Planets Around Other Stars

(Các Hành Tinh Chung Quanh Những Thái Dương Khác)

http://nasascience.nasa.gov/astrophysics/exoplanet-exploration

Hồ Đông Yên

*** WARNING:: This article may be used, and only used, for educational and/or non-commercial purposes provided it is used as is , i.e., with proper citation and without modifications whatsoever.

Những hành tinh phi thái dương (exoplanets)

Suốt lịch sử con người và có lẽ cả trong thời kỳ tiền sữ, nhân loại đã thắc mắc về sự hiện hữu khả thể của những thế giới khác (other worlds), giống hoặc không giống thế giới của chúng ta. Kiến thức sơ đẳng về thái dương hệ cho chúng ta thấy rằng quả nhiên có những thế giới khác trong quỉ đạo mặt trời, và những hiểu biết rộng lớn hơn tiếp theo liên quan đến tính chất của những thế giới nầy cho thấy rằng tất cả chúng đều triệt để khác với trái đất, và phần lớn rất khác biệt giửa chúng với nhau. Khi chúng ta hiểu được rằng tinh tú (stars) trên trời là những mặt trời khác, và các thiên hà (gallaxies) gồm có hàng tỷ tinh tú, lúc đó chúng ta gần như chắc chắn rằng những hành tinh khác (other planets) phải bay quanh quỉ đạo của những thái dương khác. Nhưng điều đó chưa có thể chứng minh cho đến đầu thập niên 1990, khi các thiết bị thiên văn bằng quang tuyến và vô tuyến thám sát được những thay đổi nhỏ trong sóng phát (emission) của tinh tú, bằng cớ có sự hiện diện của một số, và bây giờ thì nhiều, hệ hành tinh (planetary systems) xoay quanh những tinh tú khác. Chúng ta gọi những hành tinh nầy là hành tinh xa hay hành tinh phi thái dương (exoplanets) để phân biệt với những hành tinh láng giềng của chúng ta trong Thái Dương Hệ.

Tại sao chúng ta biết có những hành tinh chung quanh các tinh tú khác?

Phần lớn các hành tinh phi thái dương mà chúng ta đã khám phá được đều tiết lộ sự hiện diện của chúng qua những tác động nhỏ (small effects) mà chúng gây ra trên tinh tú chủ (host star). Khi hành tinh đi trên quỉ đạo của nó, tinh tú liên quan đi theo một di chuyển phụ (complimentary motion) của chính mình. Đó là do một tác động nhỏ tương ứng với tỷ lệ trọng khối giửa hành tinh và tinh tú (planet/star mass ratio) – trong trường hợp thái dương hệ, mặt trời di chuyển đồng bộ với trái đất theo một nhịp điệu khiêu vủ chậm (hiện quá chậm không thể thám sát chính xác từ một hệ thống xa). Tuy nhiên, sự di chuyển của mặt trời theo Jupiter thì gần bằng một dạng di chuyển nhanh – và trong những trường hợp thuận lợi có thể thám sát được bằng một số phương pháp. Di chuyển của tinh tú chủ có thể đo lường được như một chuyển vị trong quang phổ (spectrum), tức Doppler effect*, hay như một thay đổi vị trí trên bầu trời. Trong cả hai trường hợp, những đo lường nầy rất khó và đòi hỏi những thiết bị cực nhạy. Quỉ đạo của các hành tinh xa giả định đi theo những phương hướng tùy tiện (random orientations), và trong một số trường hợp quỉ đạo nầy kéo hành tinh vào giửa chúng ta và tinh tú chủ. Lúc đó hành tinh có thể bị phát giác vì che bớt ánh sáng phát ra từ tinh tú chủ. Những giao lưu (transits) như thế đã từng được quan sát thấy, và một số hành tinh đã được khám phá bằng phương pháp nầy.

* Doppler effect: Ánh sáng nhìn thấy được gồm có những dao động (fluctuations), hay sóng, trong điện từ trường (elctromagnetic field). Độ dài sóng (khoảng cách giửa hai đỉnh sóng) của ánh sáng rất nhỏ, từ 4 đến 7 phần 10 triệu mét (4 to 7 ten-millionths of a meter). Những độ dài sóng khác nhau của ánh sáng là những gì mắt con người nhìn thấy như những màu sắc khác nhau; độ dài sóng lớn nhất xuất hiện ở bên đỏ của quang phổ và bên xanh là các độ dài sóng ngắn nhất. Bây giờ chúng ta thử tưởng tượng một nguồn sáng ở cách xa chúng ta - một tinh tú chẳng hạn – đang phát ra những sóng ánh sáng với một độ dài sóng cố định. Đương nhiên độ dài sóng mà chúng ta nhận đuợc sẽ chính là độ dài sóng được phát đi (trọng trường của thiên hà sẽ không đủ lớn để tạo ra ảnh hưởng nào). Bây giờ giả thử nguồn sáng bắt đầu di chuyển về hướng chúng ta. Khi phát đi đỉnh sóng tiếp theo, nguồn sáng sẽ gần chúng ta hơn, do đó khoảng cách giửa các đỉnh sóng sẽ ngắn hơn so với lúc tinh tú đó đứng yên. Điều nầy có nghĩa là độ dài sóng mà chúng ta nhận được ngắn hơn so với lúc tinh tú đứng yên. Tương tự, nếu nguồn sáng di chuyển ra xa chúng ta thì độ dài sóng mà chúng ta nhận được sẽ dài hơn. Do đó, trong trường hợp ánh sáng, điều đó có nghĩa là đối với những tinh tú di chuyển ra xa chúng ta quang phổ của chúng sẽ chuyển vị sang bên đỏ và đối với những tinh tú di chuyển về hướng chúng ta quang phổ của chúng sẽ chuyển vị sang bên xanh. Tương quan nầy giửa độ dài sóng và vận tốc là một kinh nghiệm hằng ngày và được gọi là hệ quả Doppler (Doppler effect). Chúng ta thử lắng nghe một chiếc xe chạy ngang qua trên đường: khi xe đến gần, cường độ tiếng máy lên cao hơn (tương ứng với một độ dài sóng ngắn hơn và tần số sóng âm cao hơn ), và khi xe rời xa, cường độ tiếng máy thấp xuống. Tác hành của ánh sáng hay sóng vô tuyến cũng tương tự như thế. Trong thực tế, cảnh sát sữ dụng hệ quả Doppler để tính vận tốc xe chạy bằng cách đo lường độ dài sóng của những nhịp sóng vô tuyến phản xạ lại từ các xe đang chạy.

Một hệ quả khác giúp phát giác sự hiện diện của một hành tinh quay chung quanh một tinh tú là hiện tượng uốn cong (bending) của ánh sáng phát ra từ những tinh tú phiá sau (background stars) do hậu quả của từ trường (gravitational field) của một tinh tú cản đường (intervening star). Nếu tinh tú cản đường có một hành tinh xoay quanh thì nó có thể làm thay đổi ảnh hưởng lăng kính do trọng lực gây ra một cách đáng kể - hiện tượng nầy được gọi là microlensing**.

Phần lớn trong vài trăm hành tinh xa quen thuộc đã được khám phá qua kỹ thuật Doppler, và những phương pháp khác đang cống hiến lớn hơn khi được cải tiến và số lượng của những hành tinh phi thái dương phát hiện tiếp tục tăng đều.

Microlensing Video

** Microlensing: Phương pháp khám phá một tinh tú bên ngoài thái dương hệ qua ảnh hưởng lăng kính vi mô. Một tinh tú hay hành tinh có thể phản ứng như một lăng kính vũ trụ (cosmic lens) để phóng đại và thắp sáng một tinh tú xa hơn đứng thẳng hàng phiá sau. Hiện tượng nầy xảy ra vì từ trường của tinh tú đứng giửa uốn cong và hội tụ (focus) ánh sáng, tương tự như một lăng kính uốn cong và hội tụ ánh sáng tinh tú trong một viển vọng kính. Albert Eistein đã tiên đoán hệ quả nầy trong tổng thuyết tương đối của ông và khẳng định hệ quả nầy đối với mặt trời của chúng ta. Nếu computer các bạn có RealPlayer thì xin bấm vào link bên cạnh để có một khái niệm cụ thể hơn về Microlensing.

Chúng ta biết gì về những hành tinh phi thái dương láng giềng của chúng ta?

Với viển vọng kính không gian Hubble của NASA, các nhà thiên văn đã chụp được bức hình đầu tiên của một hành tinh bay quanh quỉ đạo một tinh tú chủ.

Mặc dù các chi tiết chưa được hiều biết đầy đủ, được biết là các tinh tú như mặt trời thành hình từ những đĩa bụi hơi xoay tròn như những đám mây khói (spinning protostellar disks of gas and dust). Địa cầu và những hành tinh của thái dương hệ được tin là hình thành từ những tồn tại (remains) của các đĩa nầy, và không có lý do gì nghi ngờ đó cũng chính là quá trình xảy ra cho cả thiên hà.

Tuy nhiên, những hành tinh phi thái dương được phát hiện đầu tiên cho thấy những thiên thể nầy hoàn toàn không giống bất kỳ một hành tinh nào của thái dương hệ - và những khám phá tiếp theo cho thấy nhiều hệ hành tinh phi thái dương rất khác với thái dương hệ chúng ta. Trong một số hệ phi thái dương (exosystems) những hành tinh có trọng khối nặng như Jupiter quay rất gần sao chủ nên chúng bị nung nóng và thượng tầng khí quyển của chúng phát tán trong không gian. Trong những hệ khác, các hành tinh đi theo những quỉ đạo bầu dục (trái với quỉ đạo tròn trong thái dương hệ). Tuy nhiên, những nghiên cứu của chúng ta về hành tinh phi thái dương chĩ mới bắt đầu, và không thể chắc chắn hành tinh nào là những hành tinh “đặc trưng - typical” trong những tinh tú láng giềng của chúng ta. Liệu phần lớn các hệ hành tinh sẽ tỏ ra tương tự như thái dương hệ, hay hệ của chúng ta là một ngoại lệ trên nhiều phương diện chứ không như tưởng tượng của chúng ta? Chĩ có những nghiên cứu trong nhiều năm tới đây mới có thể trả lời câu hỏi nầy.

Một số chứng cứ mong manh cho thấy khả năng tìm được những hệ hành tinh tương tự như thái dương hệ. Một khám phá gần đây cho thấy sao mang tên 55 Cancri, cách ta 41 năm ánh sáng, có một hệ gồm 5 hành tinh, với đội hình tương tự như những hành tinh gần (inner planets) của thái dương hệ (mặc dù có trọng khối lớn hơn nhiều). Các nhà thiên văn tin rằng, nếu thiết bị đo lưòng của chúng ta trở nên nhạy bén đối với những trọng khối nhỏ hơn thì chúng ta có thể tìm ra được nhiều hệ có một đội ngủ hành tinh đông đảo (có thể ngay cả đầy đủ và năng động – nghĩa là chứa được tối đa những hành tinh có thể cùng sinh tồn với nhau trong hoà hợp quỉ đạo).

Trong các phúc trình khác, một số hành tinh có trọng khối gần bằng trọng khối của trái đất đã được phát hiện. Những kết quả còn ít, nhưng vì công tác đo lường rất khó nên những khám phá đó được xem như có ý nghĩa và có thể là chỉ dấu cho nhiều khám phá hơn nữa trong tương lai. Một lần nữa, chĩ có những nghiên cứu trong nhiều năm tới đây mới có thể trả lời vấn đề nầy.

Chúng ta muốn học hỏi điều gì từ những hành tinh phi thái dương?

Liệu một hiểu biết đầy đủ về những hành tinh phi thái dương sẽ giúp giải đáp câu hỏi có hay không có sự sống trên một hành tinh nào khác ngoài trái đất? Câu hỏi căn bản nầy đã từng đè nặng trong đầu của nhiều triết gia xuyên suốt lịch sử nhân loại nhưng chĩ ngày nay chúng ta mới sữ dụng tiến bộ kỹ thuật để tiến hành tìm kiếm những đáp án thực nghiệm. Vì ly do thực tiển, sự sống chĩ có thể khám phá bằng thám sát viển liên (remote sensing) qua những phó sản (byproducts) mà các hoạt động sinh học để lại trong khí quyển hay trên mặt của hành tinh chủ. Miễn sao chúng ta tìm được một hành tinh giống trái đất trong một vùng không gian có thể ở được chung quanh một vì sao khác, lúc đó chúng ta sẽ bắt đầu phân tích thật tỉ mỉ để tìm kiếm chứng cớ của sự sống. Những chứng cớ nầy bao gồm sự hiện diện những khối lượng nước đáng kể, khí methane, khí ozone, và những chất khí khác có trưng bằng chứng hoạt động sinh học trong khí quyển, và có thể những khối lượng lớn thực vật trên mặt hành tinh đó. Đây là một công tác đầy thách thức và sẽ đòi hỏi trước tiên phải tách ánh sáng của hành tinh ra khỏi sự sáng chói lòa của ngôi sao chủ và sau đó xác định cho được quang phổ của hành tinh cực kỳ nhạt nhòa với một số độ dài sóng.

Bốn “Siêu Địa Cầu – Super-Earth” trong số 32 hành tinh phi thái dương

Khoảng 400 hành tinh phi thái dương quay chung quanh quỉ đạo của những tinh tú chủ đã được khám phá kể từ năm 1995, bắt đầu với sự khám phá một hành tinh có kích thước của Jupiter và quay chung quanh quỉ đạo của một ngôi sao mang tên 51 Pegasi, cách ta 50 năm ánh sáng (Một năm ánh sáng bằng khoảng 5.5 ngàn tỷ miles). Xét về trọng khối, những hành tinh mới đuợc khám phá nặng tối thiểu là 5.5 lần trái đất và nặng tối đa là 7.1 lần Jupiter, hành tinh nặng nhất trong thái dương hệ của chúng ta. Những tinh tú chủ của những hành tinh nầy xếp hạng từ 30 đến 150 năm ánh sáng. Hai trong số những “Siêu Địa Cầu” - được xem là những hành tinh có đá (rocky) như trái đất – quay chung quanh những tinh tú giống như mặt trời. Và hai hành tinh còn lại quay chung quanh những tinh tú nhỏ hơn thuộc loại “M”, mờ hơn và đỏ hơn mặt trời.

Cho đến nay vẫn chưa rõ trong số 400 hành tinh phi thái dương trên có hành tinh nào có những điều kiện sống; nhưng một số hành tinh đó tiến rất gần đến những điều kiện nầy, nghĩa là quỉ đạo của chúng ở vào những khoảng cách mà nước có thể xuất hiện ở thể lỏng trên mặt hành tinh (thay vì nước đá hay hơi nước nóng). Sao nhỏ cở M (M dwarf) mang tên Gliese 581 có một “Siêu Địa Cầu” hình như có nhữnh quỉ đạo thuộc vùng sinh sống được (habitable zone), mặc dù khả năng sinh sống được hay không còn tùy vào cấu tạo và khí quyển của hành tinh, đương nhiên. Trong số những hành tinh giống trái đất mà chúng ta biết đang nằm trong vùng sinh sống được có lẽ chĩ có một hành tinh bay quanh quỉ đạo của Gliese 581; nhưng ngôi sao nầy cách chúng ta khoảng 20 năm ánh sáng. Với vận tốc hoả tiển nhanh nhất hiện nay, sẽ mất khoảng 500 ngàn năm để đến đó. Năm rồi, một viển vọng kính vô tuyến (radio telescope) của Nga đã gởi đi một thông điệp đến Gliese 581. Như thế có lẽ chúng ta sẽ nhận được hồi đáp khoảng 40 năm tới.

Sự sống như chúng ta biết trên trái dất có thể hoặc không có thể hiếm hoi, nhưng sự sống dưới một hình thức nào đó thì có thể là chuyện bình thường theo như mong đợi của các nhà thiên văn, căn cứ trên những nghiên cứu về nguồn gốc và tiến hóa của sự sống. Suy đoán từ việc những hành tinh giống trái đất có lẽ là những đồng hành rất thường xuyên của những tinh tú giống như mặt trời, chúng ta tin rằng nhiều, nếu không nói là đa số, những thế giới đó sẽ hổ trợ một hình thức nào đó của sự sống. Thách thức lớn là phải làm sao chế tạo được những viển vọng kính không gian có khả năng nhìn vào những khí quyển của những hành tinh phi thái dương lân cận và tìm kiếm những cấu tố sinh học (biomarkers) chứng minh sự hiện hữu của sự sống ở đó.