Các nhà khoa học có thể đã săn được vệ tinh tự nhiên đầu tiên quay quanh một hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời - mặt trăng ngoại hệ (exomoon).

Hình vẽ minh hoạ ngoại hành tinh Kepler-1625b cùng với một mặt trăng giả thuyết to lớn. Hệ hành tinh - mặt trăng này có tỷ lệ bán kính và khối lượng tương đương với hệ Trái Đất - Mặt Trăng, nhưng ở quy mô lớn hơn 11 lần.  (Image: © Dan Durda)

Một nghiên cứu mới cho thấy, kính thiên văn không gian Kepler và Hubble của NASA đã chỉ ra bằng chứng của một mặt trăng cỡ Sao Hải Vương quay quanh một hành tinh cỡ Sao Mộc, Kepler-1625b, nằm cách Trái Đất khoảng 8000 năm ánh sáng.

"Chúng tôi đã cố gắng để loại trừ các khả năng khác như các bất thường kỹ thuật của kính thiên văn không gian Kepler, các hành tinh khác trong hệ hành tinh này, hay hoạt động của ngôi sao chủ, nhưng chúng tôi không thể tìm thấy bất kì giả thiết nào có thể giải thích tất cả các dữ liệu mà chúng tôi có", đồng tác giả, David Kipping, nhà thiên văn học tại Đại học Columbia, New York, trả lời phỏng vấn.

Tuy nhiên, ông và tác giả chính Alex Teachey, cũng là nhà thiên văn học tại Columbia, nhấn mạnh rằng các quan sát không hợp thành một phát hiện dứt khoát.

"Chúng tôi hy vọng sẽ quan sát ngôi sao lại lần nữa trong tương lai để khẳng định hoặc phủ định giả thuyết mặt trăng ngoại hệ. Và nếu được xác nhận, hệ hành tinh - mặt trăng, một hành tinh cỡ Sao Mộc với mặt trăng cỡ Sao Hải Vương, sẽ là một hệ đáng chú ý với những thuộc tính chưa từng được biết đến, theo nhiều cách lặp lại sự phát hiện bất ngờ của các "sao mộc nóng"* (Hot Jupiter) trong những ngày đầu săn tìm hành tinh. "

Săn tìm mặt trăng ngoại hệ

Những kết quả mới này đến từ một cuộc săn tìm mặt trăng ngoại hệ được tiến hành bởi Teachey và Kipping. Cả hai đã tiến hành sử dụng dữ liệu từ kính thiên văn không gian Kepler. Kepler đã giúp phát hiện khoảng 70% trong số 3800 hành tinh ngoại hệ cho đến nay, nhờ phương pháp "đi ngang qua đĩa sao" (transit method), bằng việc nhận thấy những sụt giảm nhỏ trong cường độ sáng của sao, xảy ra khi các hành tinh đi qua đĩa sao.

Các nghiên cứu trước đây đề xuất rằng những mặt trăng ngoại hệ lớn (nên dễ phát hiện) thường hiếm khi ở gần các hành tinh lớn quay quanh gần các ngôi sao. Những mặt trăng như vậy thường có khả năng biến mất trong quá trình hỗn loạn khi các hành tinh khổng lồ di chuyển lại gần ngôi sao sau khi hình thành.

Vì thế, Teachey và Kipping nghiên cứu các quan sát của Kepler về 284 hành tinh có quỹ đạo khá lớn - là những hành tinh có chu kỳ ít nhất là 30 ngày Trái Đất để đi hết một quỹ đạo. Và họ nhận thấy những sai lệch kì lạ trong đồ thị được tạo ra bởi sự "đi ngang qua đĩa sao" dài 19 giờ của Kepler-1625b, một hành tinh lớn gấp ba lần so với Sao Mộc quay quanh một ngôi sao to như Mặt Trời của chúng ta. (Vào năm 2017, các nhà nghiên cứu miễn cưỡng công bố phát hiện ra những điều kỳ quặc này trong ba lần chuyển tiếp mà Kepler quan sát được, sau khi chúng bị rò rỉ trên Twitter.)

Vì vậy, bộ đôi hành tinh - mặt trăng này được áp dụng để nghiên cứu với kính Hubble, và đã được trao 40 giờ quan sát với kính viễn vọng nổi tiếng này. Họ đã thành công trong việc quan sát một lượt đi ngang qua khác vào cuối tháng 10 năm 2017 - và đã thấy hai "bất thường đáng kể", theo Kipping.

"Đầu tiên là hành tinh này dường như đi ngang qua 1.25 giờ sớm hơn nhiều so với dự kiến; đó là dấu hiệu của một thứ gì đó có sức hút mạnh tác động vào hành tinh," ông nói. "Sự bất thường thứ hai là độ sáng của ngôi sao vẫn bị giảm thêm sau khi quá trình đi ngang qua của hành tinh đã kết thúc."

Một mặt trăng quay quanh Kepler-1625b là lời giải thích tốt nhất, Teachey và Kipping cho biết. Không có dấu hiệu nào của một hành tinh khác trong hệ có thể tác dụng lực hút lên Kepler-1625b, và lực hút mờ nhạt phù hợp với mặt trăng đang đi theo hành tinh khổng lồ trong quá trình đi ngang qua đĩa sao của nó.

Một vệ tinh rất lớn

Các quan sát của kính Kepler và Hubble, cùng với công việc mô hình hóa, cho thấy mặt trăng có kích thước bằng Neptune và bằng 1,5% khối lượng hành tinh Kepler-1625b. Con số thứ hai giải thích tại sao cả hai đều xem vật thể này là một vệ tinh, Teachey cho biết.

“Chúng tôi tính toán tỉ lệ khối lượng để xác định sự khác biệt giữa hệ gồm một hành tinh và một mặt trăng hoặc một hệ hành tinh đôi," ông nói. "Tôi sẽ gọi đó là mặt trăng, nhưng ở một mức độ nào đó tôi nghĩ rằng đây là một cái gì đó của ngữ nghĩa - những gì mọi người muốn định nghĩa là một hành tinh và mặt trăng hoặc một hệ hành tinh đôi."

Thực tế, tỉ lệ khối lượng này tương tự với tỉ lệ của hệ Trái Đất - Mặt Trăng của chúng ta - 1,2%.

Ứng viên mặt trăng ngoại hệ này có bán kính quỹ đạo khoảng 3 triệu km (1,9 triệu dặm) từ hành tinh chủ của nó - lớn hơn khoảng tám lần quỹ đạo của Mặt Trăng quanh Trái Đất. Nhưng bởi vì nó quá lớn, nên so với Kepler-1625b, mặt trăng ngoại hệ này sẽ gấp đôi Mặt Trăng của Trái Đất, Teachey và Kipping cho biết.

Các nhà thiên văn học biết về ba cơ chế chính hình thành mặt trăng: sự bắt giữ bởi trọng lực (dường như là trường hợp của Triton, mặt trăng lớn nhất của Sao Hải Vương); sự va chạm mạnh (như đã xảy ra với Mặt Trăng của Trái Đất, được hình thành từ vật liệu thổi vào không gian bởi một vụ va chạm từ lâu); và sự kết hợp của vật liệu từ một đĩa vật liệu bao quanh một hành tinh mới sinh.

Kipping cho biết các kịch bản sự bắt giữ bởi trọng lực là không hợp lý đối với một mặt trăng lớn như vậy. Vì vậy, các ứng cử viên có thể hợp nhất từ một đĩa hành tinh, như các vệ tinh Galilean lớn của Sao Mộc.

Kepler-1625b dường như chuyển động trong khu vực hỗ trợ sự sống của ngôi sao, ở khoảng cách vừa phải, nơi nước lỏng có thể ổn định trên bề mặt hành tinh. Nhưng mặt trăng quá lớn đến nỗi nó gần như chắc chắn là khí, không có bề mặt rõ ràng, Teachey cho biết.

Vì vậy, bạn có lẽ nên giảm bớt bất kỳ ý tưởng nào liên quan đến Pandora hoặc Endor có thể chạy qua đầu bạn, vì mặt trăng dường như không phải là một đặt cược tuyệt vời cho sự sống ngoài hành tinh (ít nhất là không phải sự sống "tiến bộ").

Và có một gợi ý khác cho câu chuyện sự sống. Mặc dù ngôi sao chủ của Kepler-1625b giống Mặt Trời, nó được cho là khoảng 10 tỷ năm tuổi - già gấp hai lần ngôi sao của Trái Đất. Vì vậy, trong vòng đời của một ngôi sao, nó đã đi xa hơn rất nhiều và do đó có lẽ nóng hơn một chút so với Mặt Trời.

Điều này làm tăng khả năng ứng viên mặt trăng ngoại hệ không thực sự lớn như nó có thể xuất hiện. Thay vào đó, nó có thể đã được thổi phồng ra tương đối bởi sự gia tăng của các bức xạ sao. Thật vậy, một số mô hình cho phép điều đó có thể xảy ra đối với một đối tượng có khối lượng nhỏ như Trái Đất, Teachey nói.

"Nhưng điều này thực sự là một chút suy đoán ở đây," ông nhấn mạnh. "Chúng ta không có bất kỳ bằng chứng nào để suy nghĩ trực tiếp, để chứng minh rằng đây là những gì đã xảy ra trong quá khứ của hành tinh này. Nhưng chắc chắn có những trò chơi thú vị mà bạn có thể chơi khi bạn thừa nhận rằng ngôi sao này đang ở giai đoạn chuyển tiếp này."

Tạm chấp nhận giả thuyết

Một lần nữa, mặt trăng đang được thảo luận ở đây vẫn là một ứng viên, chưa phải là một mặt trăng đã được xác nhận. Tuy nhiên, việc xác nhận có thể đến nhanh chóng với các quan sát sau này.
Thật vậy, nó có thể chỉ cần thêm một quan sát mà chỉ riêng mặt trăng đi ngang qua đĩa sao, một "sự kiện mặt trăng riêng biệt", Kipping nói.

"Nếu chúng ta thấy điều đó, thì tôi nghĩ chúng ta đã hoàn thành," ông nói. "Nếu chúng ta không nhìn thấy nó, thì có một tỉ lệ các mô hình của chúng ta thực sự cho phép điều đó vẫn xảy ra. Và nó sẽ phải đi từ đó. Thật khó để dự đoán chính xác dữ liệu sẽ cung cấp cho chúng ta cho đến khi chúng ta thực sự thấy nó trong kịch bản đó."

Ông và Teachey hy vọng sẽ có thêm các quan sát với Hubble. Các kính thiên văn trên mặt đất không phải là một lựa chọn, bởi vì vòng quay của Trái Đất khiến Kepler-1625b và ngôi sao của nó biến mất khỏi tầm nhìn trước khi quá trình đi ngang qua đĩa sao hoàn tất, Teachey giải thích.

Nghiên cứu mới này được đăng tải online trên tạp chí Science Advances ngày 03/10/2018.

Theo Space

Tham khảo

Author: Ngan K. Nguyen
Nghiên cứu sinh ngành Khoa học hành tinh tại Nhật Bản.