Việc phát hiện bí ẩn về hành tinh lùn ngoài Hải vương tinh làm choáng váng giới thiên văn

Dữ liệu thu thập từ kính viễn vọng gần đây tiết lộ rằng một hành tinh nhỏ ở vùng xa của hệ Mặt trời của chúng ta có một vành đai dày đặc bao quanh nó. Và các nhà khoa học đang gặp khó khăn để giải thích lý do tại sao.

Thiên thể Quaoar, thỉnh thoảng còn được coi là hành tinh lùn, là một trong khoảng 3.000 thiên thể quay quanh Mặt trời phía ngoài quỹ đạo sao Hải Vương và có đường kính 1.110km (lớn thứ 7 trong danh sách hành tinh lùn, với sao Diêm Vương và Eris xếp hạng lớn nhất).

Các quan sát về Quaoar được thực hiện từ năm 2018 đến 2021 cho thấy hành tinh lùn này có một vành đai nằm cách xa nó hơn so với những gì các nhà khoa học trước đây có thể hình dung. Đó là lời khẳng định trong thông cáo báo chí từ Cơ quan Vũ trụ châu Âu sau khi họ sử dụng kính viễn vọng trên mặt đất và một thiết bị không gian mới là kính thiên văn Cheops để thu thập dữ liệu.

Dựa trên suy luận thông thường, thì tất cả vật chất tạo nên vành đai dày đặc của Quaoar lẽ ra phải ngưng tụ và tạo thành một mặt trăng nhỏ. Nhưng nó lại không như vậy.

Cơ quan Vũ trụ châu Âu nêu: “Kết quả ban đầu cho thấy nhiệt độ lạnh giá ở Quaoar có thể đóng vai trò ngăn chặn các hạt băng giá dính vào nhau nhưng cần phải tiến hành nhiều cuộc điều tra hơn nữa”.

Vượt quá giới hạn Roche

Trước khi có những quan sát mới này về Quaoar, phần lớn các nhà khoa học tin rằng các hành tinh không thể hình thành những vành ngoài một khoảng cách nhất định. Đó là một quy tắc cơ học áp dụng cho thiên thể, được chấp nhận rộng rãi rằng vật chất trên quỹ đạo quanh một hành tinh sẽ tạo thành một vật thể hình cầu (hay ta gọi là mặt trăng) nếu nó quay quanh một khoảng cách đủ xa so với hành tinh. Nhưng mặt trăng đó sẽ bị xé toạc nếu nó di chuyển gần hơn cái được gọi là “giới hạn Roche”, một điểm mà tại đó lực thủy triều của hành tinh sẽ mạnh hơn lực hấp dẫn giữ mặt trăng liền khối với nhau.

Ví dụ, tất cả các vành đai xung quanh sao Thổ đều nằm bên trong giới hạn Roche của hành tinh này. Tuy nhiên, điều khó hiểu về Quaoar là vành đai của nó nằm ngoài giới hạn Roche, trong khu vực mà đáng lý ra vật chất sẽ tạo thành mặt trăng.

Giovanni Bruno thuộc Đài quan sát vật lý thiên văn của INAF ở Catania, Ý khẳng định: “Theo kết quả quan sát của chúng tôi, quan niệm cổ điển cho rằng các vành đai dày đặc chỉ tồn tại bên trong giới hạn Roche của một thiên thể phải được sửa đổi triệt để”.

Làm thế nào để nghiên cứu một hành tinh lùn ở khoảng cách xa

Theo ESA, việc thu thập dữ liệu tiết lộ vành đai khó hiểu của Quaoar đã là một lý do để ăn mừng. Do kích thước nhỏ của hành tinh và khoảng cách từ Trái đất, các nhà nghiên cứu muốn quan sát nó bằng cách sử dụng phương pháp occultation (sự huyền bí). Ở phương pháp này, người ta quan sát một hành tinh bằng cách chờ cho nó được chiếu sáng ngược bởi một ngôi sao nào đó đủ độ sáng biểu kiến.

Theo ESA, đó có thể là một quá trình cực kỳ khó khăn vì kính thiên văn, hành tinh và ngôi sao đều phải thẳng hàng một cách hoàn hảo. Quan sát này được thực hiện nhờ những nỗ lực gần đây của cơ quan vũ trụ nhằm cung cấp một bản đồ chi tiết chưa từng có về các ngôi sao.

ESA cũng đã sử dụng kính thiên văn Cheops, được ra mắt vào năm 2019. Cheops thường nghiên cứu các ngoại hành tinh hoặc các thiên thể nằm bên ngoài hệ Mặt trời của chúng ta. Nhưng trong trường hợp này, nó đặt tầm quan sát vào mục tiêu gần hơn là Quaoar. Dù trong hệ Mặt trời nhưng quỹ đạo quay quanh tâm Mặt trời còn xa hơn cả sao Hải Vương vốn có quỹ đạo khoảng 44 AU (1 AU là khoảng cách trung bình giữa Trái đất với Mặt trời).

Isabella Pagano, Giám đốc Đài quan sát vật lý thiên văn Catania của INAF, cho biết: “Ban đầu, tôi hơi nghi ngờ về khả năng thực hiện điều này với kính Cheops. Nhưng nó đã hoạt động". Và theo ESA, quan sát của Cheops đánh dấu lần đầu tiên quan sát được một trong những hành tinh xa nhất trong hệ mặt trời của chúng ta bằng kính viễn vọng trong không gian.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã so sánh dữ liệu do Cheops thu thập với các quan sát của kính viễn vọng trên Trái đất, dẫn đến phát hiện đáng ngạc nhiên của họ.

Bruno Morgado, giáo sư tại Đại học Liên bang Rio de Janeiro ở Brazil, người đứng đầu cuộc phân tích, cho biết: “Khi chúng tôi kết hợp mọi thứ lại với nhau, chúng tôi thấy độ sáng giảm xuống không phải do Quaoar gây ra, mà điều đó chỉ ra sự hiện diện của vật chất trong quỹ đạo tròn xung quanh nó. Chúng tôi biết rằng đang nhìn thấy một vành đai xung quanh Quaoar".

Quaoar được nhà thiên văn học Chad Trujillo phát hiện vào ngày 5.6.2002, khi ông xác định nó trong các hình ảnh thu được từ kính viễn vọng Samuel Oschin tại Đài thiên văn Palomar đêm hôm trước. Phát hiện này đã được gửi đến Trung tâm Hành tinh nhỏ vào ngày 6.6, Trujillo và đồng nghiệp Michael Brown được ghi nhận cho khám phá này. Vào thời điểm khám phá, Quaoar nằm trong chòm sao Ophiuchus, với cường độ rõ ràng là 18,5. Phát hiện về nó đã được chính thức công bố tại một cuộc họp của Hiệp hội Thiên văn học Mỹ vào ngày 7.10.2002. 

Quaoar quay quanh quỹ đạo ở khoảng 43,7 đơn vị thiên văn (6,54 × 109km; 4,06 × 109mi) từ Mặt trời với chu kỳ quỹ đạo là 288,8 năm. Quaoar có độ lệch tâm quỹ đạo thấp là 0,0394, nghĩa là quỹ đạo của nó gần như tròn. Quỹ đạo của nó nghiêng vừa phải với hoàng đạo ở khoảng 8 độ, điển hình cho dân số của các vật thể vành đai Kuiper cổ điển nhỏ (KBO) nhưng đặc biệt trong số các KBO lớn. Quaoar không bị nhiễu loạn đáng kể bởi sao Hải Vương không giống như sao Diêm Vương, đó là cộng hưởng quỹ đạo 2: 3 với sao Hải Vương (sao Diêm Vương quay quanh Mặt trời 2 lần cho mỗi 3 quỹ đạo do sao Hải Vương hoàn thành). Quaoar là cơ quan lớn nhất được phân loại là cubewano, hoặc đối tượng vành đai Kuiper cổ điển, bởi cả Trung tâm Hành tinh nhỏ và khảo sát Deep Ecliptic (mặc dù hành tinh lùn Makemake, lớn hơn, cũng được phân loại là một khối). Quaoar thỉnh thoảng di chuyển gần Mặt trời hơn sao Diêm Vương, vì cách ngôn của sao Diêm Vương (khoảng cách xa nhất với Mặt trời) nằm ngoài và dưới quỹ đạo của Quaoar. Vào năm 2008, Quaoar chỉ cách sao Diêm Vương 14 AU, khiến nó trở thành vật thể lớn nhất gần nhất với sao Diêm Vương vào năm 2019. Thời gian quay của Quaoar là không chắc chắn, và hai chu kỳ quay có thể của Quaoar được đưa ra (8,64 tiếng đồng hồ hoặc 17,68 tiếng). Bắt nguồn từ các đường cong ánh sáng quay của Quaoar được quan sát vào tháng 3 đến tháng 6 năm 2003, thời gian quay của nó được đo là 17,6788 tiếng đồng hồ.

Suất phản chiếu hoặc phản chiếu của Quaoar có thể thấp tới 0,1, vẫn cao hơn nhiều so với ước tính thấp hơn 0,04 cho 20000 Varuna. Điều này có thể chỉ ra rằng băng tươi đã biến mất khỏi bề mặt của Quaoar. Bề mặt có màu đỏ vừa phải, có nghĩa là Quaoar có độ phản xạ tương đối nhiều hơn trong phổ màu đỏ và gần hồng ngoại so với màu xanh lam. Các đối tượng vành đai Kuiper Varuna và Ixion cũng có màu đỏ vừa phải trong lớp quang phổ. Các vật thể vành đai Kuiper lớn hơn thường sáng hơn nhiều vì chúng được bao phủ trong băng tươi hơn và có suất phản chiếu cao hơn, và do đó chúng có màu trung tính. Một mô hình sưởi ấm bên trong thông qua phân rã phóng xạ năm 2006 cho thấy, không giống như 90482 Orcus, Quaoar có thể không có khả năng duy trì một đại dương nước bên trong tại ranh giới lõi lớp phủ.