Phát hiện siêu Trái đất tiến hóa đến mật độ đậm đặc nhất trong lịch sử

Vật thể đỏ là siêu Trái đất K2-360 b đang bị kẹt giữa sao chủ K2-360 và người anh em K2-360 c

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ Nhật Bản và châu Âu đã phát hiện ra một hệ đa hành tinh mới quay quanh một ngôi sao giống Mặt trời. Trong số các hành tinh mới được tìm thấy có một hành tinh chu kỳ cực ngắn với một trong những mật độ cao nhất từng được ghi nhận. Phát hiện được công bố trên Scientific Reports, cung cấp kiến thức có giá trị về cách các hành tinh hình thành và tiến hóa trong điều kiện khắc nghiệt.

Phát hiện này có thể đóng vai trò là khuôn thước để nghiên cứu quá trình tiến hóa của các hệ hành tinh khác, bằng cách áp dụng các kỹ thuật mô hình hóa tương tự cho các khám phá về ngoại hành tinh trong tương lai.

Hệ thống mới được phát hiện, có tên là K2-360, nằm cách Trái đất khoảng 750 năm ánh sáng. Nó bao gồm hai hành tinh quay quanh một ngôi sao giống với Mặt trời của chúng ta:

K2-360 b: Một "siêu Trái đất" chu kỳ cực ngắn là một hành tinh đá lớn hơn Trái đất nhưng nhỏ hơn sao Hải Vương. Cụ thể, nó có kích thước gấp khoảng 1,6 lần Trái đất, quay quanh ngôi sao của nó sau mỗi 21 giờ. Với khối lượng gấp 7,7 lần Trái đất, đây là hành tinh có mật độ cô đặc nhất trong số các hành tinh cùng loại được phát hiện cho đến nay.

K2-360 c: Một hành tinh bên ngoài lớn hơn, có khối lượng lớn hơn Trái đất ít nhất 15 lần, quay quanh ngôi sao của nó sau mỗi 9,8 ngày. Hành tinh này chưa di chuyển qua ngôi sao của nó, vì vậy kích thước chính xác của nó vẫn chưa xác định được thông qua phép đo quá cảnh.

Một siêu Trái đất đã mất lớp phủ của nó

Mật độ cực lớn của K2-360 b cho thấy nó có thể là lõi bị tước bỏ của một hành tinh từng lớn hơn, đã mất các lớp bên ngoài do bức xạ mạnh từ ngôi sao chủ gần đó.

Đồng tác giả Davide Gandolfi từ Đại học Turin giải thích: “Hành tinh này cho chúng ta cái nhìn thoáng qua về số phận có thể xảy ra của một số hành tinh khi gần sao chủ, chúng chỉ còn lại lõi đá dày đặc sau hàng tỉ năm tiến hóa”.

Chìa khóa để hiểu hệ thống này là sự tương tác giữa hai hành tinh

Đồng tác giả Alessandro Alberto Trani, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Viện Niels Bohr cho biết: “Các mô hình động lực học của chúng tôi chỉ ra rằng K2-360 c có thể đã đẩy hành tinh bên trong vào quỹ đạo bị bó chặt như hiện tại của nó thông qua một quá trình gọi là di chuyển lệch tâm cao.

Điều này liên quan đến các tương tác hấp dẫn khiến quỹ đạo ban đầu của hành tinh bên trong bị ép theo hình elip, trước khi các lực thủy triều gần với ngôi sao dần dần làm tròn nó. Mặt khác, sự tròn hóa thủy triều có thể được gây ra bởi độ nghiêng trục quay của hành tinh”.

Viết về lịch sử hệ thống hành tinh bắt đầu bằng một dự đoán và kết thúc ở thông số hiện tại

Alessandro Trani đã tham gia vào việc tạo ra các mô hình động lực giúp giải thích quá trình tiến hóa của hệ thống hành tinh: “Khi xác định mục tiêu là hiểu nguồn gốc của hệ thống, chúng ta phải đánh giá cấu hình ban đầu của nó và sau đó xem các kịch bản được thiết lập nào phát triển tự nhiên thành những gì chúng ta quan sát thấy hiện nay.

Vì không phải tất cả các điều kiện ban đầu đều sẽ tái tạo hệ thống hiện tại, nên chúng tôi chạy nhiều mô phỏng trên một không gian tham số rộng. Từ kiến thức của về cơ chế tiến hóa chính (trong trường hợp này là di chuyển thủy triều), chúng tôi chọn điều kiện ban đầu nào để khám phá.

Cuối cùng, chúng tôi so sánh các đầu ra mô phỏng (ví dụ: các tham số quỹ đạo, khối lượng và quá trình tiến hóa theo thời gian của từng hành tinh) với dữ liệu quan sát từ các phương pháp vận tốc xuyên tâm và quá cảnh. Nếu hệ thống mô phỏng khớp với các phép đo thực tế và vẫn ổn định, điều đó củng cố thêm sự hiểu biết của chúng tôi rằng các điều kiện ban đầu và các quá trình vật lý này mô tả chính xác hệ thống hành tinh thực sự.

Theo cách này, chúng ta không chỉ có thể đặt ra ràng buộc đối với các thông số vốn chúng ta không thể đo lường mà còn có thể tập hợp một câu chuyện hoàn chỉnh: không chỉ các hành tinh "hiện tại" là gì mà còn có khả năng chúng đã tiến hóa theo thời gian như thế nào”.

Hệ thống hành tinh có thể được coi là một hộp công cụ

Theo Alessandro Trani, hệ thống hành tinh này là một phòng thí nghiệm đặc biệt vì một số lý do. Đầu tiên, chúng ta có thể quan sát K2-360b thông qua cả hai phép đo. Phép đo quá cảnh (phép đo được thực hiện khi hành tinh đi qua phía trước ngôi sao chủ để xác định kích thước và chu kỳ quỹ đạo của nó. Phép đo vận tốc xuyên tâm, giúp xác định lực kéo của lực hấp dẫn giữa hành tinh và ngôi sao, để từ đó có thể được thực hiện để xác định khối lượng của nó.

Những quan sát từ 2 phép đo cho chúng ta thông tin về khối lượng và kích thước để từ đó tính toán mật độ của hành tinh rồi suy rộng ra thành phần của nó. Hóa ra K2-360b là siêu Trái đất cực kỳ dày đặc này, giàu sắt, cho thấy nó có thể đã từng có bầu khí quyển dày đặc. Tuy nhiên, khí đã bị lực thủy triều và bức xạ của sao tước đi. Cuối cùng, những gì chúng ta thấy bây giờ có thể là lõi của hành tinh đã lộ ra.

Thứ hai, sự hiện diện của một hành tinh phía ngoài, K2-360c, cung cấp manh mối quan trọng về nhiều con đường hình thành và tiến hóa trong cùng một hệ thống. Chúng ta có thể kiểm tra các kịch bản di chuyển khác nhau và xem liệu chúng có khớp với quan sát hay không. Nếu không có sự tồn tại của K2-360c, chúng ta chỉ có thể đoán được K2-360b đã kết thúc số phận khi tiến rất gần ngôi sao chủ và hành trình di chuyển của nó sẽ vẫn còn phần lớn là bí ẩn.

Mở đường phát triển các công cụ mô hình hóa mới

Theo quan điểm mô hình hóa lý thuyết, kết quả của nhóm nghiên cứu cho thấy rằng chúng ta cần các mô hình di chuyển thủy triều thậm chí còn tinh vi hơn. Ví dụ, việc kết hợp quang bốc hơi—ánh sáng sao mạnh có thể làm mất đi bầu khí quyển của một hành tinh—vào các mô phỏng của nhóm nghiên cứu sẽ cho phép theo dõi những thay đổi về khối lượng và bán kính của một hành tinh theo thời gian.

Bằng cách hợp nhất các hiệu ứng này (thủy triều + bức xạ UV) thành một khuôn khổ duy nhất, chúng ta có thể có được cái nhìn rõ ràng hơn, chính xác hơn về cách các hành tinh như K2-360b tiến hóa. Và việc áp dụng các mô hình nâng cao này vào các khám phá hành tinh mới có thể tiết lộ liệu hiện tượng chúng ta quan sát thấy ở đây là phổ biến hay là hiếm có trong vũ trụ.

Anh Tú