Hình ảnh của một nghệ sĩ về một exomoon giống như Trái đất quay quanh một hành tinh khí khổng lồ.
(Ảnh: © NASA / JPL-Caltech)
Mùa hè năm ngoái, các nhà khoa học tuyên bố rằng họ đã tìm thấy những gì có thể là mặt trăng đầu tiên được phát hiện bên ngoài hệ mặt trời. Nhưng nghiên cứu mới về sự tiến hóa của mặt trăng được cho là sự tồn tại của nó.
Nếu nó tồn tại, mặt trăng rất có thể là một vật thể lớn, có kích thước sao Hải Vương quay quanh một hành tinh khí khổng lồ thậm chí còn lớn hơn. Nhưng các hệ thống khó sử dụng hiểu được làm thế nào nó có thể đã hình thành, các nhà nghiên cứu đã nói.
Vào tháng 7 năm 2017, các nhà khoa học miễn cưỡng công bố phát hiện có thể về một exomoon. Một hành tinh ứng cử viên được xác định bởi kính viễn vọng Kepler của NASA đã tiết lộ những điểm nhỏ trong luồng ánh sáng từ ngôi sao của hành tinh, cho thấy khả năng của mặt trăng. Sau khi thợ săn exomoon David Kipping, thuộc Đại học Columbia ở New York, yêu cầu thời gian trên Kính viễn vọng Không gian Hubble để theo dõi các hoạt động bất thường, nhiều cơ quan truyền thông đã thăm dò nghiên cứu. Điều này đã khiến Alex Dạyey của Kipping và Columbia, nhà khoa học hàng đầu về khám phá tiềm năng, công bố khả năng nhìn thấy lần đầu tiên của một exomoon.
René Heller, nhà vật lý thiên văn tại Viện Max Planck ở Đức, đã có cơ hội phân tích độc lập dữ liệu Kepler. Ngoài việc trêu chọc một phạm vi kích thước cho mặt trăng tiềm năng, Kepler 1625 b-i, ông cũng khám phá các phương pháp hình thành có thể của nó. [Khám phá hành tinh ngoài hành tinh hấp dẫn nhất năm 2017]
"Thực tế, Kepler 1625 b-i thực tế không phải là ứng cử viên sáng giá cho một exomoon", Heller nói với Space.com qua email, chỉ ra rằng nhóm nghiên cứu ban đầu nói rằng dữ liệu của Kepler là mơ hồ. (Đó là lý do tại sao họ dự định theo dõi bằng Kính viễn vọng Không gian Hubble.) Một phần lớn vấn đề bắt nguồn từ việc ngôi sao mẹ ở cách Trái đất rất xa, có vẻ mờ, dẫn đến chất lượng dữ liệu kém, Heller nói.
"Điểm mấu chốt là Kepler 1625 b-i là một trong những ứng cử viên xuất sắc nhất cho đến nay, nhưng nó vẫn không phải là một ứng cử viên tốt," Heller nói.
"Một hệ mặt trời nhỏ"
Trong hệ mặt trời của Trái đất, các mặt trăng khá phổ biến; chỉ có sao Thủy và sao Kim không có vệ tinh đá hoặc băng giá. Trong khi hầu hết các mặt trăng của hệ mặt trời của chúng ta đều không thể sống được như chúng ta biết, thì ba mặt trăng có thể ở được. Sao Mộc của sao Mộc chứa một đại dương lỏng bên dưới lớp băng giá của mặt trăng. Xung quanh Sao Thổ, mặt trăng băng giá Enceladus cũng có một đại dương, trong khi Titan khói bụi có các hồ khí mêtan và ethane có thể cho phép một loại sự sống khác với Trái đất hình thành. Vì vậy, hành tinh duy nhất có thể ở được của hệ mặt trời (Trái đất) vượt trội so với các mặt trăng có thể ở được của hệ thống.
Điều đó có thể có nghĩa là tin tốt cho những người tìm kiếm sự sống trên mặt trăng xung quanh các ngôi sao khác. Ngay cả khi một vài hành tinh có khả năng lưu trữ sự sống như chúng ta biết, mặt trăng của chúng có thể trở nên có thể ở được, Heller nói.
"Về mặt thách thức, các mặt trăng dự kiến sẽ nhỏ hơn và nhẹ hơn đáng kể so với các hành tinh của chúng", Heller nói. "Đó đơn giản là những gì chúng ta học được từ các quan sát về các mặt trăng của hệ mặt trời."
Bởi vì các vật thể có khối lượng hoặc bán kính lớn hơn dễ dàng tìm thấy từ xa, nên chúng là các hành tinh hoặc mặt trăng, điều này khiến các vệ tinh tự nhiên khó phát hiện hơn, Heller nói.
Khi Kepler săn các hành tinh, nó làm như vậy bằng cách xem luồng ánh sáng từ một ngôi sao trong cái mà các nhà khoa học gọi là đường cong ánh sáng. (Kepler đã không nghiên cứu một ngôi sao cùng một lúc mà thay vào đó đã kiểm tra hàng ngàn ngôi sao cùng một lúc.) Khi một hành tinh di chuyển giữa ngôi sao và Trái đất, ánh sáng của ngôi sao mờ đi, cho phép các nhà nghiên cứu xác định kích thước của hành tinh. Các nhà nghiên cứu quan sát nhiều đường chuyền để xác định hành tinh mất bao lâu để quay quanh ngôi sao của nó.
Điều mà các nhà nghiên cứu ban đầu nhận thấy về một đối tượng, Kepler 1625 b, là nó có chứa một thứ yếu lạ. Heller đã sử dụng bộ dữ liệu có sẵn công khai từ Kepler để nghiên cứu ba lần di chuyển của một vật thể có kích thước sao Mộc di chuyển ngang qua ngôi sao, cùng với một số rung lắc có thể do mặt trăng quay quanh vật thể.
"Nếu và chỉ khi, những cái lắc lư bổ sung này thực sự bắt nguồn từ mặt trăng, thì có thể lấy được khối lượng và bán kính của cả hành tinh và mặt trăng từ động lực của hệ mặt trăng hành tinh có thể xuất phát từ đường cong ánh sáng , "Heller nói.
Heller xác định rằng vật thể to lớn này có thể là bất cứ thứ gì từ một hành tinh nặng hơn một chút so với Sao Thổ cho đến sao lùn nâu, một ngôi sao gần như không đủ lớn để đốt cháy nhiệt hạch trong lõi của nó, hoặc thậm chí là một ngôi sao có khối lượng rất thấp (VLMS) một phần mười khối lượng của mặt trời. Mặt trăng được đề xuất có thể bao gồm từ một vệ tinh khí khối Trái đất đến một người bạn đồng hành giữa đá và nước không có bầu khí quyển.
Heller kết luận rằng một sinh vật khổng lồ có khối lượng sao Hải Vương quanh một hành tinh khổng lồ hoặc sao lùn nâu có khối lượng thấp sẽ không phù hợp với mối quan hệ quy mô lớn được tìm thấy trong các mặt trăng của hệ mặt trời. Trong khi Trái đất và Sao Diêm Vương đều có các mặt trăng lớn so với kích thước của các hành tinh, những người khổng lồ về khí của hệ mặt trời có các mặt trăng gần bằng 0,01 đến 0,03% kích thước của các hành tinh, theo Phòng thí nghiệm Hành tinh Hành tinh tại Đại học Puerto Rico.
Các lý thuyết trước đây dự đoán rằng mối quan hệ này sẽ mở rộng ra các thế giới rộng lớn hơn, dường như loại trừ sự tồn tại của exomoon tiềm năng. Mặt khác, một sao Hải Vương nhỏ xung quanh một sao lùn nâu có khối lượng lớn hoặc một VLMS sẽ phù hợp hơn với tỷ lệ đó, Heller nói. [Mặt trăng làm bằng gì?]
"Nếu vật thể chuyển tiếp chính là một ngôi sao có khối lượng rất thấp và nếu người bạn đồng hành có kích cỡ sao Hải Vương của nó thực sự tồn tại, thì chúng ta sẽ thấy một hệ mặt trời nhỏ xíu quay quanh một ngôi sao giống như mặt trời ở khoảng cách trái đất với mặt trời . Đây sẽ là một cái gì đó của riêng mình! " Heller nói.
Ngay cả khi không có tiềm năng cho một exomoon có thể ở được, hệ mặt trời nhỏ bé có thể giúp các nhà khoa học hiểu được thế giới hình thành như thế nào, ông nói.
Heller nói: "Nếu [vật thể] chính là [sao lùn nâu] hoặc VLMS có bạn đồng hành lớn, thì đây sẽ là cây cầu hấp dẫn giữa sự hình thành hành tinh xung quanh các ngôi sao và sự hình thành mặt trăng quanh các hành tinh khổng lồ".
Heller đã đăng nghiên cứu của mình trên máy chủ in sẵn arXiv.
Sự ra đời của mặt trăng
Với ước tính về mặt trăng và hành tinh - hoặc ngôi sao - trong tay, Heller quyết định xem xét cách mặt trăng có thể hình thành.
"Các mặt trăng trong hệ mặt trời đóng vai trò là người theo dõi sự hình thành và tiến hóa của các hành tinh chủ của chúng", ông nói trong bài báo mới. "Do đó, có thể dự đoán rằng việc phát hiện các mặt trăng xung quanh các hành tinh ngoài hệ mặt trời có thể mang đến những hiểu biết mới về cơ bản về sự hình thành và tiến hóa của các ngoại hành tinh không thể có được chỉ bằng các quan sát ngoại hành tinh."
Nắm bắt được điều này, Heller đã áp dụng ba mô hình hình thành mặt trăng khác nhau trong hệ mặt trời cho exomoon tiềm năng mới.
Đầu tiên là mô hình tác động, mô tả cách các nhà khoa học nghĩ rằng mặt trăng của Trái đất hình thành. Khi một cơ thể lớn đâm sầm vào Trái đất hàng tỷ năm trước, các mảnh vỡ được khắc từ hành tinh này đã tạo ra một người bạn đồng hành mới. Theo Heller, một đặc điểm đặc biệt của mô hình này là tỷ lệ kích thước cao của các vệ tinh so với các hành tinh. Mặc dù kích thước lớn của mặt trăng được đề xuất so với vật chủ của nó sẽ phù hợp với tác động, ông bày tỏ lo ngại rằng khối lượng của hành tinh hoặc ngôi sao cao hơn nhiều so với bất kỳ hành tinh nào trong hệ mặt trời của Trái đất.
Trong mô hình thứ hai của sự hình thành mặt trăng, chúng phát triển từ khí và bụi còn sót lại sau khi hành tinh được sinh ra, và đây là cách mà hầu hết các mặt trăng của người khổng lồ khí được cho là đã hình thành. Tỷ lệ khối lượng quy mô giữ cho các mặt trăng nhỏ hơn nhiều so với các hành tinh của chúng là kết quả tự nhiên của sự hình thành mặt trăng xảy ra trong môi trường thiếu khí xung quanh một hành tinh đã hoàn thành, Heller viết trong bài báo. Mối quan hệ tương tự làm cho phương pháp hình thành này khó xảy ra, ông nói.
"Nếu bạn đồng hành xung quanh Kepler 1625 b có thể được xác nhận và cả hai vật thể có thể được xác nhận là vật thể khổng lồ khí, thì thật khó hiểu làm thế nào hai hành tinh khí này có thể hình thành thông qua một tác động khổng lồ hoặc bồi tụ tại chỗ tại quỹ đạo hiện tại của chúng xung quanh ngôi sao ", Heller viết.
Khả năng còn lại là thế giới xa xôi đã bắt được một vật thể có kích thước sao Hải Vương. Mặt trăng của sao Hải Vương, Triton và cả hai mặt trăng sao Hỏa được cho là đã hình thành theo cách này. Homom ban đầu có thể được hình thành với một người bạn đồng hành có kích thước Trái đất, trước khi bị kéo ra khỏi nó bởi trọng lực của vật thể lớn hơn, Heller nói. Ông xác định rằng việc bắt giữ một vật thể có khối lượng sao Hải Vương bằng Kepler 1625 b là có thể tại địa điểm hiện tại của hành tinh.
Tuy nhiên, trong khi nguyên tắc bắt như vậy là có thể, Heller nói với Space.com rằng ông cho rằng kịch bản này "rất khó xảy ra".
Và mặc dù các nhà khoa học hiện đang nắm giữ ba kịch bản hình thành mặt trăng khác nhau cho các hành tinh quanh mặt trời Trái đất, điều đó không có nghĩa là các vệ tinh tự nhiên không thể hình thành theo cách khác, Heller nói.
"Có thể hệ thống này thực sự được hình thành thông qua một cơ chế mà chúng ta chưa từng thấy trong hệ mặt trời", Heller nói.
Ông đề xuất một lý thuyết thay thế, tương tự như sự hình thành hành tinh khổng lồ, trong đó hai vật thể bắt đầu như một hệ thống nhị phân của các hành tinh đá. Cặp đôi có thể đã rút khí từ đĩa vật liệu còn sót lại, giống như quá trình các hành tinh khổng lồ hình thành, với hành tinh tương lai tiêu thụ nhiều khí hơn so với mặt trăng của nó. Ông cảnh báo rằng đây là suy đoán và hai đối tượng có thể không ổn định trong thời gian dài.
Tuy nhiên, nếu exomoon kích thước sao Hải Vương xung quanh Kepler 1625 b là có thật, hệ thống mới có thể cung cấp cái nhìn hấp dẫn về sự hình thành mặt trăng bên ngoài hệ mặt trời, Heller nói.
Dữ liệu Kepler không phải là nghiên cứu duy nhất có sẵn. Vào tháng 10, Dạy và Kipping đã xem xét hệ thống bằng Hubble. Kết quả từ những quan sát nên được công bố sớm.
Tuy nhiên, cho đến lúc đó, mọi thứ không có vẻ tốt cho exomoon tiềm năng.
"Yêu cầu đặc biệt của một exomoon không được hỗ trợ bởi bằng chứng phi thường cho nó," Heller nói.
