Cheops, kính viễn vọng không gian nghiên cứu ngoại hành tinh của ESA, đã phát hiện một ngoại hành tinh quay quanh ngôi sao chủ của nó chỉ trong vòng một ngày và có hình dạng biến dạng giống như một quả bóng bầu dục hơn là một hình cầu. Đây là lần đầu tiên sự biến dạng của một ngoại hành tinh được phát hiện, mang đến những hiểu biết mới về cấu trúc bên trong của những hành tinh “ôm sát sao” này.
Ngoại hành tinh này được gọi là WASP-103b nằm trong khu vực của chòm sao Hercules. Nó đã bị biến dạng bởi lực thủy triều mạnh giữa hành tinh và ngôi sao chủ của nó là WASP-103, nóng hơn hành tinh khoảng 200 độ và lớn hơn Mặt Trời 1,7 lần.
Hình 1. Cheops tiết lộ một ngoại hành tinh hình quả bóng bầu dục.
Lực kéo thủy triều
Chúng ta cảm nhận hiện tượng thủy triều trong các đại dương của Trái Đất chủ yếu do Mặt Trăng tác động lực kéo nhẹ lên hành tinh của chúng ta khi nó quay quanh Trái Đất. Mặt Trời cũng có ảnh hưởng nhỏ nhưng đáng kể đến thủy triều, thật may là Mặt Trời ở quá xa Trái Đất để có thể gây ra những biến dạng lớn cho hành tinh của chúng ta. Điều tương tự đã không thể xảy ra đối với WASP-103b, một hành tinh có kích thước gần gấp đôi Sao Mộc với khối lượng gấp rưỡi, quay quanh ngôi sao chủ của nó trong vòng chưa đầy một ngày. Các nhà thiên văn đã nghi ngờ rằng khoảng cách gần như vậy sẽ gây ra thủy triều lớn, nhưng cho đến nay họ vẫn chưa thể đo được.
Sử dụng dữ liệu mới từ kính viễn vọng không gian Cheops của ESA, kết hợp với dữ liệu đã thu được bởi Kính viễn vọng không gian Hubble của NASA / ESA và Kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA, các nhà thiên văn học hiện đã có thể phát hiện cách lực thủy triều làm biến dạng ngoại hành tinh WASP-103b từ một hình cầu thông thường thành hình quả bóng bầu dục.
Cheops đo các lần quá cảnh của ngoại hành tinh - tức là các lần giảm ánh sáng gây ra khi một hành tinh đi qua phía trước ngôi sao của nó từ hướng quan sát của chúng ta. Thông thường, nghiên cứu hình dạng của đường cong ánh sáng sẽ tiết lộ chi tiết về hành tinh, chẳng hạn như kích thước của nó. Độ chính xác cao của Cheops cùng với khả năng điều chỉnh tư thế linh hoạt của nó, cho phép vệ tinh quay trở lại mục tiêu và quan sát nhiều lần quá cảnh, qua đó cho phép các nhà thiên văn phát hiện tín hiệu nhỏ liên quan đến sự biến dạng thủy triều của WASP-103b. Dấu hiệu riêng biệt này có thể được sử dụng để tiết lộ nhiều hơn về hành tinh.
Jacques Laskar, thành viên Đài thiên văn Paris, Đại học Khoa học và Văn thư Paris, và các đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Thật không thể tin được rằng Cheops thực sự có thể phát hiện ra biến dạng nhỏ này. Đây là lần đầu tiên phân tích như vậy được thực hiện và chúng tôi có thể hy vọng rằng việc quan sát trong một khoảng thời gian dài hơn sẽ củng cố quan sát này và dẫn đến kiến thức tốt hơn về cấu trúc bên trong của hành tinh."
Hình 2. Hình vẽ minh họa về hành tinh WASP-103b và ngôi sao chủ của nó. Hành tinh căng phồng
Nhóm nghiên cứu đã có thể sử dụng đường cong ánh sáng quá cảnh của WASP-103b để lấy ra một tham số - gọi là số Yêu (Love number) - để đo lường cách phân bố khối lượng trong một hành tinh. Hiểu cách phân bố khối lượng có thể tiết lộ chi tiết về cấu trúc bên trong của hành tinh đó.
Susana Barros, thành viên viện nghiên cứu Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço và Đại học Porto, Bồ Đào Nha, tác giả chính của nghiên cứu giải thích: “Khả năng chống biến dạng của một vật liệu phụ thuộc vào thành phần của nó. Ví dụ, ở đây trên Trái Đất, chúng ta có thủy triều do Mặt Trăng và Mặt Trời nhưng chúng ta chỉ có thể nhìn thấy thủy triều trong các đại dương. Phần đất đá không di chuyển nhiều như vậy. Bằng cách đo lường mức độ biến dạng của hành tinh, chúng ta có thể biết được nó là đá, khí hay nước."
Số Yêu của WASP-103b tương tự như Sao Mộc, điều này dự kiến cho thấy rằng cấu trúc bên trong là tương tự, mặc dù WASP-103b có bán kính gấp đôi.
Susana cho biết: “Về nguyên tắc, một hành tinh có khối lượng gấp 1,5 lần Sao Mộc thì kỳ vọng sẽ có cùng kích thước với Sao Mộc, vì vậy, với kích thước gần gấp đôi Sao Mộc, WASP-103b phải rất căng do sự đốt nóng từ ngôi sao của nó và có thể còn do các cơ chế khác,” Susana nói.
“Nếu chúng tôi có thể xác nhận các chi tiết về cấu trúc bên trong của nó với các quan sát trong tương lai, có lẽ chúng tôi có thể hiểu rõ hơn điều gì khiến nó bị thổi phồng như vậy. Biết được kích thước của lõi của ngoại hành tinh này cũng sẽ rất quan trọng để hiểu rõ hơn về cách nó hình thành ”.
Vì yếu tố không chắc chắn trong con số Yêu vẫn còn khá cao, sẽ cần những quan sát trong tương lai với Cheops và Kính viễn vọng Không gian James Webb (Webb) để giải mã chi tiết. Độ chính xác cực cao của Webb sẽ cải thiện các phép đo biến dạng thủy triều của các ngoại hành tinh, cho phép so sánh tốt hơn giữa những hành tinh được gọi là “Sao Mộc nóng” này và các hành tinh khổng lồ trong Hệ Mặt Trời.
Chuyển động bí ẩn
Một bí ẩn khác cũng xoay quanh WASP-103b. Tương tác thủy triều giữa một ngôi sao và một hành tinh có kích thước rất gần sao Mộc thường sẽ làm cho chu kỳ quỹ đạo của hành tinh này ngắn lại, đưa nó dần dần đến gần ngôi sao trước khi hành tinh cuối cùng bị nhấn chìm bởi ngôi sao mẹ. Tuy nhiên, các phép đo của WASP-103b dường như chỉ ra rằng chu kỳ quỹ đạo có thể đang tăng lên và hành tinh đang trôi dần ra khỏi ngôi sao. Điều này chỉ ra rằng thứ gì đó không phải lực thủy triều là yếu tố chi phối ảnh hưởng đến hành tinh này.
Susana và các đồng nghiệp của cô đã xem xét các kịch bản tiềm năng khác, chẳng hạn như có thể đang có một ngôi sao đồng hành với sao chủ ảnh hưởng đến động lực học của hệ thống hoặc khiến quỹ đạo của hành tinh hơi dẹt hình elip. Họ không thể xác nhận những tình huống này, nhưng cũng không thể loại trừ chúng. Cũng có thể chu kỳ quỹ đạo thực sự đang giảm chứ không phải tăng lên, nhưng chỉ khi có thêm những quan sát bổ sung về quá trình chuyển động của WASP-103b với Cheops và các kính thiên văn khác mới giúp làm sáng tỏ bí ẩn này.
“Kích thước của tác động của biến dạng thủy triều lên đường cong ánh sáng quá cảnh của ngoại hành tinh là rất nhỏ, nhưng nhờ độ chính xác rất cao của Cheops nên chúng tôi lần đầu tiên có thể thấy điều này. Nghiên cứu này là một ví dụ tuyệt vời về những câu hỏi rất đa dạng mà các nhà khoa học ngoài hành tinh có thể giải quyết với Cheops, minh họa tầm quan trọng của sứ mệnh tiếp theo linh hoạt này.” Kate Isaak, nhà khoa học Dự án của ESA, cho biết.
Nghiên cứu ‘Cheops tiết lộ biến dạng thủy triều của WASP-103b’ bởi S.C.C. Barros và cộng sự (2021) được công bố trên tạp chí Astronomy & Astrophysics. DOI: https://www.aanda.org/10.1051/0004-6361/202142196
Thông tin thêm về Cheops
Cheops là một sứ mệnh của ESA được phát triển với sự hợp tác của Thụy Sĩ, với một tập đoàn chuyên dụng do Đại học Bern dẫn đầu, và với sự đóng góp quan trọng từ Áo, Bỉ, Pháp, Đức, Hungary, Ý, Bồ Đào Nha, Tây Ban Nha, Thụy Điển và Anh.
ESA là kiến trúc sư nhiệm vụ của Cheops, chịu trách nhiệm mua sắm và thử nghiệm vệ tinh, giai đoạn phóng và hoạt động ban đầu, và vận hành trên quỹ đạo, cũng như Chương trình Quan sát Khách mà qua đó các nhà khoa học trên toàn thế giới có thể áp dụng để quan sát với Cheops. Các nhà tài trợ gồm 11 Quốc gia Thành viên ESA do Thụy Sĩ dẫn đầu đã cung cấp các yếu tố cần thiết cho sứ mệnh. Nhà thầu chính thiết kế và xây dựng tàu vũ trụ là Airbus Defense and Space ở Madrid, Tây Ban Nha.
Các nhà tài trợ có sứ mệnh Cheops điều hành Trung tâm Điều hành Nhiệm vụ đặt tại INTA, ở Torrejón de Ardoz gần Madrid, Tây Ban Nha, và Trung tâm Điều hành Khoa học đặt tại Đại học Geneva, Thụy Sĩ.
Để biết thêm thông tin, hãy truy cập: https://www.esa.int/Cheops
