Lần đầu tiên phát hiện từ quyển bảo tồn sự sống bên ngoài hệ Mặt trời

Vành đai bức xạ là những cấu trúc từ tính hình vành khuyên bao bọc một hành tinh chứa đầy các electron và hạt tích điện năng lượng cực cao.

Được phát hiện lần đầu tiên xung quanh Trái đất vào năm 1958 với các vệ tinh Explorer 1 và 3, vành đai bức xạ có ở khắp nơi trong hệ Mặt trời: Tất cả các hành tinh có từ trường quy mô lớn —gồm Trái đất, sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương và sao Hải Vương – đều có chúng. Tuy nhiên trước giờ, không có vành đai bức xạ nào được quan sát rõ ràng bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta.

Phải đến hôm nay, một nhóm nhỏ các nhà thiên văn học, đứng đầu là Melodie Kao, trước đây thuộc Đại học Bang Arizona và hiện là Nghiên cứu tại Đại học California Santa Cruz, với sự cộng tác của cả Giáo sư Evgenya Shkolnik của Viện Khám phá Trái đất và Không gian của Mỹ, đã phát hiện ra vành đai bức xạ đầu tiên bên ngoài của hệ mặt trời của chúng ta. Kết quả được công bố trên tạp chí Nature hôm 15.5.

Khám phá được thực hiện xung quanh “sao lùn nâu” LSR J1835+3259, có kích thước tương đương sao Mộc nhưng đặc hơn rất nhiều. Nằm cách chòm sao Lyra chỉ 20 năm ánh sáng, nó không đủ nặng để trở thành một ngôi sao, nhưng lại thừa nặng để trở thành một hành tinh. Bởi vì các vành đai bức xạ trước đây chưa bao giờ được nhìn thấy rõ ràng bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta, nên chúng ta không biết liệu chúng có thể tồn tại xung quanh các vật thể khác như ngoại hành tinh hay không.

Giáo sư Evgenya Shkolnik, người đang nghiên cứu từ trường và khả năng sinh sống của các ngoại hành tinh trong nhiều năm, cho biết: “Đây là bước quan trọng đầu tiên trong việc tìm kiếm thêm nhiều vật thể như vậy và mài giũa kỹ năng của chúng tôi để tìm kiếm các từ quyển ngày càng nhỏ hơn, cuối cùng cho phép chúng tôi nghiên cứu các hành tinh có kích thước bằng Trái đất, có khả năng sinh sống được”.

Mặc dù vô hình với mắt người, nhưng vành đai bức xạ mà nhóm nghiên cứu này phát hiện là một cấu trúc khổng lồ. Đường kính ngoài của nó kéo dài ít nhất 18 đường kính sao Mộc và các vùng sáng nhất bên trong có kích thước bằng 9 lần đường kính sao Mộc (cần nhớ đường kính Mặt trời chỉ bằng 10 lần đường kính sao Mộc). Được tạo thành từ các hạt di chuyển gần tốc độ ánh sáng và phát sáng mạnh nhất ở bước sóng vô tuyến, vành đai bức xạ ngoài hệ Mặt trời mới được phát hiện này, có cường độ mạnh hơn gần 10 triệu lần so với sao Mộc. Đồng thời, bản thân nó cũng sáng hơn Trái đất hàng triệu lần và chứa nhiều hạt năng lượng nhất so với bất kỳ hành tinh nào trong hệ Mặt trời.

Nhóm nghiên cứu đã chụp được ba bức ảnh có độ phân giải cao về các electron phát xạ vô tuyến bị mắc kẹt trong từ quyển của sao lùn nâu LSR J1835+3259 trong vòng một năm bằng cách sử dụng một kỹ thuật quan sát trứ danh mà chúng ta đã dùng để chụp ảnh lỗ đen ở trung tâm dải Ngân hà.

Bằng cách phối hợp 39 đĩa vô tuyến trải dài từ Hawaii đến Đức để tạo ra một chiếc kính viễn vọng cỡ Trái đất, nhóm nghiên cứu đã giải quyết được môi trường từ tính động của sao lùn nâu, được gọi là “tầng từ”, để lần đầu tiên quan sát thấy từ quyền một vật thể bên ngoài hệ mặt trời. Họ thậm chí có thể nhìn thấy hình dạng của từ trường này đủ rõ ràng để suy luận rằng nó có khả năng là một từ trường lưỡng cực giống như của Trái đất và sao Mộc.

Giáo sư Jackie Villadsen của Đại học Bucknell thuộc nhóm nghiên cứu cho biết “Bằng cách kết hợp các đĩa vô tuyến từ khắp nơi trên thế giới, chúng tôi có thể tạo ra những hình ảnh có độ phân giải cực cao để nhìn thấy những thứ chưa ai từng thấy. Độ mạnh trong hệ thống quan sát của chúng tôi có thể so sánh với chiếc kính giúp một người đứng ở Washington D.C, đọc rõ hàng trên cùng của biểu đồ đo thị lực đặt tại California”.

Thực ra, nhóm của Kao trước đó đã có manh mối rằng họ sẽ tìm thấy một vành đai bức xạ xung quanh ngôi sao lùn nâu này. Vào thời điểm nhóm thực hiện các quan sát này vào năm 2021, các nhà thiên văn vô tuyến đã quan sát thấy sao lùn nâu LSR J1835+3259 phát ra hai loại phát xạ vô tuyến có thể phát hiện được. Bản thân Kao sáu năm trước, khi còn ở trong một nhóm nghiên cứu khác đã xác nhận rằng phát xạ vô tuyến nhấp nháy định kỳ của nó, tương tự như ngọn hải đăng, là cực quang ở tần số vô tuyến.

Nhưng sao lùn nâu LSR J1835+3259 cũng có phát xạ vô tuyến ổn định hơn và yếu hơn. Dữ liệu cho thấy những phát xạ mờ hơn này không thể đến từ các vệt sáng của sao và trên thực tế nó rất giống với các vành đai bức xạ của sao Mộc.

Phát hiện này của nhóm cho thấy hiện tượng như vậy có thể phổ biến hơn so với suy nghĩ ban đầu - xảy ra không chỉ trên các hành tinh mà còn trên các sao lùn nâu, các ngôi sao có khối lượng thấp và thậm chí có thể là các ngôi sao có khối lượng rất cao.

Vùng xung quanh từ trường của một hành tinh hay còn từ quyển —gồm cả từ trường của Trái đất, có thể bảo vệ bầu khí quyển và các bề mặt của hành tinh khỏi bị tàn phá bởi các hạt vi sóng của Mặt trời và vũ trụ.

Kao nói: “Khi chúng ta nghĩ về khả năng sinh sống của các ngoại hành tinh, vai trò của từ trường trong việc duy trì môi trường ổn định là điều cần xem xét bên cạnh những thứ như bầu khí quyển và khí hậu”.

Ngoài vành đai bức xạ đã được quan sát, nghiên cứu của nhóm Kao cho thấy sự khác biệt về “hình dạng” và vị trí không gian của cực quang (tương tự như cực quang của Trái đất) so với vành đai bức xạ từ một vật thể bên ngoài hệ Mặt trời của chúng ta.

Kao nói: “Cực quang có thể được dùng để đo cường độ từ trường, nhưng không đo được hình dạng. Chúng tôi đã thiết kế thí nghiệm này để giới thiệu một phương pháp đánh giá hình dạng của từ trường trên các sao lùn nâu và cuối cùng là các ngoại hành tinh.

Các tính chất cụ thể của mỗi vành đai bức xạ cho chúng ta biết điều gì đó về nguồn năng lượng, từ tính và hạt của hành tinh đó: nó quay nhanh như thế nào, từ trường của nó mạnh đến mức nào, nó ở gần sao mẹ đến mức nào, liệu nó có các mặt trăng có thể cung cấp nhiều hạt hơn không, hoặc liệu có các vành đai như kiểu sao Thổ sẽ hấp thụ chúng, v.v. Tôi rất vui mừng về ngày mà chúng ta có thể tìm hiểu về các ngoại hành tinh có từ quyển, đồng nghĩa với khả năng bảo tồn sự sống”.