Lần đầu tiên tìm thấy hành tinh ngoại nhờ Einstein

Do sự tương đối mờ nhạt của chúng so với ngôi sao bố mẹ của chúng, đa số những hành tinh ngoại (exoplanet) được biết đã được khám phá ra bằng những phương pháp tìm kiếm gián tiếp – nghĩa là, phát hiện những hiệu ứng do chúng gây ra thay vì quan sát chúng trực tiếp. Có vô số phương pháp gián tiếp tỏ ra hữu ích trong việc tìm kiếm hành tinh ngoại và nay một phương pháp nữa, dựa trên thuyết tương đối hẹp Einstein, vừa khẳng định vị thế với việc khám phá ra một hành tinh ngoại có tên gọi là Kepler-76b.

Kể từ khi rời bệ phóng vào tháng 3 năm 2009, phi thuyền vũ trụ Kepler của NASA đã nhận dạng hơn 2.700 ứng cử viên hành tinh ngoại và đã xác nhận sự tồn tại của 122 hành tinh ngoại, sử dụng phương pháp ‘đi qua’. Phương pháp này tìm kiếm sự giảm độ sáng của một ngôi sao khi một hành tinh đi qua phía trước nó. Vì sự lu mờ đi này là rất ít, nên Kepler cần phải hết sức nhạy, và một đội khoa học ở trường Đại học Tel Eviv và Trung tâm Thiên văn Vật lí Harvard-Smithsonian (CfA) đã khai thác độ nhạy này để phát hiện ra Kepler-76b bằng một phương pháp khác.

Hình minh họa hành tinh Kepler-76b quay xung quanh ngôi sao chủ của nó, với lực hấp dẫn làm biến dạng ngôi sao của nó thành hình giống quả bóng đá hơi méo. Ảnh: David A. Aguilar, CfA

Lần đầu tiên được đề xuất vào năm 2003 bởi Avi Loeb và Scott Gaudi, kĩ thuật mới dựa trên lực hút hấp dẫn mà hành tinh tác dụng lên ngôi sao khi nó quay xung quanh ngôi sao. Lực hút này gây ra ba hiệu ứng có thể quan sát được. Thứ nhất, ngôi sao sáng lên khi nó bị kéo về phía chúng ta vì các photon từ ngôi sao đó chồng đè lên nhau và ánh sáng tập trung theo chiều chuyển động của ngôi sao do các hiệu ứng tương đối tính. (Ngược lại, khi bị hút ra xa chúng ta, thì ngôi sao mờ đi.)

Thứ hai, đội khoa học đã tìm kiếm một sự tăng độ sáng sẽ xảy ra khi hành tinh quay xung quanh hút ngôi sao về phía sao cho nó bị căng thành hình quả bóng đá. Sự tăng độ sáng này của ngôi sao xảy ra do có nhiều diện tích bề mặt được nhìn thấy hơn. Hiệu ứng thứ ba thì khó thấy hơn và đòi hỏi quan sát ánh sáng sao bị phản xạ bởi bản thân hành tinh đó.

Thuật toán dùng để nhận dạng Kepler-76b được phát triển bởi giáo sư Tsevi Mazeh và người học trò của ông, Simchon Faigler, tại trường Đại học Tel Aviv ở Israel, và được gọi là thuật toán BEER (relativistic BEaming, Ellipsoidal, and Reflection/emission modulations).

Sau khi nhận dạng, hành tinh mới đã được xác nhận bởi David Latham, một thành viên đội nghiên cứu thuộc CfA, sử dụng các quan sát vận tốc xuyên tâm (vận tốc theo hướng nhìn) thu thập bởi quang phổ kế TRES tại Đài thiên văn Whipple ở Arizona, Mĩ, và bởi Lev Tal-Or (ĐH Tel Aviv) sử dụng quang phổ kế SOPHIE tại Đài thiên văn Haute-Provence ở Pháp. Phương pháp vận tốc xuyên tâm hoạt động dựa trên việc quan sát các biến thiên do hiệu ứng Doppler khi ngôi sao chuyển động về phía Trái đất hoặc ra xa Trái đất do lực hấp dẫn của hành tinh quay xung quanh gây ra. Hành tinh mới cũng đã được xác nhận thêm bằng phương pháp đi qua.

Kepler-76b được đội nghiên cứu đặt tên là “hành tinh Einstein”, nó là một “Mộc tinh nóng” có đường kính lớn hơn khoảng 25% và khối lượng gấp đôi Mộc tinh quen thuộc của chúng ta. Nó nằm cách Trái đất khoảng 2.000 năm ánh sáng, và đang quay xung quanh một ngôi sao loại F trong chòm sao Cynus với chu kì 1,5 ngày. Vì một phía của nó luôn luôn hướng về phía ngôi sao, nên hành tinh này có nhiệt độ bề mặt khoảng 2000^oC.

Đội nghiên cứu tìm thấy rằng điểm nóng nhất trên Kepler-76b thật ra không phải là điểm gần ngôi sao nhất, mà là một điểm lệch khoảng 16.000 km. Đây là cái chỉ mới được quan sát thấy một lần trước đây và là một hàm ý mạnh mẽ rằng hành tinh có những dòng nhiệt cực nhanh mang nhiệt đi vòng khắp thiên thể.

Giống như mọi phương pháp khác, kĩ thuật tìm kiếm mới này có những ưu nhược điểm của nó. Về mặt hạn chế, người ta không thể sử dụng nó để phát hiện ra những hành tinh cỡ Trái đất với công nghệ hiện nay. Tuy nhiên, nó không đòi hỏi quang phổ chính xác cao như phương pháp vận tốc xuyên tâm, và không cần hành tinh đi qua phía trước ngôi sao khi nhìn từ phía Trái đất như trong phương pháp đi qua.

Khám phá của đội nghiên cứu sẽ được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal. Bản thảo đã có tại http://arxiv.org/abs/1304.6841.

Nguồn: Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Tel Aviv University