Các nhà thiên văn học đã khám phá ra 7 hành tinh giống Trái Đất thế nào?

Có bảy hành tinh quay quanh một ngôi sao lùn nhỏ được biết đến với cái tên TRAPPIST-1.

Vào năm 2016, đã có 3 hành tinh được khám phá quanh ngôi sao này, cho đến hiện nay thì bốn hành tinh nữa đã được khám phá. Tất cả những thế giới này thì có kích thước gần bằng Trái Đất, và ba trong số đó có tiềm năng có sự sống. Bản thân ngôi sao TRAPPIST-1 khá khó để quan sát được. Nó là một ngôi sao có độ sáng biểu kiến 18, cách chúng ta 40 năm ánh sáng và năm trong chòm sao Bảo Bình. Vậy điều gì đã khiến các nhà thiên văn học tìm kiếm các hành tinh xung quanh ngôi sao TRAPPIST-1 này, và làm thế nào mà các nhà thiên văn học đã khám phá ra 7 hành tinh giống Trái Đất này?

Ảnh minh hoạ hệ sao Trappist-1. Ảnh: ESO.

Trappist-1 được biết đến như một ngôi sao lùn "siêu mát mẻ" so với Mặt Trời. Khối lượng của nó chỉ bằng 8% khối lượng của Mặt Trời chúng ta, hay khoảng 84 lần khối lượng của sao Mộc. Nếu nó nhỏ hơn nhiều nó sẽ không có đủ khối lượng để đốt cháy hyđrô trong lõi của nó, và thay vào đó sẽ là một ngôi sao lùn nâu. Mặc dù nó lớn hơn khoảng 80 lần so với sao Mộc, nó không phải là lớn hơn nhiều lắm so với sao Mộc. Đó là vì ngôi sao này dày đặc hơn rất nhiều so với một hành tinh do trọng lượng hấp dẫn của nó. Mặc dù nó là một ngôi sao, nhưng kích thước của nó tương tự như sao Mộc.

Hình ảnh so sánh của một ngôi sao lùn siêu mát như TRAPPIST-1 (trái) với sao lùn nâu 65 và 30 giống sao Mộc (trung tâm) và sao Mộc (trái). Ảnh: NASA

Theo một cách nào đó thì sao Mộc có thể được xem như là một hệ hành tinh nhỏ. Tám trong số các mặt trăng của nó có quỹ đạo gần tròn, và bốn trong số đó có kích thước của Mặt trăng của chúng ta hoặc lớn hơn. Các hành tinh khí khác trong hệ mặt trời của chúng ta có mặt trăng lớn với quỹ đạo gần tròn, vì vậy một số nhà thiên văn học suy đoán rằng một ngôi sao nhỏ như Trappist-1 có thể có các hành tinh với kích thước tương đương Trái Đất quay quanh gần ngôi sao này.

Mặc dù ngôi sao lùn này khá mờ và không quá nóng, một hành tinh gần nó có thể đủ ấm để hỗ trợ nước ở dạng lỏng trên bề mặt của nó. Và không giống như các ngôi sao lùn lớn, sao "siêu mát mẻ" có thể không có các bùng phát mặt trời lớn mà có thể đe doạ các thể sinh sống của các hành tinh gần.

Vì vậy, một nhóm các nhà thiên văn học đã bắt đầu tìm kiếm các bằng chứng về các hành tinh quanh sao lùn nhỏ. Sử dụng kính thiên văn TRAPPIST-South (TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope–South) ở Đài quan sát La Silla của ESO (cơ quan nghiên cứu vũ trụ của châu Âu ở Nam bán cầu) ở Chile, họ quan sát thấy sự thay đổi độ sáng của các ngôi sao như TRAPPIST-1, hy vọng có thể chụp được một hành tinh khi nó đi qua trước ngôi sao. Đây được gọi là phương pháp chuyển tiếp của việc phát hiện hành tinh, vì hành tinh đi qua trước ngôi sao từ điểm thuận lợi của chúng ta.

Minh hoạ độ sáng thay đổi do sự di chuyển của một hành tinh ngang qua trước ngôi sao.

Hình ảnh này cho thấy sự thay đổi độ sáng của TRAPPIST-1 do sự di chuyển của ba hành tinh. Ảnh ESO.

TRAPPIST-1 rất nhỏ và xa đến nỗi chúng ta không thể nhìn thấy một hành tinh di chuyển ngang qua nó trực tiếp, theo kiểu như khi Kim tinh di chuyển qua Mặt trời. Ngay cả khi quan sát bằng kính thiên văn như TRAPPIST-South, ngôi sao này trông giống như một điểm sáng. Nhưng khi một hành tinh đi qua trước ngôi sao đó, nó sẽ chặn một phần ánh sáng của nó. Chúng ta thấy điều này như một sự mờ nhạt của ngôi sao. Về nguyên tắc đó là một phương pháp đơn giản , nhưng trên thực tế có thể khá phức tạp. Các hành tinh chuyển tiếp không phải là điều duy nhất có thể làm cho ngôi sao mờ đi. Vì vậy, có thể những thứ như điểm đen của ngôi sao và hoạt động năng lượng mặt trời (mặt trời là một ngôi sao) khác. Đã có những trường hợp những gì ban đầu trông giống như một hành tinh hóa ra không phải như vậy.

Để đảm bảo sự giảm trong độ sáng thực sự là do một hành tinh, các nhà thiên văn học cần phải thực hiện nhiều quan sát để đảm bảo chúng theo một mô hình bình thường. Càng có nhiều sự dịch chuyển qua ngôi sao nhiều mà các nhà khoa học quan sát được, họ càng tự tin rằng đó thực sự là một hành tinh.

Mặc dù bằng chứng duy nhất cho những hành tinh này là sự mờ nhạt của TRAPPIST-1, vẫn còn khá nhiều điều chúng ta biết về chúng. Để bắt đầu, kích thước của một hành tinh xác định độ mờ đi trong quá trình di chuyển. Các hành tinh lớn hơn chặn nhiều ánh sáng hơn đối với ngôi sao đang quan sát, và do đó sự giảm trong độ sáng lớn hơn. Biết được kích thước của TRAPPIST-1, nhóm nghiên cứu có thể đo được sự giảm độ sáng mờ đi do mỗi hành tinh để xác định kích thước của nó. Đây là cách chúng ta biết rằng tất cả bảy hành tinh đều có kích thước bằng Trái Đất. Một số lớn hơn một chút, và một số nhỏ hơn một chút.

So sánh các hành tinh của TRAPPIST-1 với các hành tinh của hệ mặt trời của chúng ta. Ảnh: NASA.

Chúng ta cũng có một ý tưởng tốt về quỹ đạo của chúng. Thời gian giữa các lần di chuyển cho chúng ta biết chúng cần bao lâu để quay quanh ngôi sao, được gọi là chu kỳ quỹ đạo của nó. Khoảng thời gian quỹ đạo của một hành tinh phụ thuộc vào khối lượng của ngôi sao và khoảng cách của hành tinh từ ngôi sao. Vì chúng ta biết được khối lượng của TRAPPIST-1 khá hợp lý, chúng ta có thể tính được khoảng cách của mỗi hành tinh. Bằng cách đo chiều dài của mỗi quá cảnh chúng ta cũng có thể có được một ý tưởng về tốc độ của mỗi hành tinh. Vì tốc độ này đồng nghĩa với tốc độ của quỹ đạo tròn, chúng ta biết rằng các quỹ đạo của các hành tinh này khá tròn, giống như các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta.

Đó là một hệ thống mặt trời tuyệt vời, nhưng nó có thể là một hệ thống có khả năng có sự sống? Đó là một câu hỏi hoàn toàn khác, và điều này cần phải được khám phá cẩn thận hơn. Ba trong số những hành tinh này nằm ở khoảng cách có khả năng sinh sống được, có nghĩa là lý thuyết nước lỏng có thể tồn tại trên bề mặt của chúng. Mặc dù chúng ta biết kích thước của các hành tinh này cũng tương tự như Trái đất, chúng ta không biết khối lượng của chúng. Chúng ta cũng không có dữ liệu về việc chúng có bầu khí quyển hay không, hoặc nếu chúng ướt hoặc khô. Tất cả những điều này đều ảnh hưởng đến môi trường sống tiềm năng của chúng. Nhưng ngay cả khi không có thông tin này, chúng ta có thể đưa ra một số phỏng đoán về những gì chúng ta biết về các hành tinh khác và các hệ hành tinh. Đó là một chủ đề hấp dẫn, và mời các bạn đón đọc trong những bài viết tiếp theo.

(Bài dịch từ Tác giả Ethan Siegel)