[비즈한국] Cho đến những năm 1990, khi nhân loại nói đến từ "hành tinh", nó chỉ đơn thuần mang nghĩa là các hành tinh trong hệ Mặt Trời quay xung quanh Mặt Trời. Dù từng có những suy đoán rằng có thể tồn tại các hành tinh ngoại hệ quay quanh những ngôi sao khác ngoài hệ Mặt Trời, nhưng đó chỉ là những giả thuyết trong trí tưởng tượng chứ chưa bao giờ được chứng minh thực tế. Tuy nhiên, qua những năm 1990, chúng ta cuối cùng đã bắt đầu ghi lại được những dữ liệu thực chất về các hành tinh ngoại hệ. Ngày nay, nhờ sự góp mặt của các kính viễn vọng không gian đa dạng như kính viễn vọng Kepler, TESS, chúng ta đã xác nhận được hơn 10.000 hành tinh ngoại hệ và các thiên thể ứng viên. Giờ đây, từ "hành tinh" không chỉ mang nghĩa là các hành tinh thuộc hệ Mặt Trời, mà thay vào đó, nó đại diện cho vô số hành tinh trong vũ trụ đang quay quanh các vì sao khác.
Thực tế, mục đích quan trọng nhất của nhân loại trong việc tìm kiếm các hành tinh ngoại hệ rất rõ ràng: đó là tìm kiếm nơi có sự sống như Trái Đất. Nghiên cứu về hành tinh ngoại hệ đương nhiên dẫn đến việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất. Để đáp ứng được các điều kiện thuận lợi cho sự sống như Trái Đất, hành tinh đó phải nằm ở khoảng cách thích hợp với ngôi sao chủ của nó. Đồng thời, nó cũng phải có bề mặt đá rắn chắc. Bởi nếu chỉ là một hành tinh khí bao phủ bởi bầu khí quyển như Sao Mộc, thì sẽ chẳng có lục địa nào để sinh vật có thể đặt chân lên và sinh sống.
Vậy, trong số những hành tinh ngoại hệ mà nhân loại tìm thấy cho đến nay, có bao nhiêu hành tinh đáp ứng được các điều kiện tương tự Trái Đất? Thực tế, tỷ lệ đó khá thấp. Thay vào đó, khi hướng ánh nhìn ra bên ngoài hệ Mặt Trời, chúng ta đã phát hiện ra nhiều loại hành tinh ngoại hệ kỳ lạ mà thậm chí trước đây chúng ta chưa từng nghĩ tới trong hệ Mặt Trời. Đó là những hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc nhưng lại nằm rất sát ngôi sao chủ, tạo nên những hành tinh nóng bỏng. Những hành tinh kỳ lạ này được phân loại là các "Sao Mộc nóng".
Các hành tinh Sao Mộc nóng không tồn tại trong hệ Mặt Trời của chúng ta. Tất cả những hành tinh khí khổng lồ có thể nhìn thấy trong hệ Mặt Trời như Sao Mộc đều chỉ phân bố ở vùng ngoại vi xa xôi so với Mặt Trời. Điều này rất dễ hiểu: ở nơi xa Mặt Trời, vật chất khí không bị thổi bay mà vẫn tồn tại, từ đó hình thành nên các hành tinh khí nhẹ. Ngược lại, ở phía trong hệ Mặt Trời, những hành tinh nhỏ và cứng chắc như Trái Đất được hình thành từ đá và kim loại chịu nhiệt tốt. Nguyên lý cho rằng các mảnh đá cứng hình thành gần ngôi sao, còn các khối mây khí nhẹ hình thành ở vùng ngoại vi, là điều vô cùng hiển nhiên khi chúng ta chỉ nhìn vào hệ Mặt Trời của mình.
Tuy nhiên, khi biết đến sự tồn tại của các hành tinh ngoại hệ và bắt đầu nắm bắt được các đặc điểm chi tiết của chúng, các nhà thiên văn học đã trở nên bối rối. Bởi lẽ, sự hiểu biết về quá trình hình thành hệ hành tinh không áp dụng tốt cho hầu hết các hành tinh ngoại hệ bên ngoài hệ Mặt Trời. Chúng ta nên hiểu về các hành tinh Sao Mộc nóng như thế nào? Làm thế nào mà những hành tinh khí mỏng manh đó lại có thể nằm sát ngôi sao chủ và bị nung nóng dữ dội đến vậy? Phải chăng hệ Mặt Trời của chúng ta, xét trên toàn bộ vũ trụ, là một trường hợp cực kỳ hiếm gặp với thứ tự sắp xếp kích thước các hành tinh rất độc đáo?
Trong một thời gian dài, các nhà thiên văn học cho rằng các hành tinh Sao Mộc nóng không tồn tại với hình dáng như hiện nay ngay từ đầu. Bởi họ cho rằng, trên quỹ đạo quay rất gần ngôi sao với chu kỳ dưới 100 ngày, việc hình thành ổn định một hành tinh chỉ bao gồm các thành phần khí nhẹ là rất khó khăn. Thay vào đó, họ suy đoán rằng những hành tinh khí này vốn được sinh ra ở vùng ngoại vi của hệ hành tinh, nơi cách xa ngôi sao chủ, nhưng do một nguyên nhân nào đó, quỹ đạo bị lệch và dần dần trôi vào phía trung tâm hệ sao. Đây có thể coi là hiện tượng di cư của các hành tinh. Gần đây, các nhà thiên văn học đã tìm thấy bằng chứng quan sát đáng kinh ngạc để chứng minh cho kịch bản giải thích nguồn gốc của các hành tinh Sao Mộc nóng này!
Vào năm 2020, bằng cách sử dụng kính viễn vọng không gian TESS, các nhà thiên văn học đã phát hiện một hành tinh ngoại hệ gần ngôi sao TIC 241249530 cách chúng ta khoảng 1.100 năm ánh sáng. Họ đã tận dụng phương pháp quá cảnh (transit) – khi hành tinh di chuyển phía trước ngôi sao chủ và che khuất một phần ánh sáng khiến độ sáng của ngôi sao giảm nhẹ định kỳ. Sau đó, các nhà thiên văn học đã sử dụng một phương pháp khác để xác định khối lượng của hành tinh này. Khi hành tinh quay quanh ngôi sao, chúng tương tác hấp dẫn với nhau, khiến vị trí của ngôi sao chủ có thể dao động nhẹ. Bằng cách đo chuyển động đó, có thể nắm bắt được lực hấp dẫn của hành tinh tác động lên ngôi sao, tức là xác định được khối lượng của hành tinh. Theo kết quả quan sát, hành tinh TIC 241249530b là một hành tinh khí nặng nề, có khối lượng gấp khoảng 4,98 lần Sao Mộc – tương đương với việc gộp năm hành tinh Sao Mộc lại với nhau.
Hành tinh ngoại hệ này quay quanh ngôi sao chủ với chu kỳ ngắn chỉ khoảng 165 ngày. Một năm của hành tinh này bằng nửa năm của Trái Đất. Nhưng điều ngạc nhiên hơn là quỹ đạo mà hành tinh này vạch ra là một hình elip bị méo mó nghiêm trọng. Sau khi quan sát chuyển động của hành tinh một cách ổn định, các nhà thiên văn học xác nhận độ lệch tâm của quỹ đạo là 0,94. Độ lệch tâm gần bằng 1 có nghĩa là quỹ đạo này bị méo rất lớn, đến mức gần như là một đường thẳng.
Nếu hành tinh này quay quanh Mặt Trời của chúng ta, khi tiếp cận gần nhất, nó sẽ đến gần hơn 10 lần so với Sao Thủy, và khi ở xa nhất, nó sẽ đạt tới khoảng cách của Trái Đất. Hành tinh ngoại hệ này vạch ra quỹ đạo elip méo mó nhất trong số các hành tinh từng được phát hiện từ trước đến nay. Nó gần giống với quỹ đạo của một sao chổi hơn là một hành tinh. Hơn nữa, nó còn đang chuyển động ngược chiều với chiều tự quay của ngôi sao chủ.
Sở dĩ hành tinh này có chuyển động độc đáo như vậy là vì ngôi sao chủ của nó là một hệ sao đôi. Trong nghiên cứu lần này, các nhà thiên văn học đã mô phỏng quá trình tiến hóa động lực học của hành tinh có quỹ đạo độc đáo này. Họ cũng dự đoán quỹ đạo của hành tinh sẽ thay đổi như thế nào sau 1 tỷ năm nữa.
Ban đầu, có lẽ đây cũng là một hành tinh khí được hình thành ở khoảng cách khá xa một ngôi sao. Tuy nhiên, khi tương tác hấp dẫn với ngôi sao đồng hành bên cạnh, quỹ đạo của nó đã bị méo mó nghiêm trọng. Đó là lý do nó có độ lệch tâm cực đại như hiện nay. Theo mô phỏng, cuối cùng quỹ đạo của hành tinh này sẽ tiến lại gần hơn về phía ngôi sao chủ hiện đang quay quanh, làm cho kích thước quỹ đạo bị thu hẹp lại. Sau đó, nó sẽ vạch ra một quỹ đạo tròn nhỏ sát cạnh ngôi sao. Đó chính là hình thái quỹ đạo mà ngày nay chúng ta gọi là "Sao Mộc nóng".
Nếu vạch ra một quỹ đạo bị méo mó cực đoan như thế này, bầu khí quyển của hành tinh ngoại hệ này sẽ rất thất thường. Khi tiếp cận gần ngôi sao và khi rời xa ngôi sao nhất, lượng năng lượng ánh sáng sao chạm tới bề mặt hành tinh có thể chênh lệch rất lớn. Nói một cách dễ hiểu, nhiệt độ có thể dao động từ 1.200 độ C vào thời điểm nóng nhất năm cho đến 200 độ C vào thời điểm lạnh nhất. Trước đây, hành tinh có quỹ đạo elip méo mó cực đoan nhất mà nhân loại từng phát hiện là HD 80606 b. Độ lệch tâm quỹ đạo của hành tinh này cũng là khoảng 0,93, gần bằng 1. Nhưng kỷ lục đó đã bị phá vỡ lần này. Cả hai hành tinh này đều được dự đoán là có hệ thống tuần hoàn khí quyển và sự thay đổi mùa vô cùng khắc nghiệt do quỹ đạo cực đoan của chúng.
Việc dần phát hiện ra các hành tinh ngoại hệ có độ lệch tâm cực đoan được kỳ vọng sẽ cung cấp manh mối về nguồn gốc của các hành tinh Sao Mộc nóng khiến chúng ta bối rối. Các hành tinh Sao Mộc nóng có lẽ cũng không sinh ra với hình dáng kỳ lạ như vậy ngay từ đầu. Chỉ là do chịu sự nhiễu loạn liên tục từ lực hấp dẫn của các ngôi sao khác hoặc các hành tinh nặng nề xung quanh, quỹ đạo của chúng bị lệch và dần dần tiến lại gần ngôi sao chủ, từ đó tạo nên quỹ đạo đáng sợ như hiện nay. Những hành tinh vạch ra quỹ đạo elip méo mó lớn chính là bằng chứng cho quá trình chuyển đổi từ một hành tinh kiểu Sao Mộc lạnh giá thành một hành tinh kiểu Sao Mộc nóng.
Vì chúng ta chưa tìm kiếm hết mọi hành tinh ngoại hệ quanh tất cả các ngôi sao bên ngoài hệ Mặt Trời, nên chưa thể khẳng định chắc chắn liệu hệ Mặt Trời của chúng ta là một trường hợp hiếm hoi hay những "người đồng loại" tương tự chúng ta vẫn tồn tại phổ biến. Chỉ có một điều chắc chắn rằng môi trường và hình thái của các hành tinh trong vũ trụ đa dạng hơn rất nhiều so với những gì chúng ta suy nghĩ. Chắc chắn rằng ở đâu đó trong vũ trụ đang ẩn giấu những hành tinh ngoại hệ với những hình thù mà chúng ta thậm chí không thể tưởng tượng nổi.
Tham khảo
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07688-3
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi giấc mơ phổ biến vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học thuộc Đại học Yonsei, đồng thời thực hiện các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Đài thiên văn hẹn hò", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Ngôi sao, khoa học về ánh sáng".