Lần đầu tiên giải mã bí ẩn của hành tinh mồ côi

Trong vũ trụ bao la, tồn tại những "kẻ lữ hành" cô độc, bị hắt hủi khỏi quê hương và buộc phải lang thang vĩnh viễn trong bóng tối lạnh lẽo giữa các vì sao. Các nhà thiên văn học gọi chúng là những "hành tinh lang thang" (rogue planets) hay văn vẻ hơn là hành tinh mồ côi. Vốn dĩ vô hình và bí ẩn, những thế giới này luôn là thách thức lớn đối với khoa học.

Hành tinh dù nhỏ nhưng vẫn có khối lượng đủ để bẻ cong ánh sáng

Tuy nhiên, một bước đột phá vừa được thực hiện: Lần đầu tiên trong lịch sử, các nhà thiên văn học đã đo đạc chính xác khối lượng và khoảng cách của một hành tinh cô độc như vậy, nhờ vào sự phối hợp tuyệt vời giữa các đài quan sát trên mặt đất và một "con mắt" thần trên quỹ đạo.

Thám tử vũ trụ và "cú lừa" của ánh sáng

Để hiểu được mức độ khó khăn của khám phá này, hãy tưởng tượng bạn đang cố gắng tìm một hòn than đen trôi nổi giữa đại dương vào ban đêm. Những hành tinh lang thang này không tự phát sáng như các ngôi sao, cũng không phản chiếu ánh sáng từ ngôi sao chủ (vì chúng không có ngôi sao nào bên cạnh). Chúng nhỏ bé, lạnh lẽo và hoàn toàn chìm vào màn đêm vô tận của vũ trụ. Vì thế, kính viễn vọng thông thường gần như "mù" trước sự hiện diện của chúng.

Vậy các nhà khoa học làm thế nào để nhìn thấy cái vô hình? Họ sử dụng một hiện tượng vật lý thú vị được gọi là "thấu kính hấp dẫn vi mô". Hãy hình dung thế này: Khi hành tinh lang thang di chuyển, nếu nó vô tình đi ngang qua phía trước một ngôi sao sáng ở rất xa (đóng vai trò là nền), lực hấp dẫn của hành tinh sẽ bẻ cong không gian xung quanh nó. Lúc này, hành tinh hoạt động giống như một chiếc kính lúp khổng lồ, hội tụ và khuếch đại ánh sáng của ngôi sao nền kia lên trong một khoảnh khắc ngắn ngủi. Khi các nhà thiên văn thấy một ngôi sao tự nhiên sáng bừng lên rồi vụt tắt theo một quy luật cụ thể, họ biết rằng có một vật thể vừa lướt qua trước mặt nó.

Tuy nhiên, phương pháp này có một điểm yếu chí mạng. Khi bạn nhìn qua một chiếc kính lúp, bạn biết vật thể được phóng đại, nhưng rất khó để biết chiếc kính lúp đó đang nằm gần mắt bạn hay nằm gần vật thể kia. Trong thiên văn học cũng vậy, nếu chỉ nhìn thấy sự biến đổi ánh sáng, các nhà khoa học rất khó xác định hành tinh đó đang ở cách Trái Đất bao xa. Và nếu không biết khoảng cách, họ không thể tính toán chính xác khối lượng của nó. Một vật thể nhỏ ở gần cũng có thể gây ra hiệu ứng bẻ cong ánh sáng tương tự như một vật thể lớn ở xa. Đây là bài toán hóc búa đã làm đau đầu giới nghiên cứu suốt nhiều năm qua.

Nhưng lần này, may mắn đã mỉm cười với nhân loại. Năm vừa qua, một sự kiện thấu kính vi mô đã được phát hiện đồng thời bởi một mạng lưới các kính thiên văn mặt đất đặt tại Chile, Nam Phi và Úc. Điều đặc biệt là cùng lúc đó, Kính viễn vọng Không gian Gaia (dù đã nghỉ hưu nhưng dữ liệu vẫn còn giá trị) cũng đang quan sát bầu trời.

Sơ đồ về cách khám phá khoảng cách hành tinh mồ côi nhờ vị trí quan sát từ Trái Đất và Gaia

Đây chính là chìa khóa của vấn đề. Tại thời điểm đó, Gaia đang nằm cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km. Vị trí này mang lại cho Gaia một góc nhìn hơi khác so với các kính thiên văn trên mặt đất. Giống như việc bạn mở mắt trái rồi mở mắt phải, vật thể trước mặt dường như dịch chuyển một chút. Hiện tượng này gọi là "thị sai". Ánh sáng từ ngôi sao nền bị bẻ cong đã đến Gaia và Trái Đất vào những thời điểm hơi khác nhau.

Sự chênh lệch cực nhỏ về thời gian và góc nhìn này cho phép các nhà thiên văn áp dụng các công thức lượng giác (tương tự cách não bộ chúng ta cảm nhận chiều sâu nhờ có hai mắt) để tính toán chính xác khoảng cách đến hành tinh bí ẩn kia. Kết quả cho thấy, hành tinh này nằm cách Trái Đất khoảng 9.785 năm ánh sáng, hướng về phía trung tâm dải Ngân hà. Khi đã có khoảng cách, họ dễ dàng suy ra khối lượng: Hành tinh này nặng bằng khoảng 22% khối lượng của sao Mộc, tức là to hơn sao Thổ một chút nhưng nhỏ hơn "vua của các hành tinh" trong hệ Mặt Trời của chúng ta.

Số phận của những kẻ lưu vong và tương lai ngành thiên văn

Việc xác định được khối lượng và vị trí của hành tinh này không chỉ là một con số khô khan, mà nó kể cho chúng ta nghe một câu chuyện buồn về sự hình thành của vũ trụ. Với kích thước bằng khoảng 1/5 Sao Mộc, các nhà khoa học tin rằng hành tinh này không tự sinh ra trong cô độc. Rất có thể, thuở sơ khai, nó cũng được hình thành trong một đĩa bụi khí quanh một ngôi sao nào đó, giống như Trái Đất.

Tuy nhiên, vũ trụ là một nơi hỗn loạn. Trong quá trình hệ hành tinh đó hình thành, có thể hành tinh này đã tham gia vào một ván "bi-a hấp dẫn". Lực hút từ các hành tinh khổng lồ khác, hoặc sự đi ngang qua của một ngôi sao lạ, đã tạo ra một lực đẩy khủng khiếp, hất văng hành tinh tội nghiệp này ra khỏi quỹ đạo, tống nó vào không gian lạnh lẽo để trở thành kẻ lưu vong vĩnh viễn.

Phát hiện này có ý nghĩa cực kỳ quan trọng, mở ra một chương mới cho việc nghiên cứu các thiên thể tối. Gavin Coleman, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Queen Mary ở London, trong một bài viết liên quan, đã nhận định rằng kỹ thuật phối hợp giữa mặt đất và không gian này sẽ là "bảo bối" cho các sứ mệnh tương lai.

Đặc biệt, giới khoa học đang đặt nhiều kỳ vọng vào Kính viễn vọng Không gian Nancy Grace Roman, dự kiến được phóng vào năm 2027. "Siêu mắt thần" này sẽ có khả năng quét những vùng trời rộng lớn với tốc độ nhanh gấp 1.000 lần so với Kính viễn vọng Hubble huyền thoại.

Sự ra đời của Nancy Grace Roman, kết hợp với phương pháp đo lường vừa được kiểm chứng thành công này, hứa hẹn sẽ giúp chúng ta tìm thấy hàng ngàn, thậm chí hàng triệu hành tinh lang thang khác. Coleman nhấn mạnh: "Phát hiện này chứng minh rằng việc phối hợp quan sát có thể vượt qua những khó khăn trong việc xác định vị trí và khối lượng của các hành tinh lang thang, từ đó cải thiện hiểu biết của chúng ta về cách các hành tinh này hình thành."

Chúng ta đang dần nhận ra rằng, Hệ Mặt Trời ấm áp và trật tự của chúng ta có thể chỉ là một ốc đảo nhỏ. Ngoài kia, trong bóng tối bao la, có thể đang tồn tại một dân số khổng lồ những hành tinh cô đơn, trôi nổi lặng lẽ như những bóng ma. Và giờ đây, con người đã bắt đầu học được cách "bật đèn" để nhìn thấy chúng, từng chút một, ghép lại bức tranh toàn cảnh về ngôi nhà Ngân hà của chúng ta.

Bùi Tú