[비즈한국] Loạt phim 'Avatar' mới của James Cameron sắp sửa được công chiếu. Nếu phần trước tập trung vào thế giới của nước, thì phần này dự kiến sẽ khai thác thế giới của lửa và tro tàn. Bối cảnh chính của phim 'Avatar' là hành tinh ngoài hệ mặt trời mang tên Pandora. Nhiều khán giả lầm tưởng Pandora chỉ là một hành tinh đơn thuần, nhưng thực tế không phải vậy. Pandora là một vệ tinh quay quanh hành tinh khí khổng lồ có tên là Polyphemus! Gần hệ mặt trời của chúng ta, cách đó 4,2 năm ánh sáng là ngôi sao Proxima Centauri, nơi có hành tinh Polyphemus, và Pandora chính là vệ tinh quay xung quanh nó. Gần đây, một thí nghiệm thú vị đã được thực hiện nhằm biến câu chuyện trong phim thành hiện thực. Một kế hoạch cụ thể nhằm tìm kiếm Pandora phiên bản đời thực đã được đề xuất.
Việc chọn một vệ tinh ngoài hệ mặt trời làm bối cảnh chính thay vì một hành tinh quả thực rất thú vị. Bởi lẽ, các nhà thiên văn học thực thụ giờ đây cũng đang cân nhắc khả năng tồn tại sự sống trên các vệ tinh quay quanh những hành tinh khí khổng lồ. Hệ mặt trời của chúng ta chỉ có tám hành tinh, nhưng số lượng vệ tinh quay quanh chúng lên tới hơn 400. Trong số đó, những cái tên như Europa, Ganymede, Enceladus và Titan quay quanh sao Mộc và sao Thổ đều là những nơi đáng kinh ngạc, có cả đại dương dưới bề mặt và bầu khí quyển. Khi quan điểm về các vệ tinh ngoại lai thay đổi, khả năng tồn tại sự sống ngoài trái đất cũng trở nên lớn hơn.
Pandora phiên bản đời thực, vốn đang dần được hé lộ, cho thấy một khả năng thú vị rằng có lẽ chúng ta không cần phải tìm kiếm đâu xa, ngay bên cạnh hệ mặt trời của chúng ta cũng có thể đã tồn tại sự sống.
Cho đến nay, chúng ta đã phát hiện gần 10.000 hành tinh ngoài hệ mặt trời. Tất nhiên, xung quanh chúng chắc chắn còn có nhiều vệ tinh hơn nữa. Vậy thì tại sao chúng ta không quan sát kỹ lưỡng các vệ tinh thay vì chỉ chú mục vào các hành tinh? Tuy nhiên, điều đó không hề đơn giản. Vệ tinh nhỏ hơn hành tinh rất nhiều. Ganymede, vệ tinh lớn nhất trong hệ mặt trời, cũng chỉ to bằng sao Thủy. Vì vậy, việc áp dụng nguyên cách tìm kiếm hành tinh ngoại lai để đi săn vệ tinh ngoại lai là rất khó khăn.
Thông thường, các phương pháp tìm kiếm hành tinh ngoại lai bao gồm: sử dụng phương pháp quá cảnh (transit) khi ánh sáng ngôi sao mờ đi do hành tinh che khuất, hoặc tận dụng sự rung động nhẹ của ngôi sao do lực hấp dẫn của một hành tinh khổng lồ quay quanh. Hoặc họ có thể dùng thấu kính hấp dẫn vi mô, nơi không thời gian xung quanh bị uốn cong nhẹ bởi trọng lực của hành tinh. Tuy nhiên, đối với những vệ tinh nhỏ bé, cả ba phương pháp này đều khó để lại dấu vết rõ ràng. Chúng ta cần phát hiện sự thay đổi của ngôi sao trung tâm do tác động của một vật thể quay quanh, nhưng vệ tinh ngoại lai quá nhỏ so với ngôi sao. Việc một vệ tinh "loay hoay" quanh ngôi sao rất khó tạo ra những thay đổi đủ để quan sát được từ bên ngoài.
Vì vậy, các nhà thiên văn học đã chú ý đến sự thay đổi của các hành tinh ngoại lai có kích thước tương đương. Mặc dù khó có thể làm ngôi sao Proxima Centauri thay đổi đáng kể, nhưng vệ tinh có thể tác động lên hành tinh ngay gần bên cạnh nó. Thật tình cờ, quanh Proxima Centauri đang có một hành tinh khí khổng lồ. Nếu thực sự có một vệ tinh ở đó, chúng ta sẽ cần quan sát trong bao nhiêu năm để xác nhận sự tồn tại của nó?
Các nhà thiên văn học đã thực hiện mô phỏng với giả thuyết có một vệ tinh lớn nặng gấp 30 lần khối lượng Trái đất. Kết quả là quỹ đạo của hành tinh quay quanh Proxima Centauri đã dao động nhẹ. Nếu loại bỏ các thành phần quỹ đạo của chính hành tinh đó, ta có thể tách biệt hiệu ứng nhiễu loạn trọng lực thuần túy do vệ tinh xung quanh gây ra. Tất nhiên, một vệ tinh nặng gấp 30 lần Trái đất không phải là vệ tinh thông thường mà chúng ta mong đợi. Với khối lượng này, nó gần như là một hành tinh lớn rồi. Vì vậy, các nhà thiên văn học đã thực hiện thêm nhiều thí nghiệm với giả định về một vệ tinh thực tế hơn.
Khối lượng vệ tinh giả định càng nhẹ thì mức độ méo mó trong chuyển động của hành tinh càng nhỏ. Do đó, chỉ quan sát trong 1-2 năm là không đủ để đưa ra kết luận có ý nghĩa. Ngay cả khi thấy quỹ đạo bị méo nhẹ, cũng khó phân biệt được đó thực sự là do nhiễu loạn quỹ đạo hay chỉ là nhiễu quan sát thông thường. Vì vậy, các nhà thiên văn học đã giả định môi trường quan sát ảo, tính toán xem cần bao nhiêu thời gian quan sát và kính thiên văn mạnh đến mức nào để có thể xác định sự tồn tại của vệ tinh một cách chính xác.
Họ giả định về những vệ tinh nhỏ hơn, thực tế hơn với khối lượng từ 10% đến 50% khối lượng Trái đất. Kết quả là, để xác định sự tồn tại của vệ tinh đó một cách có ý nghĩa thống kê, cần ít nhất 5 năm tích lũy dữ liệu quan sát. Với các giả định về vệ tinh có chu kỳ quay khác nhau từ 4 đến 30 ngày, họ đều có thể nắm bắt được sự tồn tại và quỹ đạo của vệ tinh. Việc phân tích sự thay đổi trong những chuyển động nhỏ của thiên thể trên bầu trời đêm như vậy được gọi là phép đo thiên văn (astrometry).
Theo mô phỏng, với phương pháp đo thiên văn này, các vệ tinh ngoại lai có thể tìm thấy xung quanh các hành tinh gần Proxima Centauri phải nặng ít nhất 20% khối lượng Trái đất. Nếu nhẹ hơn mức đó, dù quan sát lâu đến đâu cũng khó đưa ra kết luận xác đáng. Tất nhiên, khối lượng này vẫn lớn hơn nhiều so với Mặt trăng của chúng ta, vốn chỉ nặng 1% khối lượng Trái đất.
Tuy nhiên, vẫn còn một cái bẫy khác. Để phát hiện vệ tinh ngoại lai theo cách này, cần phải quan sát mỗi giờ một lần trong suốt 5 năm. Nếu quan sát thưa thớt hơn, sẽ cần nhiều thời gian hơn để tích lũy dữ liệu có ý nghĩa. Tức là phải dành riêng một kính thiên văn chỉ để nhìn chằm chằm vào đúng ngôi sao và hành tinh đó suốt 5 năm trời. Proxima Centauri là nơi gần hệ mặt trời của chúng ta nhất, là nơi nhân loại dự định gửi tàu thăm dò đến để chụp ảnh trực tiếp trong tương lai không xa. Đây cũng là nơi xuất hiện trong phim 'Avatar', khiến nhiều người hâm mộ khoa học viễn tưởng phấn khích. Nhưng liệu có xứng đáng để dành toàn bộ thời gian của một kính thiên văn khổng lồ cho việc này không? Liệu đó có phải là một nỗ lực xứng đáng?
Nếu là kính thiên văn lớn hơn thì tình hình có thể khả quan hơn. Hiện nay, châu Âu đang xây dựng kính thiên văn cực lớn E-ELT với đường kính 39m. Ngoài ra, kính thiên văn không gian mới có đường kính 6-8m mang tên Habitable Worlds Observatory (HWO) đang trong quá trình chế tạo nhằm tìm kiếm các hành tinh ngoại lai và dấu vết của sự sống. Với những kính thiên văn này, ngay cả khi chỉ quan sát mỗi ngày một lần, trong vòng 5 năm cũng có thể thu thập đủ dữ liệu quan sát ý nghĩa để phán đoán xem có vệ tinh hay không. Tất nhiên, với tần suất này, kính thiên văn coi như cũng đang "ưu ái" một thiên thể cụ thể.
Gần đây, kính thiên văn James Webb đã nhắm vào Alpha Centauri, một hệ ba sao cùng với Proxima Centauri. Và họ đã thành công trong việc chụp ảnh trực tiếp một hành tinh ngoại lai tại đó! Tuy nhiên, đáng tiếc là khả năng hành tinh này chứa đựng sự sống lại thấp hơn. Bởi vì đó có vẻ là một hành tinh khí chứ không phải hành tinh đá. Tất nhiên, nếu quanh đó có một vệ tinh băng giá nào khác thì vẫn còn hy vọng. Nhưng trước khi nói về khả năng có sự sống trên các vệ tinh ngoại lai, có lẽ việc xác định xem các vệ tinh của những hành tinh khác trong hệ mặt trời của chúng ta có sự sống hay không nên được ưu tiên hơn.
Proxima Centauri, vì là nơi gần chúng ta nhất nên được yêu thích nhất và là sân khấu cho nhiều trí tưởng tượng nhất. Liệu nơi này có thực sự đặc biệt đến mức phải đổ dồn thời gian và năng lượng vào đó không? Liệu có xứng đáng không? Liệu có thực sự tồn tại một vệ tinh ẩn mình phía sau hành tinh đó?
Cách đây không lâu, chúng ta chỉ biết tưởng tượng về các ngôi sao khi nhìn lên bầu trời đêm, nhưng giờ đây chúng ta đã có thể tưởng tượng về vô số hành tinh xung quanh các vì sao đó. Và chẳng bao lâu nữa, chúng ta sẽ bắt đầu tưởng tượng về số lượng vệ tinh khổng lồ đang quay quanh chúng. Khung cảnh vũ trụ trước mắt chúng ta vẫn không thay đổi, nhưng chúng ta đang ngày càng cảm nhận được một vũ trụ sống động và nhộn nhịp hơn.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ae0741
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 là giáo sư trợ lý tại Khoa Tự do của Đại học Sejong, tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như thuyết trình và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như 'Mỗi ngày một mảnh vũ trụ', 'Các nhà khoa học vũ trụ đầy sao', 'Những điều có thể biết dù không thể tới', 'Những câu hỏi kỳ lạ hiện ra khi nhìn vũ trụ', và dịch các tác phẩm như 'Hướng dẫn quá giang vào dải ngân hà', 'Tại sao tôi lại giết sao Diêm Vương', 'Cuộc sống lượng tử', 'Cosmigraphics'.