[비즈한국] Hệ hành tinh TRAPPIST-1 đã thu hút nhiều sự chú ý ngay từ khi mới được phát hiện. Thực tế, ngôi sao trung tâm là một sao lùn rất nhẹ, khối lượng chỉ bằng 9% so với Mặt Trời. Nhiệt độ bề mặt của ngôi sao này chỉ vỏn vẹn 2500 độ. Tuy nhiên, nó vẫn nhận được sự quan tâm lớn vì có tới bảy hành tinh được phát hiện cùng lúc quay quanh nó.
Các hành tinh này được đặt tên lần lượt từ trong ra ngoài là TRAPPIST-1 b, c, d, e, f, g và h. Đặc biệt, trong số đó có tới bốn hành tinh là d, e, f, g nằm ở khoảng cách vừa phải so với ngôi sao trung tâm, nơi quỹ đạo nằm trong phạm vi có thể tồn tại các đại dương nước lỏng trên bề mặt. Việc có bốn hành tinh cùng nằm trong vùng có thể sống được (vùng Goldilocks) quanh một ngôi sao khiến nơi đây được coi là ứng cử viên tiềm năng để tìm kiếm các dấu hiệu của sự sống ngoài hành tinh.
Tuy nhiên, để sinh vật có thể tồn tại, cần nhiều yếu tố may mắn hơn thế. Hành tinh phải được bao phủ bởi một bầu khí quyển đủ dày. Nếu không có bầu khí quyển, sẽ không có sinh vật nào có thể hít thở trên đó.
Vì nhận được sự quan tâm từ lâu, TRAPPIST-1 là một trong những nơi được quan sát nhiều nhất bởi kính thiên văn vũ trụ James Webb. Năm ngoái, kết quả quan sát về hai hành tinh b và c nằm ở quỹ đạo trong cùng đã được công bố. Đáng tiếc là theo kết quả này, không có bầu khí quyển dày nào được xác nhận trên cả hai hành tinh. Người ta suy đoán rằng chúng hoàn toàn không có khí quyển hoặc nếu có thì cũng rất mỏng.
Tuy nhiên, vẫn còn quá sớm để thất vọng. Ngay từ đầu, các hành tinh b và c vốn đã nằm quá gần ngôi sao trung tâm nên không được kỳ vọng nhiều về khả năng tồn tại sự sống. Các hành tinh ở phía ngoài mới là mục tiêu quan trọng hơn.
Nếu nhìn vào lịch trình quan sát của kính James Webb vốn được công khai với mọi người, các nhà thiên văn học đã hoàn thành việc quan sát các hành tinh TRAPPIST-1 từ lâu. Thế nhưng, họ vẫn chưa công bố kết quả phân tích cụ thể. Phải chăng họ đang che giấu điều gì đó?
TRAPPIST-1 là một sao lùn đỏ nhỏ và mờ hơn nhiều so với Mặt Trời. Thực tế, việc liệu điều kiện sống có thể hình thành quanh sao lùn đỏ hay không vẫn là một chủ đề tranh luận gay gắt với nhiều ý kiến trái chiều. Nếu chỉ suy nghĩ đơn giản, chúng ta có thể cho rằng chỉ cần khoảng cách đến ngôi sao trung tâm là vừa phải, nhiệt độ sẽ không quá nóng hay quá lạnh, cho phép sự sống tồn tại. Nhưng mọi thứ không đơn giản như vậy.
Đặc biệt, sao lùn đỏ khá phức tạp. Trong giai đoạn sơ khai khi các đám mây khí bắt đầu hình thành và phát sáng, sao lùn đỏ có thể gây ra những ảnh hưởng chết người cho môi trường xung quanh. Vì kích thước ngôi sao quá nhỏ, các luồng đối lưu mạnh mẽ đẩy vật chất lên và xuống xảy ra bên trong. Điều này tạo ra từ trường mạnh xung quanh ngôi sao. Nhiều vật chất tồn tại dưới dạng plasma từ bề mặt ngôi sao bị từ trường kéo lên. Một lượng lớn vật chất chảy ra ngoài bề mặt dọc theo các từ trường phức tạp xoắn quanh ngôi sao. Ngay khoảnh khắc các bó từ trường đan xen vào nhau rồi đứt gãy, các vật chất bị kéo theo sẽ bắn ra không gian xung quanh với tốc độ cao, tạo ra các ngọn lửa (flare) mạnh mẽ.
Đặc biệt, vì sao lùn đỏ vốn dĩ tối, nên để đạt được nhiệt độ đủ ấm, hành tinh phải nằm rất sát ngôi sao. Vùng Goldilocks (vùng có thể sống được) hình thành quanh ngôi sao rất nhỏ. Do đó, so với các ngôi sao lớn, những hành tinh quanh sao nhỏ lại càng dễ bị đe dọa bởi các ngọn lửa hơn.
Do các ngọn lửa từ ngôi sao ập xuống hành tinh, bầu khí quyển bao quanh nó có thể bị thổi bay một phần đáng kể. Không chỉ các phân tử nhẹ như hydro và heli mà ngay cả các phân tử nặng hơn nhiều như carbon dioxide, oxy, nitơ cũng bị loại bỏ. Ví dụ, nếu là một hành tinh đá có bầu khí quyển tương đối mỏng như Trái Đất, gần như toàn bộ bầu khí quyển có thể bị thổi bay bởi những đợt ngọn lửa mạnh mẽ từ sao lùn đỏ.
Để hành tinh có thể chống chọi với mối đe dọa này và duy trì bầu khí quyển của mình, nó cần phải được bao bọc bởi một lớp lá chắn từ trường đủ mạnh để tự bảo vệ khỏi những đợt bùng phát dữ dội của ngôi sao. Thực tế, trong trường hợp của Sao Hỏa, dù nằm xa Mặt Trời hơn Trái Đất, nhưng do không có lớp lá chắn từ trường, người ta cho rằng toàn bộ đại dương và khí quyển từng tồn tại từ lâu đã biến mất.
Không chỉ các hành tinh đá mới khó trụ vững quanh sao lùn đỏ, mà ngay cả các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc cũng gặp nguy hiểm. Đặc biệt, bầu khí quyển của các hành tinh khí, vốn chủ yếu được cấu tạo từ các thành phần khí nhẹ, cũng khó tránh khỏi sự tấn công từ các ngọn lửa của ngôi sao. Dần dần, lớp khí quyển bên ngoài sẽ bị tước bỏ và khiến kích thước chính của hành tinh bị thu nhỏ lại.
Một điểm thú vị là phần lớn các ngoại hành tinh được phát hiện cho đến nay đều là các hành tinh khí khổng lồ nằm quá gần ngôi sao trung tâm. Loại hành tinh này được phân loại là "Sao Mộc nóng" (Hot Jupiters). Trong hệ Mặt Trời của chúng ta hoàn toàn không có hành tinh nào như vậy. Các hành tinh khí khổng lồ trong hệ Mặt Trời đều chỉ tồn tại ở phía ngoài.
Sự tồn tại của các Sao Mộc nóng khi phát hiện các ngoại hành tinh ngoài hệ Mặt Trời vẫn là một bí ẩn chưa có lời giải đáp trọn vẹn. Có khả năng chúng ban đầu được sinh ra ở vùng ngoài xa ngôi sao, nhưng sau đó do tương tác hấp dẫn với các hành tinh khác nên quỹ đạo bị thay đổi và tiến lại gần ngôi sao hơn. Đó là giả thuyết di cư của hành tinh. Tuy nhiên, dù vậy, việc duy trì bầu khí quyển dày trong một thời gian dài vẫn là điều khó giải thích.
Năm ngoái, thông qua quan sát của James Webb, các nhà thiên văn học đã xác nhận sự hiện diện của bầu khí quyển trên hai hành tinh b và c ở quỹ đạo trong cùng của TRAPPIST-1. Phương pháp truyền thống nhất để xác định khí quyển trên hành tinh là sử dụng quá trình quá cảnh (transit) khi hành tinh đi ngang qua phía trước ngôi sao. Nếu hành tinh được bao phủ bởi khí quyển, khi nó đi qua trước ngôi sao, chúng ta có thể quan sát ánh sáng sao xuyên qua bầu khí quyển của hành tinh đó. Trong quá trình này, một phần ánh sáng sao sẽ bị hấp thụ bởi các thành phần trong khí quyển. Khi so sánh với phổ ánh sáng sao không đi qua khí quyển hành tinh, chúng ta có thể biết được trong khí quyển có những thành phần nào. Tuy nhiên, nếu khí quyển hành tinh quá mỏng thì phương pháp này cũng khó áp dụng vì khả năng ánh sáng sao xuyên qua bầu khí quyển mỏng là rất thấp.
Kính thiên văn vũ trụ James Webb nhạy bén hơn nhiều so với Hubble. Nhờ đó, trong lần quan sát trước, các nhà thiên văn đã sử dụng một phương pháp đặc biệt khác. Họ không chỉ quan sát khoảnh khắc hành tinh đi ngang qua trước ngôi sao, mà còn quan sát khoảnh khắc hành tinh di chuyển sang phía đối diện và ánh sáng sao phản chiếu trên bề mặt hành tinh. Nếu hành tinh có một bầu khí quyển mỏng, khí quyển sẽ tuần hoàn đều đặn, làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm trên hành tinh. Sự khác biệt về nhiệt độ giữa phía ban đêm (khuất ánh sáng sao) và phía ban ngày (hướng về phía sao) của hành tinh sẽ không lớn. Ngược lại, nếu hoàn toàn không có khí quyển, sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm trên hành tinh sẽ cực kỳ khắc nghiệt. Đáng tiếc là dựa trên kết quả quan sát của James Webb vừa qua, hai hành tinh TRAPPIST-1 b và c cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ cực độ. Có vẻ như hai hành tinh này thậm chí còn không có lấy một bầu khí quyển mỏng.
Tuy nhiên, các nhân vật chính thực sự vẫn còn ở phía sau. Ngay từ đầu, hai hành tinh này đã có quỹ đạo quá gần ngôi sao trung tâm nên nhiệt độ bản thân chúng quá cao, khó có thể kỳ vọng vào sự tồn tại của sự sống. Nhưng bốn hành tinh d, e, f, g thì nằm trong vùng có thể sống được.
Gần đây, các nhà thiên văn học đã thực hiện phân tích đối với hành tinh TRAPPIST-1e bằng cách giả định các môi trường khác nhau. Đây là một hành tinh đá giống Trái Đất. Tương tự, sau khi được hình thành từ các va chạm tiểu hành tinh, bề mặt hành tinh có lẽ đã từng sục sôi dung nham lỏng. Trong quá trình dung nham nguội đi, nó liên tục nhận được ánh sáng sao dưới nhiều dạng khác nhau từ ngôi sao trung tâm như tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại. Môi trường địa chất này và sự ảnh hưởng phức hợp của ánh sáng sao có thể tác động đến lượng khí quyển và thành phần hóa học của hành tinh. Các nhà thiên văn đã lập mô hình cách nhiệt độ bề mặt và áp suất khí quyển có thể thay đổi bằng cách giả định các điều kiện đa dạng này.
Đầu tiên, nếu giả định TRAPPIST-1e ban đầu có bầu khí quyển tương tự như bầu khí quyển hiện tại của Trái Đất, kết quả cho thấy ngay cả hàng trăm triệu năm sau khi hình thành, hành tinh vẫn có thể duy trì khí quyển. Sau khi toàn bộ dung nham lỏng trên bề mặt nguội đi và hình thành bề mặt rắn, thành phần chính của khí quyển sẽ là carbon dioxide. Một phần oxy và phân tử nước cũng còn sót lại. Vì tiếp tục giữ được khí quyển, hiệu ứng nhà kính xảy ra và bề mặt hành tinh có thể tiếp tục duy trì nhiệt độ ấm áp. Nếu thành phần khí quyển của hành tinh này giống với Trái Đất ngay từ đầu, thì dù phải chịu mối đe dọa từ các ngọn lửa của sao lùn đỏ ở trung tâm, nó vẫn có thể duy trì bầu khí quyển.
Cũng có khả năng TRAPPIST-1e có một bầu khí quyển rất dày được cấu tạo từ hydro, khác với Trái Đất mà giống với Sao Thiên Vương hoặc Sao Hải Vương hơn. Thú vị là trong trường hợp này, bề mặt từng sục sôi dung nham lỏng sẽ mất nhiều thời gian hơn để nguội cứng thành đá cứng. Trong quá trình hành tinh nguội đi thành bề mặt rắn, một lượng lớn hydro bay vào không gian, và các phân tử nặng hơn như nước, carbon dioxide và oxy còn lại, tạo thành các thành phần chính của bầu khí quyển hành tinh. Theo mô hình này, hành tinh duy trì thành phần khí quyển đủ tốt để sự sống có thể tồn tại, và nhiệt độ bề mặt hành tinh cũng hạ xuống mức phù hợp để sinh vật sống. Đây là một kết quả rất đáng khích lệ. Ngay cả khi TRAPPIST-1e không có thành phần khí quyển giống Trái Đất ngay từ đầu mà bắt đầu bằng bầu khí quyển hydro dày như Sao Thiên Vương hay Sao Hải Vương, thì dưới sự tác động phức hợp của các quá trình địa chất và bức xạ từ ngôi sao trung tâm, một môi trường có thể nuôi dưỡng sự sống vẫn được hình thành.
Ngược lại, đối với TRAPPIST-1b, vốn nằm sát ngôi sao trung tâm hơn nhiều, kết quả lại khá ảm đạm. Nếu cũng giả định ban đầu nó có bầu khí quyển hydro dày, thì do gió sao và bức xạ quá mãnh liệt từ ngôi sao trung tâm, phần lớn bầu khí quyển sẽ bay vào không gian vũ trụ. Chỉ còn lại bầu khí quyển oxy mỏng và thưa thớt. Vì đây là một bầu khí quyển rất mỏng hầu như chỉ gồm oxy mà không có các thành phần khác, nó không phù hợp để sự sống duy trì. Cuối cùng, hành tinh TRAPPIST-1b nằm sát ngôi sao khó có thể tạo ra bầu khí quyển để kỳ vọng vào sự sống trong bất kỳ kịch bản nào.
So với điều đó, TRAPPIST-1e mang lại hy vọng hơn nhiều. Dù thành phần khí quyển ban đầu giống Trái Đất hay giống Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương, vẫn có khả năng cao là nó vẫn tạo ra điều kiện phù hợp để kỳ vọng vào sự sống hiện nay.
Thực tế, TRAPPIST-1e đã được quan sát bằng kính thiên văn vũ trụ James Webb. Tuy nhiên, đúng vào thời điểm quan sát để xác nhận sự hiện diện của khí quyển trên TRAPPIST-1e, ngôi sao trung tâm lại xảy ra một đợt bùng phát lửa dữ dội. Ánh sáng chói lóa từ đợt bùng phát bất ngờ bao phủ ánh sáng của hành tinh, khiến không thể phân biệt được ánh sáng từ ngọn lửa và ánh sáng sao phản chiếu trên bề mặt hành tinh. Vì vậy, một số nhà thiên văn học suy đoán rằng kết quả phân tích của TRAPPIST-1d hoặc f có thể sẽ được công bố trước kết quả của TRAPPIST-1e.
TRAPPIST-1 đã nhận được nhiều kỳ vọng trong một thời gian dài vì có tới bảy hành tinh được phát hiện cùng lúc quanh nó, và trong đó có tới bốn hành tinh nằm trong vùng có thể sống được. Nếu ngay cả ở một nơi như vậy mà không thể tìm thấy dù chỉ một dấu hiệu của sự sống, đó sẽ là một điều rất đáng thất vọng.
Việc quan sát khoảnh khắc ngoại hành tinh di chuyển sang quỹ đạo phía đối diện và ánh sáng sao phản chiếu trên bề mặt hành tinh để nắm bắt sự tồn tại và thành phần hóa học của khí quyển là phương pháp quan sát mới được thử nghiệm lần đầu tiên. Việc quan sát các hành tinh quanh TRAPPIST-1 cho đến nay thực tế chỉ là kết quả thu được từ dữ liệu ít ỏi chỉ sau một hoặc hai lần thử nghiệm quan sát. Cuối cùng, để đưa ra nhận định chính xác và chắc chắn hơn, điều duy nhất cần làm là tiếp tục quan sát các hành tinh quanh TRAPPIST-1 lặp đi lặp lại trong thời gian dài hơn.
TRAPPIST-1 là đối tượng quan sát hấp dẫn, nhưng kính thiên văn vũ trụ James Webb không phải là công cụ chỉ tồn tại để nhìn mỗi hệ hành tinh này. Từ các thiên thể trong hệ Mặt Trời đến vô số ngôi sao và thiên hà, có quá nhiều lịch trình quan sát đang bị dồn lại. Sự kỳ vọng và kết luận của chúng ta sẽ phụ thuộc vào việc trong lịch trình bận rộn đó, chúng ta có thể hướng ống kính về các hành tinh TRAPPIST-1 bao nhiêu lần nữa.
Tham khảo
https://academic.oup.com/mnras/article/531/1/468/7659831
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi xem 'Galaxy Express 999' lúc còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ đến mọi người. 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 tại Đại học Yonsei, đồng thời tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như giảng dạy và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Đài thiên văn hẹn hò', 'Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày', 'Ngôi sao, khoa học ánh sáng'.