Các nhà thiên văn học liên tục thăm dò bầu trời vì những điều bất ngờ. Họ sẵn sàng nắm lấy những ý tưởng mới có thể thay thế sự khôn ngoan của những năm trước.
Nhưng có một ngoại lệ đối với quy tắc: tìm kiếm Trái đất 2.0. Ở đây chúng tôi không muốn tìm kiếm những điều bất ngờ, nhưng mong đợi. Chúng ta muốn tìm một hành tinh rất giống với hành tinh của chúng ta, chúng ta gần như có thể gọi nó là nhà.
Mặc dù, chúng ta không thể hình ảnh chính xác những hành tinh này với chi tiết đủ lớn để xem nếu một thế giới nước với những nền văn minh và cây cối xanh tươi, chúng ta có thể sử dụng các phương pháp gián tiếp để tìm ra một hành tinh giống Trái đất - một hành tinh có khối lượng tương tự và bán kính đến Trái đất.
Có một vấn đề duy nhất: các kỹ thuật hiện tại để đo khối lượng exoplanet có giới hạn. Cho đến nay, các nhà thiên văn học đo vận tốc hướng tâm - sự rung lắc nhỏ trong quỹ đạo của ngôi sao khi nó bị kéo bởi lực hấp dẫn của ngoại hành tinh của nó - để lấy được tỷ lệ khối lượng từ hành tinh đến sao.
Nhưng do hầu hết các ngoại hành tinh được phát hiện thông qua tín hiệu quá cảnh của chúng - ánh sáng khi một hành tinh đi qua phía trước ngôi sao chủ của nó - sẽ thật tuyệt nếu chúng ta có thể đo khối lượng của nó chỉ dựa trên phương pháp này? Vâng, các nhà thiên văn học tại MIT đã tìm ra một cách.
Sinh viên tốt nghiệp Julien de Wit và MacArthur Fellow Sara Seager đã phát triển một kỹ thuật mới để xác định khối lượng bằng cách sử dụng một tín hiệu quá cảnh exoplanet khác. Khi một hành tinh đi qua, ánh sáng sao Star đi qua một lớp mỏng của bầu khí quyển hành tinh, nó hấp thụ các bước sóng nhất định của ánh sáng ngôi sao. Một khi ánh sao tới Trái đất, nó sẽ được in dấu vân tay hóa học của thành phần khí quyển.
Cái gọi là phổ truyền cho phép các nhà thiên văn học nghiên cứu bầu khí quyển của những thế giới ngoài hành tinh này.
Nhưng đây là chìa khóa: một hành tinh to lớn hơn có thể giữ một bầu không khí dày hơn. Vì vậy, về mặt lý thuyết, khối lượng hành tinh có thể được đo dựa trên bầu khí quyển hoặc chỉ riêng phổ truyền.
Tất nhiên, có một mối tương quan 1-1 với nhau hoặc chúng ta sẽ tìm ra điều này từ lâu. Phạm vi khí quyển cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và trọng lượng của các phân tử. Hydrogen nhẹ đến nỗi nó trượt ra khỏi bầu khí quyển dễ dàng hơn so với oxy.
Vì vậy, de Wit đã làm việc từ một phương trình tiêu chuẩn mô tả chiều cao tỷ lệ - khoảng cách thẳng đứng mà áp suất của khí quyển giảm xuống. Mức độ giảm áp suất phụ thuộc vào nhiệt độ hành tinh, lực hấp dẫn của hành tinh (khối lượng a.k.a.) và mật độ khí quyển.
Theo đại số cơ bản: biết bất kỳ ba tham số nào trong số này sẽ cho phép chúng ta giải quyết lần thứ tư. Do đó, lực hấp dẫn hay khối lượng của hành tinh có thể được lấy từ nhiệt độ khí quyển, hồ sơ áp suất và mật độ - các thông số có thể thu được trong một phổ truyền.
Với công việc lý thuyết đằng sau họ, de Wit và Seager đã sử dụng Jupiter HD 189733b nóng bỏng, với khối lượng đã được thiết lập tốt, như một trường hợp nghiên cứu. Các tính toán của họ cho thấy cùng một phép đo khối lượng (gấp 1,15 lần khối lượng của Sao Mộc) so với phép đo vận tốc hướng tâm.
Kỹ thuật mới này sẽ có thể mô tả khối lượng ngoại hành tinh chỉ dựa trên dữ liệu chuyển tuyến của chúng. Trong khi các sao Mộc nóng vẫn là mục tiêu chính cho kỹ thuật mới, de Wit và Seager nhắm đến việc mô tả các hành tinh giống Trái đất trong tương lai gần. Với sự ra mắt của Kính viễn vọng Không gian James Webb dự kiến vào năm 2018, các nhà thiên văn học sẽ có thể có được khối lượng của các thế giới nhỏ hơn nhiều.
Bài viết đã được xuất bản trên Tạp chí Khoa học và hiện có sẵn để tải xuống ở dạng dài hơn nhiều ở đây.
