Khoa Học NASA

Phần 3

Kỹ Thuật Truy Tìm Sự Sống Trong Vũ Trụ

http://planetquest.jpl.nasa.gov/science/finding_planets.cfm

Lương Tấn Lực – Master, Computer Science

*** 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.

Bốn kỹ thuật truy tìm
Xin xem Video

Những hành tinh chung quanh những tinh tú gần thái dương hệ hiện vẫn chưa tìm thấy. Nhưng các nhà thiên văn đã phát hiện chúng một cách gián tiếp, bằng cách suy đoán sự hiện hữu của một vệ tinh không nhìn thấy qua những tác động của nó trên tinh tú chủ (host star).

Cho đến nay các nhà thiên văn chĩ mới trưng ra những hành tinh lớn có lẽ không có sự sống trên đó. Tuy nhiên, những sứ mệnh tương lai như Phi thuyền Không gian Terrestrial Planet Finder (Truy Tìm Hành Tinh Giống Trái Đất) và những phi thuyền trước đó sẽ tìm kiếm bằng chứng trực tiếp về hiện hữu của những hành tinh mới có kích thước nhỏ như trái đất.

Ba yếu tố tạo nên những thử thách trong công tác quan sát những hành tinh phi thái dương ( extrasolar planets):

q Các hành tinh nầy không phát ra ánh sáng của chính chúng, ngoại trừ thời kỳ sơ sinh.

q Chúng cách xa chúng ta rất nhiều.

q Chúng bị xóa nhòa trong ánh sáng chói lòa của ngôi sao chủ.

Ví dụ, nếu có một hành tinh quay chung quanh Proxima Centauri, tinh tú gần chúng ta nhất, thì hành tinh đó sẽ xa hơn Pluto 7 ngàn lần. Quan sát hành tinh nầy sẽ không khác nào đứng ở Boston và quan sát một con bướm đêm (moth) đậu cạnh một ngọn đèn pha ở tận San Diego.

Sau đây là tóm lược một số những phương pháp thám sát hành tinh cho đến nay được chứng minh là thành công, cũng như những phương pháp khác hiện đang triển khai.

Doppler Shift (Chuyển vị Doppler)

Việc đo lường chính xác phương tốc (velocity) hay chuyển vị tinh tú cho chúng ta thấy kích thước di chuyển của tinh tú đó gây ra bỡi trọng lực của một hành tinh. Từ thông tin đó, các khoa học gia suy đoán được trọng khối (mass) và quỉ đạo của hành tinh.

Tại sao một hành tinh có thể làm ngôi sao chủ chuyển vị? Nếu ngôi sao chủ chĩ có một hành tinh thì cả hai di chuyển theo những quỉ đạo gần như tròn chung quanh trung tâm trọng khối chung (common center of mass). Ngay cả nếu thiên thể nầy nhỏ hơn thiên thể kia nhiều đi nữa thì những định luật vật lý khẳng định cả hai vẫn quay chung quanh tâm của hệ thống phối hợp của hành tinh và sao chủ của nó. Trung tâm trọng khối là điểm mà hai thiên thể giử cân bằng với nhau.

Phương tốc ly tâm (radial velocity) đo lường những thay đổi nhỏ trong phương tốc của tinh tú khi tinh tú đó và hành tinh di chuyển chung quanh tâm trọng lực. Tuy nhiên, trong trường hợp nầy, hướng chuyển dịch được quan sát là tiến về phía người quan sát hoặc tiến ra xa. Các nhà thiên văn có thể thám sát được những thay đổi nầy bằng cách phân tích quang phổ (spectrum) của ánh sáng tinh tú. Theo hệ quả được gọi là chuyển vị Doppler (Doppler shift), sóng ánh sáng của một tinh tú đi về phía chúng ta được chuyển vị sang bên xanh của quang phổ. Nếu tinh tú đó di chuyển ra xa chúng ta thì sóng ánh sáng sẽ chuyển vị sang bên đỏ của quang phổ. Hiện tượng nầy xảy ra là vì sóng ánh sáng bị nén lại (compressed) khi ngôi sao tiến về phía người quan sát và giản ra khi ngôi sao lùi xa. Hệ quả nầy tương tự như sự thay đổi cường độ âm thanh khi chúng ta nghe tiếng còi của một con tàu đến gần và đi ra xa.

Hành tinh càng lớn và càng gần với sao chủ thì sao nầy càng di chuyển nhanh hơn chung quanh tâm trọng khối, gây nên một chuyển vị màu lớn hơn trong quang phổ của ánh sáng tinh tú. Đó là lý do tại sao đa số những hành tinh được phát hiện đầu tiên đều thuộc dạng Jupiter (nặng hơn trái đất 300 lần), có quỉ đạo rất gần sao chủ của chúng.

Astrometric Measurement (Đo Lường Thiên Văn)

Cũng như với kỷ thuật đo phương tốc ly tâm, phương pháp đo lường thiên văn căn cứ trên sự chuyển dịch nhỏ của ngôi sao chủ do tác động của hành tinh bay trên quỉ đạo của sao nầy. Tuy nhiên, trong trường hợp nầy, các nhà thiên văn đo lường vị trí của một tinh tú trong bầu trời và quan sát vị trí đó thay đổi thế nào qua thời gian (không sữ dụng chuyển vị quang phổ). Những hành tinh của thái dương hệ chúng ta có hệ quả nầy đối với mặt trời, tạo ra một chuyển vị lúc gần lúc xa được ghi nhận từ một vị trí cách xa nhiều năm ánh sáng. Mục tiêu quan trọng của dự án Space Interferometry Mission (Sứ mạng Nghiên Cứu Tương Tác Nhiểu Xạ Không gian) là truy tìm những hành tinh có kích thước giống trái đất đang xoay quanh những ngôi sao giống như mặt trời gần chúng ta bằng cách sữ dụng phương pháp đo lường thiên văn ở cự ly hẹp. Tương tự, dự án Kreck Interferometry sẽ thực hiện một thám sát hàng trăm tinh tú để tìm những hành tinh có trọng khối nhỏ như Uranus.

Transit Method (Phương Pháp Giao Lưu)

Nếu một hành tinh trực tiép đi ngang qua tuyến quan sát của một tinh tú và điểm quan sát thì nó sẽ che khuất một phần ánh sáng của tinh tú đó, do đó sẽ làm giảm bớt độ sáng của nó. Những thiết bị tinh xảo sẽ ghi nhận được sự thay đổi độ sáng định kỳ nầy. Từ chu kỳ và kích thước của sự giao lưu, người ta có thể tính được quỉ đạo và kich thước của những hành tinh liên hệ. Những hành tinh nhỏ hơn sẽ tạo ra một hệ quả nhỏ hơn, và ngược lại. Ví dụ, một hành tinh có một quỉ đạo giống trái đất sẽ tạo ra một giảm sút nhỏ trong độ sáng nơi tinh tú và sẽ kéo dài trong vài giờ.

Gravitational Microlensing (Tác Dụng Lăng Kính Vi Mô Do Trọng Lực)

Phương pháp nầy bắt nguồn từ một trong những trực giác trong tổng thuyết tương đối của Eisntein:

Microlensing Video (RealPlayer required)

trọng lực uốn cong không gian (gravity bends space). Thường chúng ta nghĩ rằng ánh sáng đi theo một đường thẳng, nhưng các tia sáng trở nên cong khi đi qua không gian; không gian nầy bị biến dạng (warped) bỡi sự hiện diện của một thiên thể lớn lao như một tinh tú. Hệ quả nầy được chứng minh qua quan sát tác động của mặt trời đối với ánh sáng của các tinh tú.

Khi một hành tinh đi ngang qua trước mặt một tinh tú dọc theo tuyến quan sát của chúng ta , trọng lực của hành tinh sẽ tác hành giống như một lăng kính. Tác động nầy hội tụ (focus) các tia sáng và gây ra một gia tăng đột ngột về độ sáng và giống như thay đổi vị trí của tinh tú đang quan sát.

Các nhà thiên văn có thể sữ dụng hệ quả lăng kính vi mô để tìm những thiên thể không phát ra ánh sáng hay không thám sát được nếu không có phương pháp nầy.

Direct Detection (Thám Sát Trực Tiếp)

Vì các hành tinh không phát ra ánh sáng của chính chúng nên trực tiếp quan sát chúng là một thách thức lớn. Những dự án như Terrestrial Planet Finder sẽ nhờ vào những kỹ thuật tân tiến để có thể khống chế những thuộc tính của ánh sáng nhằm nối dài tầm nhìn của chúng ta.

Một trong những thách thức lớn đối với NASA trong công tác truy tìm những thế giới mới là triển khai những kỹ thuật nhằm giúp chúng ta có được hình ảnh đầu tiên của những hành tinh bay quanh những tinh tú xa.

Trong khi ngôi sao chủ là nguồn sáng giúp thấy được những hành tinh, độ chói sáng của nó lớn gấp từ một triệu đến 10 tỷ lần so với hành tinh nhạt nhòa bé nhỏ mà chúng ta quan sát. Do đó, bất kỳ nghiên cứu chi tiết nào liên quan đến những hành tinh phi thái dương đều đòi hỏi những phương pháp che bớt hay khống chế độ chói sáng của ngôi sao chủ để chúng ta có thể nghiên cứu được những hành tinh lân cận.

Một thách thức khác bắt nguồn từ sư kiện là, so với độ cách ly giửa hầu hết các thiên thể trong vũ trụ, những hành tinh ở vào những vị trí cực kỳ gần sát các ngôi sao chủ của chúng. Do đó, chúng ta cần độ định hình (resolution) rất cao để tách hành tinh ra khỏi ngôi sao chủ.