Giải quyết xong bài toán về thông tin khối lượng và mật độ các hành tinh trong thiên hà

Hầu hết các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta đều có hành tinh, trong đó loại nhỏ hơn sao Hải Vương—các hành tinh có kích thước giữa Trái Đất và Hải Vương tinh—là phổ biến nhất. Tuy nhiên, việc tính toán mật độ của chúng là một thách thức đối với các nhà khoa học. Tùy thuộc vào phương pháp được sử dụng để đo khối lượng của chúng, hai nhóm riêng biệt xuất hiện: một nhóm gồm các hành tinh đặc hơn và một nhóm gồm các hành tinh ít đặc hơn.

Điều này có phải do thiên kiến ​​quan sát hay sự tồn tại vật lý riêng biệt của hai quần thể hành tinh cấp dưới Hải Vương tinh? Nghiên cứu gần đây của NCCR PlanetS, Đại học Geneva (UNIGE) và Đại học Bern (UNIBE) lập luận cho trường hợp sau.

Có rất nhiều ngoại hành tinh trong thiên hà của chúng ta. Phổ biến nhất là những hành tinh có bán kính nằm giữa Trái Đất (khoảng 6.400 km) và sao Hải Vương (khoảng 25.000 km). Người ta ước tính rằng 30% đến 50% các ngôi sao giống Mặt Trời chứa ít nhất một trong những hành tinh dạng này.

Tính toán mật độ của các hành tinh dạng này cũng là một thách thức khoa học. Để ước tính mật độ của chúng, trước tiên chúng ta phải đo khối lượng và bán kính của chúng. Vấn đề đặt ra là: Tại sao các hành tinh được đo khối lượng bằng phương pháp TTV (Biến thiên thời gian chuyển tiếp) ít đặc hơn so với các hành tinh được đo khối lượng bằng phương pháp vận tốc xuyên tâm, một phương pháp đo lường khả thi khác.

Jean-Baptiste Delisle, cộng tác viên tại Khoa Thiên văn học thuộc Khoa Khoa học UNIGE và là đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích: "Phương pháp TTV liên quan đến việc đo các biến thiên trong thời gian chuyển tiếp. Tương tác hấp dẫn giữa các hành tinh trong cùng một hệ thống sẽ làm thay đổi đôi chút thời điểm các hành tinh đi qua phía trước ngôi sao của chúng. Mặt khác, phương pháp vận tốc xuyên tâm liên quan đến việc đo các thay đổi trong vận tốc của ngôi sao do sự hiện diện của hành tinh xung quanh nó gây ra”.

Loại bỏ mọi thiên vị

Một nhóm quốc tế do các nhà khoa học từ NCCR PlanetS, UNIGE và UNIBE đứng đầu đã công bố một nghiên cứu giải thích hiện tượng này. Nguyên nhân không phải do sự lựa chọn hay thiên vị quan sát mà là do các yếu tố vật lý. Adrien Leleu, phó giáo sư tại Khoa Thiên văn học thuộc Khoa Khoa học UNIGE và là tác giả chính của nghiên cứu giải thích: “Phần lớn các hệ thống được đo bằng phương pháp TTV đều có cộng hưởng.

Hai hành tinh có cộng hưởng khi tỷ lệ giữa các chu kỳ quỹ đạo của chúng là một số hữu tỉ. Ví dụ, khi một hành tinh thực hiện hai quỹ đạo quanh ngôi sao của nó, thì hành tinh kia thực hiện đúng một quỹ đạo. Nếu một số hành tinh có cộng hưởng, nó sẽ tạo thành một chuỗi cộng hưởng Laplace. Do đó, chúng tôi đặt vấn đề liệu có mối liên hệ nội tại nào giữa mật độ và cấu hình quỹ đạo cộng hưởng của một hệ hành tinh hay không”.

Để thiết lập mối liên hệ giữa mật độ và cộng hưởng, trước tiên các nhà thiên văn học phải loại trừ bất kỳ sai lệch nào trong dữ liệu bằng cách lựa chọn nghiêm ngặt các hệ hành tinh để phân tích thống kê. Ví dụ, một hành tinh kích thước lớn, khối lượng thấp được phát hiện khi di chuyển cần nhiều thời gian hơn để phát hiện ở phương pháp vận tốc xuyên tâm. Điều này làm tăng nguy cơ các quan sát bị gián đoạn trước khi hành tinh có thể được ghi nhận trong dữ liệu phương pháp vận tốc xuyên tâm. Từ đó, người ta đã bị chi phối bởi ước tính từ trước.

Adrien Leleu giải thích: "Quy trình ghi nhận như thế này sẽ dẫn đến sự thiên vị trong tài liệu thiên về khối lượng và mật độ cao hơn đối với các hành tinh được mô tả bằng phương pháp vận tốc xuyên tâm. Vì chúng ta không có phép đo khối lượng của chúng, nên các hành tinh ít đặc hơn sẽ bị loại khỏi các phân tích".

Sau khi thực hiện quá trình làm trong sạch dữ liệu này, các nhà thiên văn học có thể xác định, bằng các thử nghiệm thống kê, rằng các hành tinh nhỏ hơn sao Hải Vương trong các hệ cộng hưởng có mật độ thấp hơn so với các hành tinh tương ứng trong các hệ không cộng hưởng, bất kể phương pháp nào được sử dụng để xác định khối lượng của chúng.

Một câu hỏi về cộng hưởng

Các nhà khoa học đưa ra một số lời giải thích có thể cho mối liên hệ này, gồm các quá trình liên quan đến sự hình thành các hệ hành tinh. Giả thuyết chính của nghiên cứu là tất cả các hệ hành tinh đều hội tụ về trạng thái chuỗi cộng hưởng trong vài khoảnh khắc đầu tiên tồn tại, nhưng chỉ có 5% vẫn ổn định. 95% còn lại trở nên không ổn định. Chuỗi cộng hưởng sau đó bị phá vỡ, tạo ra một loạt "thảm họa", chẳng hạn như va chạm giữa các hành tinh. Các hành tinh hợp nhất với nhau, tăng mật độ của chúng và sau đó ổn định trong các quỹ đạo không cộng hưởng.

Quá trình này tạo ra hai quần thể hành tinh nhỏ hơn sao Hải Vương rất riêng biệt: mật độ đặc và mật độ thưa (nói cách khác là khối lượng riêng cao và thấp). Yann Alibert, giáo sư tại Phân khoa Khoa học Hành tinh và Nghiên cứu Không gian (WP) của UNIBE, đồng giám đốc Trung tâm Không gian và Khả năng sinh sống và đồng tác giả của nghiên cứu kết luận: “Các mô hình số về sự hình thành và tiến hóa của hệ hành tinh mà chúng tôi đã phát triển tại Bern trong hai thập niên qua tái tạo chính xác xu hướng này: các hành tinh cộng hưởng có khối lượng riêng thấp hơn. Hơn nữa, nghiên cứu này xác nhận rằng hầu hết các hệ hành tinh đều là nơi xảy ra các vụ va chạm khổng lồ, tương tự hoặc thậm chí dữ dội hơn vụ va chạm đã tạo ra Mặt trăng của chúng ta”.

Việc xác định các hành tinh chiếm đa số trong các hệ sao đều là tàn tích từ những vụ va chạm chứ không xuất hiện đồng thời cùng sao chủ có ý nghĩa trong ngành thiên văn. Nó giúp ta có cái nhìn rõ hơn về sự hình thành của Trái đất để từ đó tìm ra những hành tinh có khả năng nuôi dưỡng sự sống khác.