Khi các nhà thiên văn học đào sâu hơn vào sự đa dạng của các thế giới quay quanh các ngôi sao xa xôi, một nghiên cứu mới cho thấy việc so sánh quần thể các ngoại hành tinh trẻ với các ngoại hành tinh già hơn có thể tiết lộ những manh mối quan trọng về cách các hành tinh hình thành, tiến hóa và thay đổi theo thời gian.
Cách tiếp cận này cuối cùng có thể cung cấp câu trả lời cho một số chủ đề được tranh luận nhiều, chẳng hạn như sự tồn tại của một "sa mạc Sao Hải Vương nóng", ám chỉ sự khan hiếm kỳ lạ của các hành tinh có kích thước Sao Hải Vương ở quỹ đạo gần xung quanh các ngôi sao của chúng, và "thung lũng bán kính", một khoảng cách riêng biệt giữa các hành tinh có bán kính gấp khoảng 1,5 đến 2 lần Trái đất.
Việc quan sát các ngoại hành tinh trẻ mang đến cơ hội độc đáo để nghiên cứu các hành tinh ở trạng thái nguyên thủy của chúng, trước khi chúng trải qua những thay đổi lớn về khí quyển và tiến hóa được thấy ở các quần thể già hơn — và nhờ sự ra đời của các cuộc khảo sát quá cảnh có độ chính xác cao, trường rộng như những cuộc khảo sát được xây dựng bằng các sứ mệnh Kepler và TESS của NASA, chúng ta có thể thu thập được những quan sát như vậy.
Các sứ mệnh này cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu các ngoại hành tinh có hàng triệu, thậm chí hàng tỷ, cách xa hàng năm ánh sáng với độ chi tiết đáng chú ý bằng cách đo những giọt nhỏ trong ánh sáng sao xảy ra khi các hành tinh đi qua trước các ngôi sao của chúng, theo góc nhìn của chúng ta trong vũ trụ. Bằng cách theo dõi những lần giảm này, các nhà thiên văn học có thể suy ra sự hiện diện của một hành tinh, kích thước của nó và độ dài quỹ đạo của nó.
"Khả năng phát hiện và quan sát các hành tinh trẻ của chúng ta thường bị hạn chế bởi mức độ 'yên tĩnh' của ngôi sao chủ của hành tinh đó", Galen Bergsten, một ứng viên tiến sĩ tại Đại học Arizona, nói với Space.com. "Chúng ta cần phát hiện các tín hiệu tinh tế có thể bị mất trong tiếng ồn. Các hành tinh trẻ quay quanh các ngôi sao trẻ và các ngôi sao trẻ có xu hướng rất ồn ào, điều này khiến việc trích xuất các tín hiệu từ các hành tinh trẻ của chúng trở nên khó khăn hơn."
"Phân tích của chúng tôi tập trung vào các hành tinh có quỹ đạo ngắn [12 ngày]," Rachel Fernandes, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Penn State, nói với Space.com. "Chúng tôi phát hiện ra rằng các hành tinh thay đổi theo thời gian theo hai cách lớn: chúng co lại khi mất đi bầu khí quyển và chúng di chuyển vào bên trong do tương tác với ngôi sao của chúng."
"Nhưng 12 ngày chỉ là một phần nhỏ của không gian," cô nhấn mạnh. "Để thực sự hiểu cách các hành tinh tiến hóa, chúng ta cần nghiên cứu cả các hành tinh gần và xa ở các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của chúng. Điều đó có thể giúp chúng ta tìm ra tốc độ các hành tinh di chuyển vào bên trong và tốc độ chúng mất đi bầu khí quyển của mình — hai câu hỏi lớn mà chúng ta vẫn chưa có câu trả lời rõ ràng."
Nhóm nghiên cứu đã chia các đối tượng quan sát thành hai nhóm tuổi: các hành tinh trẻ (10 triệu - 100 triệu năm tuổi) và các hành tinh trung gian (100 triệu năm đến 1 tỷ năm tuổi). Sau đó, họ so sánh tỷ lệ xuất hiện của các hành tinh này bằng dữ liệu từ TESS của NASA, hay Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh, đối với nhóm trẻ hơn và từ Kepler đối với nhóm già hơn. Tóm lại, các nhà khoa học phát hiện ra rằng các hành tinh trẻ xuất hiện nhiều hơn.
"Thực tế là chúng ta thấy tỷ lệ xuất hiện cao hơn đối với các hành tinh trẻ so với các hành tinh già cho chúng ta biết rằng các hành tinh có thể đang co lại", Bergsten cho biết. "Trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành và tiến hóa hành tinh, chúng tôi cho rằng các hành tinh nhỏ thực sự phổ biến. Nhưng chúng nguội đi và mất đi bầu khí quyển theo thời gian, khiến chúng co lại thành kích thước nhỏ hơn mà chúng ta không nhạy cảm với hầu hết các nghiên cứu."
Điều này là do các hành tinh này quay quanh các ngôi sao của chúng rất gần, bức xạ từ đó làm mất đi bầu khí quyển của chúng. "Điều này khiến chúng co lại theo thời gian," Fernandes cho biết, "và giải thích tại sao chúng ta thấy ít hành tinh nhỏ hơn xung quanh các ngôi sao già hơn — nhiều hành tinh trong số chúng chỉ đơn giản là mất quá nhiều bầu khí quyển để duy trì kích thước như cũ."
Những phát hiện này giúp làm sáng tỏ thời gian các hành tinh nguội đi và mất đi bầu khí quyển bằng cách theo dõi số lượng của chúng thay đổi theo thời gian. Bergsten cho biết: "Chúng tôi phát hiện ra sự suy giảm lớn nhất về sự xuất hiện trên các thang thời gian dài hơn [hàng trăm triệu năm], điều này có thể giúp phân biệt giữa các lý thuyết khác nhau về cách các hành tinh nguội đi và mất đi bầu khí quyển của chúng."
Nhóm nghiên cứu cũng suy đoán rằng một hiện tượng được gọi là di cư thủy triều có thể đóng vai trò trong việc định hình tốc độ xuất hiện của các hành tinh chu kỳ ngắn. Đây là quá trình mà các hành tinh dần dần di chuyển gần hơn đến ngôi sao của chúng do lực hấp dẫn từ ngôi sao. Điều này khiến hành tinh mất năng lượng và xoắn ốc vào trong theo thời gian, thường dẫn đến các hành tinh đi vào quỹ đạo ngắn hơn nhiều.
"Hiểu được quá trình di chuyển thủy triều là điều quan trọng vì nó giúp giải thích cách thức và lý do tại sao một số hành tinh lại có quỹ đạo ngắn như vậy và điều gì xảy ra với chúng khi chúng di chuyển vào trong", Fernandes nói.
Các sứ mệnh trong tương lai sẽ cung cấp dữ liệu chi tiết hơn, cho phép quan sát tốt hơn các hành tinh xa hơn các ngôi sao của chúng và các hành tinh nhỏ hơn với độ chính xác cao hơn. Nghiên cứu các ngôi sao với độ chính xác cao trong thời gian dài hơn có thể cải thiện khả năng phát hiện và mô tả các hành tinh trẻ quay quanh các ngôi sao đó.
Các câu chuyện liên quan:
— 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
— Các nhà khoa học đã cố tình sử dụng các thiết bị JWST 'sai' để chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh
— 'Hình ảnh trẻ sơ sinh' của ngoại hành tinh tiết lộ các ngoại vệ tinh có thể đang hình thành xung quanh các thế giới sơ khai
"Mọi thứ chúng ta biết về các hành tinh đều bắt nguồn từ chưa đầy 6.000 hành tinh mà chúng ta đã phát hiện cho đến nay", Fernandes cho biết. "Nhưng trong vài thập kỷ tới, các sứ mệnh từ NASA và ESA — như Roman, PLATO và Gaia — sẽ tìm thấy hàng chục đến hàng trăm nghìn hành tinh nữa. Điều này sẽ giúp chúng ta ghép lại bức tranh toàn cảnh về quá trình hình thành và tiến hóa của hành tinh và đặt hệ mặt trời của chúng ta vào bối cảnh.
"Với rất nhiều dữ liệu mới sắp xuất hiện, vài thập kỷ tới sẽ vô cùng thú vị đối với nghiên cứu về ngoại hành tinh", bà kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 17 tháng 3 trên The Tạp chí thiên văn học.
Cách tiếp cận này cuối cùng có thể cung cấp câu trả lời cho một số chủ đề được tranh luận nhiều, chẳng hạn như sự tồn tại của một "sa mạc Sao Hải Vương nóng", ám chỉ sự khan hiếm kỳ lạ của các hành tinh có kích thước Sao Hải Vương ở quỹ đạo gần xung quanh các ngôi sao của chúng, và "thung lũng bán kính", một khoảng cách riêng biệt giữa các hành tinh có bán kính gấp khoảng 1,5 đến 2 lần Trái đất.
Việc quan sát các ngoại hành tinh trẻ mang đến cơ hội độc đáo để nghiên cứu các hành tinh ở trạng thái nguyên thủy của chúng, trước khi chúng trải qua những thay đổi lớn về khí quyển và tiến hóa được thấy ở các quần thể già hơn — và nhờ sự ra đời của các cuộc khảo sát quá cảnh có độ chính xác cao, trường rộng như những cuộc khảo sát được xây dựng bằng các sứ mệnh Kepler và TESS của NASA, chúng ta có thể thu thập được những quan sát như vậy.
Các sứ mệnh này cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu các ngoại hành tinh có hàng triệu, thậm chí hàng tỷ, cách xa hàng năm ánh sáng với độ chi tiết đáng chú ý bằng cách đo những giọt nhỏ trong ánh sáng sao xảy ra khi các hành tinh đi qua trước các ngôi sao của chúng, theo góc nhìn của chúng ta trong vũ trụ. Bằng cách theo dõi những lần giảm này, các nhà thiên văn học có thể suy ra sự hiện diện của một hành tinh, kích thước của nó và độ dài quỹ đạo của nó.
"Khả năng phát hiện và quan sát các hành tinh trẻ của chúng ta thường bị hạn chế bởi mức độ 'yên tĩnh' của ngôi sao chủ của hành tinh đó", Galen Bergsten, một ứng viên tiến sĩ tại Đại học Arizona, nói với Space.com. "Chúng ta cần phát hiện các tín hiệu tinh tế có thể bị mất trong tiếng ồn. Các hành tinh trẻ quay quanh các ngôi sao trẻ và các ngôi sao trẻ có xu hướng rất ồn ào, điều này khiến việc trích xuất các tín hiệu từ các hành tinh trẻ của chúng trở nên khó khăn hơn."
"Phân tích của chúng tôi tập trung vào các hành tinh có quỹ đạo ngắn [12 ngày]," Rachel Fernandes, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Penn State, nói với Space.com. "Chúng tôi phát hiện ra rằng các hành tinh thay đổi theo thời gian theo hai cách lớn: chúng co lại khi mất đi bầu khí quyển và chúng di chuyển vào bên trong do tương tác với ngôi sao của chúng."
"Nhưng 12 ngày chỉ là một phần nhỏ của không gian," cô nhấn mạnh. "Để thực sự hiểu cách các hành tinh tiến hóa, chúng ta cần nghiên cứu cả các hành tinh gần và xa ở các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của chúng. Điều đó có thể giúp chúng ta tìm ra tốc độ các hành tinh di chuyển vào bên trong và tốc độ chúng mất đi bầu khí quyển của mình — hai câu hỏi lớn mà chúng ta vẫn chưa có câu trả lời rõ ràng."
Nhóm nghiên cứu đã chia các đối tượng quan sát thành hai nhóm tuổi: các hành tinh trẻ (10 triệu - 100 triệu năm tuổi) và các hành tinh trung gian (100 triệu năm đến 1 tỷ năm tuổi). Sau đó, họ so sánh tỷ lệ xuất hiện của các hành tinh này bằng dữ liệu từ TESS của NASA, hay Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh, đối với nhóm trẻ hơn và từ Kepler đối với nhóm già hơn. Tóm lại, các nhà khoa học phát hiện ra rằng các hành tinh trẻ xuất hiện nhiều hơn.
"Thực tế là chúng ta thấy tỷ lệ xuất hiện cao hơn đối với các hành tinh trẻ so với các hành tinh già cho chúng ta biết rằng các hành tinh có thể đang co lại", Bergsten cho biết. "Trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành và tiến hóa hành tinh, chúng tôi cho rằng các hành tinh nhỏ thực sự phổ biến. Nhưng chúng nguội đi và mất đi bầu khí quyển theo thời gian, khiến chúng co lại thành kích thước nhỏ hơn mà chúng ta không nhạy cảm với hầu hết các nghiên cứu."
Điều này là do các hành tinh này quay quanh các ngôi sao của chúng rất gần, bức xạ từ đó làm mất đi bầu khí quyển của chúng. "Điều này khiến chúng co lại theo thời gian," Fernandes cho biết, "và giải thích tại sao chúng ta thấy ít hành tinh nhỏ hơn xung quanh các ngôi sao già hơn — nhiều hành tinh trong số chúng chỉ đơn giản là mất quá nhiều bầu khí quyển để duy trì kích thước như cũ."
Những phát hiện này giúp làm sáng tỏ thời gian các hành tinh nguội đi và mất đi bầu khí quyển bằng cách theo dõi số lượng của chúng thay đổi theo thời gian. Bergsten cho biết: "Chúng tôi phát hiện ra sự suy giảm lớn nhất về sự xuất hiện trên các thang thời gian dài hơn [hàng trăm triệu năm], điều này có thể giúp phân biệt giữa các lý thuyết khác nhau về cách các hành tinh nguội đi và mất đi bầu khí quyển của chúng."
Nhóm nghiên cứu cũng suy đoán rằng một hiện tượng được gọi là di cư thủy triều có thể đóng vai trò trong việc định hình tốc độ xuất hiện của các hành tinh chu kỳ ngắn. Đây là quá trình mà các hành tinh dần dần di chuyển gần hơn đến ngôi sao của chúng do lực hấp dẫn từ ngôi sao. Điều này khiến hành tinh mất năng lượng và xoắn ốc vào trong theo thời gian, thường dẫn đến các hành tinh đi vào quỹ đạo ngắn hơn nhiều.
"Hiểu được quá trình di chuyển thủy triều là điều quan trọng vì nó giúp giải thích cách thức và lý do tại sao một số hành tinh lại có quỹ đạo ngắn như vậy và điều gì xảy ra với chúng khi chúng di chuyển vào trong", Fernandes nói.
Các sứ mệnh trong tương lai sẽ cung cấp dữ liệu chi tiết hơn, cho phép quan sát tốt hơn các hành tinh xa hơn các ngôi sao của chúng và các hành tinh nhỏ hơn với độ chính xác cao hơn. Nghiên cứu các ngôi sao với độ chính xác cao trong thời gian dài hơn có thể cải thiện khả năng phát hiện và mô tả các hành tinh trẻ quay quanh các ngôi sao đó.
Các câu chuyện liên quan:
— 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
— Các nhà khoa học đã cố tình sử dụng các thiết bị JWST 'sai' để chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh
— 'Hình ảnh trẻ sơ sinh' của ngoại hành tinh tiết lộ các ngoại vệ tinh có thể đang hình thành xung quanh các thế giới sơ khai
"Mọi thứ chúng ta biết về các hành tinh đều bắt nguồn từ chưa đầy 6.000 hành tinh mà chúng ta đã phát hiện cho đến nay", Fernandes cho biết. "Nhưng trong vài thập kỷ tới, các sứ mệnh từ NASA và ESA — như Roman, PLATO và Gaia — sẽ tìm thấy hàng chục đến hàng trăm nghìn hành tinh nữa. Điều này sẽ giúp chúng ta ghép lại bức tranh toàn cảnh về quá trình hình thành và tiến hóa của hành tinh và đặt hệ mặt trời của chúng ta vào bối cảnh.
"Với rất nhiều dữ liệu mới sắp xuất hiện, vài thập kỷ tới sẽ vô cùng thú vị đối với nghiên cứu về ngoại hành tinh", bà kết luận.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 17 tháng 3 trên The Tạp chí thiên văn học.
