[비즈한국] TRAPPIST-1 là một trong những hệ hành tinh ngoài hệ mặt trời được chú ý nhiều nhất. Năm 2017, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra bảy hành tinh tại đây. Con số này tương đương với số hành tinh quay quanh Mặt trời của chúng ta. Việc chứng kiến cùng lúc nhiều hành tinh như vậy đã thắp lên hy vọng rằng sẽ có nhiều hệ đa hành tinh tồn tại trên khắp vũ trụ. Thậm chí, tất cả bảy hành tinh này đều là hành tinh đá giống như Trái đất.
Điều ngạc nhiên hơn là có tới bốn trong số đó nằm trong vùng Goldilocks, nơi có thể kỳ vọng vào sự sống. TRAPPIST-1d nằm ở rìa trong cùng của vùng Goldilocks, e và f nằm ở giữa, còn g nằm ở rìa ngoài cùng. Nếu may mắn, đây sẽ là nơi chúng ta có thể tìm thấy nhiều hành tinh ngoài hệ mặt trời có sự sống cùng lúc ở không quá xa. Kể từ khi kính viễn vọng James Webb được đưa vào vũ trụ, nó đã quan sát rất nhiều hành tinh TRAPPIST-1. Đặc biệt, để duy trì sự sống, các hành tinh cần phải có bầu khí quyển bao phủ như Trái đất.
Trước đó, những kết quả thất vọng đã được công bố cho thấy hai hành tinh trong cùng là b và c dường như không có bầu khí quyển đáng kể. Hành tinh b hầu như không có khí quyển giống như Sao Thủy, còn hành tinh c chỉ cho thấy những dữ liệu mơ hồ về khả năng tồn tại một lớp khí quyển rất mỏng. Tuy nhiên, bốn hành tinh còn lại nằm trong vùng Goldilocks vẫn chưa được phân tích kỹ lưỡng. Trong thời gian James Webb quan sát, các vụ bùng phát flare mạnh mẽ đã xảy ra, khiến việc phân tích dữ liệu kéo dài hơn dự kiến.
Giờ đây, kết quả phân tích từ James Webb về hành tinh TRAPPIST-1d mà mọi người chờ đợi đã được công bố. Liệu kết quả đó ra sao? Liệu các hành tinh trong vùng Goldilocks của TRAPPIST-1 có tồn tại khí quyển như mọi người mong đợi không?
Sự tồn tại của các hành tinh TRAPPIST-1 được xác định thông qua phương pháp quá cảnh (transit), khi các hành tinh đi qua phía trước ngôi sao trung tâm làm giảm ánh sáng của nó. Khi bảy hành tinh lần lượt đi qua phía trước ngôi sao theo các chu kỳ khác nhau, độ sáng của ngôi sao trung tâm thay đổi theo những mô hình khá phức tạp. Sau khi phân tích kỹ lưỡng các mô hình đó, các nhà khoa học đã xác định được tổng số hành tinh và chu kỳ của từng hành tinh khi đi qua phía trước ngôi sao.
Việc tận dụng tốt phương pháp quá cảnh, khi hành tinh ngoài hệ mặt trời và ngôi sao trung tâm nằm trên một đường thẳng, cũng có thể giúp xác định sự tồn tại của bầu khí quyển hành tinh. Năm 2018, kính viễn vọng không gian Hubble đã từng thử xác định bầu khí quyển tại đây. Tuy nhiên, khác với James Webb, Hubble chủ yếu quan sát ánh sáng khả kiến và có kích thước nhỏ hơn nên việc quan sát chính xác bầu khí quyển là rất khó khăn. Với hiệu suất như Hubble, chỉ có những hành tinh khí khổng lồ có bầu khí quyển dày như Sao Thiên Vương hay Sao Hải Vương mới có thể được xác định. Nếu là hành tinh đá với khí quyển mỏng, việc chỉ dựa vào quan sát của Hubble là không đủ để khẳng định có hay không có khí quyển.
Trong quan sát năm 2018 của Hubble, các nhà thiên văn học đã kết luận rằng ít nhất là các hành tinh d, e, f hoàn toàn không có bầu khí quyển hydro dày. Tuy nhiên, đối với hành tinh g nằm ở rìa ngoài cùng của vùng Goldilocks, họ nghi ngờ rằng có thể có khí quyển, dù chưa rõ ràng. Họ cũng đưa ra khả năng hành tinh g không phải là hành tinh đá mà là một hành tinh khí nhỏ, tương tự như các "tiểu Hải Vương tinh".
Điều quan trọng là, các nhà khoa học không kết luận rằng hành tinh d, e, f "chắc chắn không có khí quyển". Điểm mấu chốt là có vẻ như chúng không có bầu khí quyển dày như Sao Mộc. Nhìn thoáng qua, việc không tìm thấy khí quyển có vẻ là một kết luận thất vọng, nhưng không hẳn là vậy. Nó thậm chí có thể là một kết luận đầy hy vọng. Những hành tinh này được nghi ngờ là hành tinh đá giống Trái đất, nếu vậy, có thể nghĩ rằng chúng có bầu khí quyển mỏng như Trái đất.
Để xác nhận bầu khí quyển mỏng, cần có James Webb. Đặc biệt, nhờ quan sát bước sóng hồng ngoại, James Webb có lợi thế trong việc phát hiện các thành phần liên quan trực tiếp đến sự sống trên Trái đất như nước và carbon dioxide. James Webb đã nhắm vào thời điểm hành tinh TRAPPIST-1d đi qua phía trước ngôi sao trung tâm. Dù hành tinh này chỉ cách ngôi sao trung tâm khoảng 2% khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất, nhưng vì chính ngôi sao trung tâm rất nhỏ bé, nên ánh sáng chiếu vào hành tinh tương đương với ánh sáng Mặt trời chiếu vào Trái đất.
Nếu hành tinh TRAPPIST-1d thực sự có bầu khí quyển chứa nhiều thành phần hóa học khác nhau, thì trong quá trình hành tinh che khuất ngôi sao, quang phổ của ngôi sao sẽ để lại dấu vết bị "ăn mòn" ở một số vị trí do các thành phần hóa học đó. Tuy nhiên, quang phổ quan sát được lần này khá phẳng. Mức độ hấp thụ bởi các thành phần hóa học là rất nhỏ. Các nhà thiên văn học đã giả định nhiều thành phần như methane, carbon dioxide, nước... để tìm ra tình huống giải thích tốt nhất cho quang phổ thực tế. Nhưng không có thành phần nào như methane, carbon monoxide, nước, carbon dioxide hay sulfur dioxide cho thấy tín hiệu rõ ràng. Khi phân tích ban đầu, amoniac dường như cho tín hiệu đáng kể, nhưng qua phân tích bổ sung, kết luận cho thấy đó không phải là thành phần khí quyển thực tế, mà là một loại ảo ảnh do sự thay đổi độ sáng gây ra bởi chính ngôi sao trung tâm dao động bất ổn trong quá trình quá cảnh.
Kết quả phân tích lần này để lại hai khả năng thú vị. Thứ nhất là khả năng hành tinh này có bầu khí quyển rất mỏng, mật độ cao và nằm sát bề mặt. Tương tự như Sao Hỏa. Trường hợp này giải thích tốt nhất các dữ liệu quan sát. Khả năng thứ hai là giống như Sao Kim, các đám mây dày đặc trên cao đã che khuất hoàn toàn dấu vết hấp thụ quang phổ của các thành phần khí quyển. Khả năng này tương đối thấp nhưng không thể loại trừ hoàn toàn. Chúng ta hy vọng hành tinh này giống Trái đất, nhưng thực tế, nhiều khả năng nó là một thế giới tương tự như Sao Hỏa hoặc Sao Kim. Tất nhiên, cả hai đều là những thế giới mà chúng ta không thể sinh sống. Đáng tiếc thay, các nhà thiên văn học vẫn chưa từ bỏ hy vọng với TRAPPIST-1 lại một lần nữa thất vọng.
Có một lý do khiến phát hiện lần này đặc biệt đắng cay đối với các nhà thiên văn học. Ngôi sao TRAPPIST-1 là một sao lùn đỏ nhỏ bé và thấp kém hơn nhiều so với Mặt trời. Và loại sao này phổ biến nhất trong vũ trụ. Các sao lùn đỏ nhỏ và tối hơn nhiều so với các ngôi sao như Mặt trời của chúng ta lại phổ biến hơn rất nhiều. Thực tế, hầu hết các ngôi sao có hành tinh ngoài hệ mặt trời được phát hiện cho đến nay cũng là các sao lùn đỏ như vậy. Tuy nhiên, phát hiện lần này chỉ ra kết luận tuyệt vọng rằng sự sống có lẽ không thể tồn tại trên các sao lùn đỏ. Có lẽ chúng ta sẽ phải từ bỏ hầu hết các hành tinh ngoài hệ mặt trời quay quanh các sao lùn đỏ mà chúng ta đã tìm thấy cho đến nay.
Vì sao lùn đỏ là ngôi sao nhỏ, quá trình đối lưu trộn lẫn bên trong và ngoài sao diễn ra rất mạnh mẽ. Điều đó khiến các hạt mang điện tích cùng nhau dao động phức tạp ra ngoài bề mặt sao, và từ trường trên bề mặt sao bị rối loạn. Các vật chất trên bề mặt sao bị phun trào nhanh chóng dọc theo từ trường đó, và các ngôi sao tạo ra các đợt bùng phát (flare) thổi năng lượng vào không gian vũ trụ. Khi các đợt bùng phát quét qua các hành tinh xung quanh, bầu khí quyển còn sót lại trên các hành tinh liên tục bị thổi bay, cuối cùng các hành tinh sẽ không thể giữ được bầu khí quyển trong thời gian dài. Gió sao tràn ra từ ngôi sao trung tâm sẽ chiếu trực tiếp bức xạ vũ trụ khổng lồ lên bề mặt hành tinh, khiến bất kỳ sự sống nào cũng không thể chịu đựng được. Đặc biệt, hành tinh d mà James Webb quan sát lần này nằm ở rìa trong cùng của vùng Goldilocks, vì vậy nó gần với ngôi sao trung tâm và dễ bị tổn thương nhất trước gió sao.
Vậy liệu chúng ta có thể kỳ vọng vào các hành tinh e, f, g ở xa hơn một chút không? Tất nhiên, vì chúng xa hơn một chút so với ngôi sao trung tâm, nên vẫn có khả năng chúng còn giữ được bầu khí quyển. Nhưng khi khoảng cách từ ngôi sao trung tâm xa hơn, việc quan sát sẽ trở nên khó khăn. Vì chu kỳ hành tinh quay quanh sao dài hơn, nên nếu lỡ một lần quá cảnh, cần phải chờ đợi lâu hơn để đợt quá cảnh tiếp theo xảy ra. Hơn nữa, vì khoảng cách giữa sao và hành tinh xa hơn, cường độ ánh sáng sao xuyên qua bầu khí quyển hành tinh cũng yếu đi, dẫn đến việc nắm bắt quang phổ cũng khó khăn hơn. Để thu thập đủ ánh sáng thiếu hụt, cần sử dụng kính viễn vọng lớn hơn James Webb nhưng hiện tại điều đó là bất khả thi. Vì vậy, thay vì quan sát một lần, cần quan sát nhiều lần để thu thập toàn bộ dữ liệu, từ đó khuếch đại các tín hiệu mờ nhạt. Do đó, càng về phía các hành tinh e, f, g xa ngôi sao trung tâm hơn, việc chờ đợi để có được dữ liệu khả thi càng kéo dài, và cần phải dành nhiều thời gian quan sát hơn cho James Webb.
Đối mặt với những giới hạn thực tế, các nhà thiên văn học bắt đầu đặt ra những câu hỏi cốt lõi hơn. Liệu chúng ta có thể xác nhận bằng chứng chắc chắn về sự sống ngoài Trái đất bằng công nghệ quan sát hiện nay không? Cho đến nay, chúng ta chủ yếu tìm kiếm những nơi được cho là có môi trường giống Trái đất. Giống Trái đất cuối cùng có nghĩa là một thế giới hành tinh đá nhỏ, được bao phủ bởi bầu khí quyển mỏng hơn nhiều, không dày như Sao Mộc. Tuy nhiên, trớ trêu thay, công nghệ hiện nay của chúng ta chỉ có thể xác nhận sự tồn tại của bầu khí quyển trong trường hợp khí quyển dày như Sao Mộc. Với những tình huống có bầu khí quyển mỏng như Trái đất, công nghệ quan sát của chúng ta vẫn chưa thể đưa ra kết luận chắc chắn.
Trong khi sao lùn đỏ là ngôi sao phổ biến nhất trong vũ trụ, liệu chúng ta có phải từ bỏ mọi hy vọng vào các hành tinh ngoài hệ mặt trời quanh sao lùn đỏ? Bầu trời đêm vốn tưởng chừng ồn ào và đầy ắp sự sống dường như bỗng trở nên tĩnh lặng.
Tham khảo
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52642-6
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adf207
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adf62e
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adf42e
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06232-z
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Sau khi xem "Galaxy Express 999" khi còn nhỏ, anh đã nuôi ước mơ giới thiệu vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh là Giáo sư trợ lý tại Khoa Nghiên cứu Tự do, Đại học Sejong, thực hiện nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như "Mỗi ngày một mảnh vũ trụ", "Các nhà khoa học vũ trụ tỏa sáng như những vì sao", "Có thể hiểu dù không thể đi tới", "Những câu hỏi kỳ lạ xuất hiện khi nhìn lên vũ trụ" và đã dịch các cuốn sách như "Hướng dẫn cho người quá giang du hành vũ trụ thực sự", "Tại sao tôi đã giết Sao Diêm Vương", "Quantum Life", "Cosmigraphics".