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh (TESS) của NASA không hề dễ dàng. (Chữ "TOI" trong tên của hệ thống ám chỉ "đối tượng quan tâm của TESS.")
"Ban đầu, tôi đã tìm kiếm qua các quan sát của TESS về hơn 91.000 ngôi sao lùn đỏ khối lượng thấp để tìm kiếm các hành tinh khổng lồ", Edward Bryant thuộc Đại học Warwick, người đứng đầu cuộc khám phá này, cho biết trong tuyên bố.
Sau khi phát hiện ra rằng TESS đã ghi lại TOI-6894b đang di chuyển qua ngôi sao của nó, cung cấp cho Bryant bán kính của hành tinh này, nhóm của ông đã quan sát nó bằng máy quang phổ ESPRESSO (Echelle Spectrograph for Rocky Exoplanets and Stable Spectroscopic Observations) trên Kính viễn vọng rất lớn ở Chile và máy quang phổ SPIRou (Spectropolarimétre Infrarouge) trên Kính viễn vọng Canada–Pháp–Hawaii trên Mauna Kea để xác định khối lượng của nó.
Tuy nhiên, "chúng tôi thực sự không hiểu làm thế nào một ngôi sao có khối lượng nhỏ như vậy có thể hình thành một hành tinh lớn như vậy", thành viên nhóm Vincent Van Eylen của Phòng thí nghiệm khoa học không gian Mullard thuộc Đại học College London cho biết trong tuyên bố
Có hai mô hình để mô tả sự hình thành của các hành tinh khổng lồ. Một cách, mà chúng tôi cho là cách Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương hình thành, là thông qua một quá trình gọi là bồi tụ lõi. Một lõi hành tinh khổng lồ, có khối lượng gấp mười lần Trái đất, đầu tiên hình thành từ các nguyên tố nặng hơn hydro và heli. Lực hấp dẫn của khối đá lớn tạo thành sau đó có thể kéo các luồng khí khổng lồ trong một quá trình mất kiểm soát từ đĩa hình thành hành tinh xung quanh.
Vì sao lùn đỏ là những ngôi sao có kích thước nhỏ hơn, nên vật liệu có sẵn trong đĩa hình thành hành tinh của chúng cũng có kích thước nhỏ hơn tương tự — đó là lý do tại sao chúng ta tìm thấy nhiều hành tinh nhỏ hơn xung quanh sao lùn đỏ hơn là sao khí khổng lồ. Các tính toán cho thấy lõi của TOI-6894b chứa khối lượng gấp 12 lần Trái đất. Tuy nhiên, trong một cuộc khảo sát trước đây về 70 đĩa hình thành hành tinh xung quanh sao lùn đỏ có khối lượng từ 15 đến 25% khối lượng Mặt trời của chúng ta, chỉ có năm đĩa được phát hiện chứa hơn 12 khối lượng Trái đất của các nguyên tố nặng và chỉ có một đĩa có độ phong phú lớn hơn đáng kể so với 12 khối lượng Trái đất. Khả năng là TOI-6894b không thể hỗ trợ sự tích tụ lõi.
Tuy nhiên, Bryant đã cố gắng hình dung một quá trình tích tụ lõi giảm một nửa. Do tổng khối lượng của TOI-6894b nhỏ hơn Sao Thổ, nên quá trình tích tụ mất kiểm soát có thể không cần thiết để tích tụ khối lượng của nó.
"Với khối lượng của hành tinh, TOI-6894b có thể hình thành thông qua quá trình tích tụ lõi trung gian, trong đó một tiền hành tinh hình thành và liên tục tích tụ khí mà không cần lõi trở nên đủ khối lượng để tích tụ khí mất kiểm soát", ông nói.
Một phương tiện thay thế mà các hành tinh khổng lồ hình thành là từ sự bất ổn của đĩa, theo đó một phần của đĩa hình thành hành tinh trở nên không ổn định và sụp đổ dưới lực hấp dẫn của chính nó, hợp nhất thành một hành tinh. Đây là quá trình hình thành từ trên xuống chứ không phải từ dưới lên của quá trình tích tụ lõi, nhưng cộng đồng thiên văn học vẫn bất đồng quan điểm về việc liệu những ngôi sao có khối lượng thấp như vậy có thể trải qua tình trạng bất ổn đĩa hay không.
Vì vậy, nguồn gốc của TOI-6894b vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải, nhưng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) có khả năng khám phá ra câu trả lời trong bầu khí quyển của hành tinh này.
TOI-6894b quay quanh ngôi sao của nó trong 3,37 ngày ở khoảng cách chỉ 3,89 triệu km (2,42 triệu dặm). Một hành tinh khí khổng lồ gần một ngôi sao giống mặt trời như vậy sẽ được phân loại là "Sao Mộc nóng" với nhiệt độ khí quyển lên tới hàng trăm, nếu không muốn nói là hơn một nghìn độ C. Tuy nhiên, là một sao lùn đỏ, TOI-6894 mát hơn mặt trời của chúng ta hơn 2.500 độ C, nghĩa là TOI-6894b có nhiệt độ khí quyển chỉ 147 độ C (296 độ F) - vẫn ấm, nhưng không hề nóng. Điều này có tác động đến tính chất hóa học của bầu khí quyển của nó.
"Dựa trên bức xạ sao của TOI-6894b, chúng tôi dự đoán bầu khí quyển bị chi phối bởi tính chất hóa học của mêtan, một tính chất rất hiếm khi xác định được", Amaury Triaud của Đại học Birmingham cho biết trong tuyên bố. "Nhiệt độ đủ thấp để các quan sát khí quyển thậm chí có thể cho chúng ta thấy amoniac, đây sẽ là lần đầu tiên nó được tìm thấy trong bầu khí quyển của một ngoại hành tinh".
Các bài viết liên quan:
— 'Phép màu vũ trụ!' Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện ra thiên hà sớm nhất từng được nhìn thấy
— Kính viễn vọng không gian James Webb hé lộ nguồn gốc dữ dội của một ngoại hành tinh xa xôi, đầy địa ngục
— Các nhà khoa học đặt câu hỏi về các dấu hiệu có thể có của sự sống trên ngoại hành tinh K2-18b trong nghiên cứu mới: 'Chúng tôi chưa bao giờ thấy gì ngoài những gợi ý không đáng kể'
Một đề xuất quan sát bầu khí quyển của TOI-6894b đã được chấp nhận như một phần của chu kỳ quan sát khoa học thứ tư của JWST, sẽ diễn ra trong 12 tháng tới. Bên cạnh việc tìm kiếm những thứ như mêtan và amoniac, các đặc điểm của bầu khí quyển của hành tinh mà JWST có thể nhận biết được có thể chỉ ra mô hình hình thành nào – sự tích tụ lõi hay sự bất ổn của đĩa – là mô hình chính xác, hoặc thậm chí liệu có cần một mô hình hình thành hoàn toàn mới hay không.
Mặc dù các hành tinh khổng lồ xung quanh các ngôi sao lùn đỏ rất hiếm — các ví dụ khác bao gồm các thế giới LHS 3154b, GJ 3512b và c, và TZ Ari b — nhưng số lượng vẫn có thể đứng về phía chúng. Đó là vì các sao lùn đỏ là loại sao phổ biến nhất trong thiên hà, chiếm ba phần tư trong số 100 tỷ ngôi sao ước tính trong Ngân Hà. Vì vậy, ngay cả 1,5% của 75 tỷ cũng là một con số khổng lồ các ngôi sao lùn đỏ – chính xác là 1,125 tỷ – có thể chứa các hành tinh khổng lồ.
"Phát hiện này sẽ là nền tảng để hiểu được những điều cực đoan trong quá trình hình thành các hành tinh khổng lồ", Bryant kết luận.
Phát hiện về TOI-6894b đã được công bố vào ngày 4 tháng 6 trên tạp chí Thiên văn học tự nhiên.
