HÀNH TINH LẠ

 

Những hành tinh lạ tương tự trái đất trong vũ trụ

 

Các mô hình thiên văn cùng với những quan trắc đã chỉ ra rằng, hiện tồn tại một con số lớn đáng ngạc nhiên các “hành tinh lạ” tương tự như trái đất và có khả năng dung nạp sự sống. Đó là nội dung tóm tắt bài viết lý thú của 2 tác giả Dimitar D. Sasselov và Diana Valencia đăng trên Scientific American số tháng 8. 2010.

Trong vũ trụ xung quanh các sao chủ (như mặt trời), có thể có các hành tinh lạ (exoplanet), các hành tinh này thường lớn hơn trái đất. Nhiều chấn động đã làm biến dạng bề mặt của các hành tinh đó. Chúng thường được các đại dương bao bọc và bầu khí quyển không khác nhiều so với bầu khí quyển của trái đất. Trên nhiều hành tinh này, theo các nhà khoa học có thể là nơi cư trú của sự sống và họ đang cố gắng tìm ra dấu vết sự sống ở đó.

Những ý tưởng về một kịch bản như thế đã dần trở nên hiện thực trong cuối thập kỷ này. Trong số 450 siêu hành tinh đã tìm ra được, đa số là những hành tinh khổng lồ giống hành tinh Jupiter (sao Mộc) của Thái dương hệ, các nhà thiên văn đã tìm thấy một số hành tinh không khác xa lắm với trái đất của chúng ta (hình 1). Trong tương lai, Trạm vũ trụ Kepler của NASA, một trạm không gian được thành lập nhằm “truy tìm” hành tinh, sẽ còn phát hiện ra nhiều hành tinh mới nữa.    

 

  

 

Hình 1: Các loại hành tinh ngoài Thái dương hệ. Đa số các hành tinh đã được phát hiện  là những khối khí khổng lồ (xem 2 hình cầu ở phần đỉnh trên và phần đáy dưới của hình vẽ). Tuy nhiên, các nhà thiên văn cũng đã tìm thấy các hành tinh nhỏ hơn tương tự như trái đất song có kích thước lớn hơn trái đất (xem 3 hình cầu ở giữa hình vẽ).

Lẽ dĩ nhiên, các siêu hành tinh ở cách xa trái đất của chúng ta nhiều năm ánh sáng, cho nên các trạm vũ trụ hiện đại chắc không thể phát hiện được hết mọi chi tiết như: Mây, núi, núi lửa... Thông thường, các kính viễn vọng chỉ cho các thông tin về sự tồn tại của siêu hành tinh, song trong một số trường hợp, có nhiều thông tin cho phép chúng ta xác định được khối lượng và kích cỡ hành tinh (như bán kính) và một vài chi tiết khác như thành phần khí quyển và động học gió, nếu siêu hành tinh này rất lớn. Nhiều chi tiết về địa chất, hóa học... thì khó xác định hơn trong quá trình nghiên cứu.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu có thể suy diễn nhiều chi tiết về chân dung của các siêu hành tinh bằng cách sử dụng các mô hình lý thuyết kết hợp với mô phỏng máy tính, các thí nghiệm và các dữ liệu về trái đất và các hành tinh khác trong Thái dương hệ của chúng ta.

Một ví dụ trong các nghiên cứu của 2 tác giả bài báo là: Họ đã lập mô hình nhiều hành tinh có thành phần tương tự thành phần của trái đất. Họ đã tìm thấy trên các siêu hành tinh này (với khối lượng lớn) có các hoạt động địa chất, có khí quyển và khí hậu thân thiện với sự sống. Họ phát hiện ra rằng, khối lượng trái đất là khối lượng bé nhất để sự sống có thể tồn tại và phát triển, nói một cách khác, nếu trái đất có khối lượng nhỏ hơn thì không tồn tại sự sống giống như sao Hỏa (Mars) và sao Kim (Venus).

Những siêu trái đất (super-Earth)

Những hành tinh ngoài Thái dương hệ được phát hiện vào thập niên 90 của thế kỷ XX chủ yếu nhờ phương pháp di động (wobble method). Theo phương pháp này, người ta phát hiện ra sự tồn tại của hành tinh nhờ các hệ quả hấp dẫn của nó lên sao chủ. Sasselov - 1 trong 2 tác giả của bài báo - là chuyên gia trong lĩnh vực sử dụng phương pháp di động (hình 2) cùng các nhà khoa học đã đề xuất xây dựng Trạm thiên văn không gian Kepler (Kepler space observatory) để quan sát các hành tinh lạ. Trạm đã được phóng lên quỹ đạo vào năm 2009, và đã phát hiện ra các hành tinh lạ bằng cách xử lý hình ảnh (dip-document image processing) độ sáng của sao chủ. Nếu có sự thay đổi độ sáng theo chu kỳ, có nghĩa là có một hành tinh quay quanh sao chủ và do đó, có lúc đi ngang phía trước sao chủ. Camera trên Trạm có thể ghi đo được 150.000 sao trong 3 năm.

Sasselov và Richard O’ Connell thuộc Đại học Harvard (Hoa Kỳ) -một chuyên gia trong lĩnh vực động học bên trong trái đất, đã nghiên cứu các quá trình địa chất của những hành tinh lớn giống trái đất. Trong Thái dương hệ, trái đất là hành tinh có cấu tạo đá (rocky) lớn nhất. Trước đây, người ta chỉ tìm thấy những siêu hành tinh khổng lồ cấu tạo bằng khí tương tự như sao Mộc (Jupiter) mà chưa thấy những hành tinh kiểu trái đất và có bán kính lớn hơn trái đất, những hành tinh này được các tác giả đặt tên là siêu trái đất (super-Earth).

Tuy nhiên, vào năm 2005, bằng phương pháp di động, Eugenio Rivera, Santa Cruz cùng các cộng sự tại Đại học California (Hoa Kỳ) đã phát hiện một hành tinh quay quanh sao Gliese 876 trong chùm sao Aquarius, và đây là hành tinh siêu trái đất đầu tiên mang tên GJ876d quay quanh mặt trời của nó trong 2 ngày và có khối lượng bằng khoảng 7,5 lần khối lượng trái đất. Người ta chưa đo được kích thước của hành tinh này và vì vậy, không xác định được mật độ vật chất của nó.

 

     

 

Hình 2 - Phương pháp di động: Trong quá trình quay quanh sao chủ, hành tinh sẽ tác động lên sao chủ bằng lực hấp dẫn. Nhờ phép phân tích phổ ánh sáng của sao chủ khi lùi xa và lúc tiến gần, các nhà thiên văn có thể ghi đo các biến đổi vận tốc tương đối của sao chủ so với trái đất. Sự thay đổi có chu kỳ sẽ cho ta biết sự tồn tại của một hành tinh.

Dùng phương pháp chuyển tiếp (transit method - hình 3), các nhà thiên văn có thể xác định kích thước của hành tinh: Mức độ mà một hành tinh làm giảm ánh sáng của sao chủ cho phép xác định đường kính của hành tinh. Nếu kết hợp cả phương pháp di động, họ có thể xác định khối lượng hành tinh, từ đó tính được mật độ vật chất của nó. Nếu mật độ đó lớn gần mật độ của đá thì hành tinh đang xem xét quả là một hành tinh có thành phần tương tự trái đất.

 

 

 

    

 

Hình 3 - Phương pháp chuyển tiếp (transit method): Nếu hành tinh đi ngang qua đường ngắm giữa sao chủ và trái đất thì nó làm giảm ánh sáng từ sao chủ giống như trong nhật thực riêng phần. Một hành tinh cỡ Jupiter sẽ làm giảm ánh sáng đó khoảng 1%, còn một hành tinh cỡ trái đất sẽ làm giảm ánh sáng khoảng 0,01%, trị số này nằm trong vùng nhạy của Trạm thiên văn Kepler.

Năm 2009, các nhà thiên văn đã phát hiện ra siêu trái đất CoRoT-7b. Hành tinh này có mật độ vật chất lớn và được cấu tạo bằng đá. Quỹ đạo của hành tinh này rất gần với sao chủ - một năm của hành tinh này chỉ bằng một ngày của trái đất. Sau đó, David Charbonneau thuộc Trung tâm Thiên văn - Vật lý Harvard (Hoa Kỳ) đã phát hiện thêm siêu trái đất Dubbed GJ1214b, điều đáng chú ý là hành tinh này có mật độ gần mật độ nước hơn mật độ đá, vậy có thể hành tinh này có một vỏ bọc dày bằng khí.

Các nhà thiên văn cho rằng, các siêu trái đất phải có thành phần gần thành phần trái đất, nghĩa là phần lớn là silicon kết liền với oxygen và magnesium, cộng với sắt và một số nguyên tố khác (thường đi kèm là một khối lượng nước lớn).  

Nhiều hành tinh đáng quan tâm đã được biết gồm (hình 4): Trái đất; hành tinh GJ1214b, loại siêu trái đất, khối lượng bằng 6,55 khối lượng trái đất, bán kính bằng 2,7 bán kính trái đất; hành tinh CoRoT-7b, loại siêu trái đất thành phần đá, khối lượng bằng 4,8 khối lượng trái đất, bán kính bằng 1,7 bán kính trái đất; hành tinh Kepler 7b, loại khí khổng lồ, khối lượng bằng 0,43 khối lượng sao mộc, bán kính bằng 1,48 bán kính sao mộc; hành tinh HD149026b, loại khí khổng lồ, khối lượng bằng 0,36 khối lượng sao mộc, bán kính bằng 0,65 bán kính sao mộc; hành tinh Osiris (HD209458), loại khí khổng lồ, khối lượng bằng 0.69 khối lượng sao mộc, bán kính bằng 1,32 bán kính sao mộc; hành tinh Fomalhaut b, loại khí khổng lồ, khối lượng bằng 3 đến 5 khối lượng sao mộc, bán kính bằng bán kính sao mộc.

Hình 4 - Các hành tinh trong vũ trụ: Tung độ biểu diễn bán kính của hành tinh so với Jupiter, còn hoành độ - khối lượng của hành tinh so với sao Mộc. Những vòng tròn biểu diễn các hành tinh, trong số đó có các hành tinh của Thái dương hệ: Trái đất, Venus, sao Hải vương (Neptune), Uranus, sao Thổ (Saturn), sao Mộc và các hành tinh lạ khác trong vũ trụ như CoRoT-7b, GJ121 4b, HD14902b, Osiris, Kepler 7b.

Trong kiến tạo địa tầng, các địa tầng chuyển động và khi 2 địa tầng va chạm nhau, một địa tầng này có thể trượt xuống địa tầng kia (quá trình trượt xuống). Các quá trình kiến tạo địa chất dễ xảy ra với các siêu trái đất hơn là với các hành tinh đá nhỏ hơn. Các kiến tạo địa tầng tạo điều kiện thuận lợi hơn cho sự sống. Quả thật như vậy, những hoạt động địa chất, đặc biệt núi lửa sẽ làm thoát CO₂ (và các khí khác) vào khí quyển. Khí CO₂ tác động với calcium silicate tạo nên calcium carbonate, silicon dioxide, 2 chất này lắng đọng xuống đại dương. Và trong quá trình trượt xuống các đáy đại dương, lặn vào vỏ hành tinh đã làm cho các vỏ hành tinh này giàu thêm cácbon. Chu trình cácbon - silicate sẽ hoạt động như một điều hòa nhiệt độ trên toàn bề mặt hành tinh. Trên trái đất, chu trình này giúp giữ nhiệt độ gần nhiệt độ của nước trong nhiều tỷ năm. Một cách tương tự như vậy, quá trình kiến tạo địa tầng sẽ gây nên các chu trình của các khoáng sản và khí khác gồm những chất hóa học giàu năng lượng như hydrogen sulfide cần thiết cho sự sống trước khi hiện tượng quang hợp có điều kiện phát sinh.

Đối với một siêu trái đất, nhiều quá trình đối lưu địa tầng đã hình thành, thời gian tạo địa tầng và trượt địa tầng ngắn hơn làm cho chu trình cácbon -silicate nhanh và tích cực hơn. Vì thế, có thể nói rằng, các siêu trái đất trong vũ trụ dễ chấp nhận sự sống hơn các hành tinh có cùng kích cỡ như trái đất. Hơn nữa, khối lượng lớn của chúng cho phép giữ được bầu khí quyển và  nước khỏi bay vào vũ trụ. Trong Thái dương hệ, những hành tinh nhỏ hơn thường là ổn định hơn về mặt địa chất. May mắn là trái đất vừa đủ kích thước để các quá trình kiến tạo địa tầng xảy ra. Và như đã đề cập, các quá trình kiến tạo địa tầng lại tạo điều kiện thuận lợi cho sự sống.

Phong cảnh và khả năng tồn tại sự sống trên các hành tinh lạ

Phong cảnh trên các hành tinh siêu trái đất có gì lạ? Trước hết, phong cảnh không có gì khác biệt lắm so với trái đất (ngoại trừ có thể có những dấu hiệu khác nhau của sự sống nếu sự sống tồn tại trên đó). Các quá trình địa chất sẽ tạo nên lục địa, núi, đại dương, một bầu khí quyển và mây cùng nhiều thứ khác. Các địa tầng trên các hành tinh lạ có thể chuyển động nhanh hơn so với ở trên trái đất nhiều lần. Núi đột hiện nhanh hơn, phong hóa nhanh hơn (nhưng núi không cao lắm) vì lực hấp dẫn lớn hơn (so với đỉnh Olympus Mons trên sao Hỏa cao 21 km). Khí quyển có thể có cấu tạo khác vì núi lửa hoạt động mạnh hơn.

Kỷ nguyên nghiên cứu siêu trái đất mới chỉ bắt đầu. Người ta hy vọng sẽ phát hiện nhiều siêu trái đất từ sứ mệnh của Trạm thiên văn không gian Kepler. Tiếp sau Trạm Kepler sẽ là các trạm không gian khác nhằm nghiên cứu bầu khí quyển của các hành tinh đó để tìm kiếm các dấu hiệu của sự sống. Trong vài năm tiếp theo, sau  kính viễn vọng không gian Hubble sẽ là kính viễn vọng không gian James Webb sử dụng mắt hồng ngoại, cho phép nhìn sâu vào bầu khí quyển của các siêu trái đất để hy vọng tìm thấy dấu hiệu của sự sống.

 

                                                                                    CC biên dịch