Tín dụng hình ảnh: John Rowe
Việc tìm kiếm các hành tinh giống Trái đất bắt đầu bằng việc tìm kiếm các ngôi sao Mặt trời. Nhà thiên văn học Maggie Turnbull được yêu cầu lập một danh sách ngắn gồm ba mươi ngôi sao ứng cử viên phù hợp với Mặt trời của chúng ta trong tổng số 2.350 ngôi sao cách chúng ta trong vòng một trăm năm ánh sáng. Danh sách ngắn này, bao gồm 37 Gem sẽ được sử dụng bởi nhiệm vụ Tìm kiếm hành tinh trên mặt đất, sẽ tìm kiếm các hành tinh có thể ở được bằng cách tìm kiếm ánh sáng có thể nhìn thấy của oxy hoặc nước trong một hành tinh giống Trái đất - một dấu hiệu chắc chắn của sự sống.
Ngôi sao dài nhất thứ ba mươi bảy trong chòm sao Song Tử, là một ngôi sao màu vàng cam giống như mặt trời của chúng ta. Ngôi sao được gọi là 37 Geminorum, nhưng đối với nhà vật lý thiên văn Margaret Turnbull, ngôi sao này đặc biệt bởi vì nó cung cấp một nghiên cứu trường hợp để xem xét những gì có thể đủ điều kiện là một ứng cử viên tốt để chứa chấp các hành tinh có thể ở được.
Khi xây dựng danh sách các ngôi sao có thể hỗ trợ các hành tinh bằng nước và oxy lỏng, cô phải loại trừ các mặt trời cực đoan: quá trẻ hoặc quá già, quay quá nhanh hoặc có thể thay đổi đủ độ sáng để gây ra hỗn loạn khí hậu thế giới gần đó.
Ở khoảng cách 56,3 năm ánh sáng, ngôi sao 37 Gem vẫn chưa cho thấy dấu hiệu rõ ràng về việc có các hành tinh như vậy, hoặc bất kỳ hành tinh nào, nhưng các kính viễn vọng của NASA và châu Âu trong tương lai đang nhắm vào các ngôi sao giống như 37 Gem vì chúng có thể chia sẻ một số tính chất tương tự làm cho hệ mặt trời của chúng ta có thể ở được. Cho đến nay, hơn 100 hành tinh ngoài hệ mặt trời đã được tìm thấy bằng cách sử dụng kính viễn vọng trên mặt đất và ước tính tổng số hành tinh như vậy trong thiên hà của chúng ta có thể tổng cộng trong hàng tỷ thế giới ứng cử viên.
Làm việc tại Đại học Arizona ở Tucson, Maggie Turnbull được yêu cầu lập một danh sách ngắn gồm ba mươi ứng viên ngôi sao gần giống với các mặt trời khác có khả năng hỗ trợ các điều kiện cho cuộc sống phát triển. Bắt đầu tìm kiếm giữa các ngôi sao cách chúng ta chưa đầy một trăm năm ánh sáng mang lại khoảng 2.350 sao để xem xét thêm.
Turnbull gần đây đã trình bày kết quả của mình cho một nhóm các nhà khoa học từ dự án kính viễn vọng không gian của NASA, Công cụ tìm kiếm hành tinh mặt đất (TPF), sẽ tìm kiếm các hành tinh có thể ở được bằng cách sử dụng ánh sáng có thể nhìn thấy bằng chữ ký của nước và / hoặc oxy từ Trái đất- loại hành tinh. Sau khi TPF lên kế hoạch ra mắt vào khoảng năm 2013, sẽ theo dự án Darwin châu Âu liên quan đến sáu kính viễn vọng không gian.
Danh sách sao đã được giảm xuống từ một danh sách thậm chí còn lớn hơn (17.129 sao trong vòng 450 năm ánh sáng, hoặc 140 phân tích cú pháp), mà Turnbull và cố vấn Jill Tarter của Viện SETI công bố lần đầu tiên trên Tạp chí Vật lý học. Danh sách này được biết đến như là Danh mục các Hệ thống Stellar có thể sống gần đó (hay HabCat). Bài báo của họ được xuất bản vào tháng 8, có tiêu đề Lựa chọn mục tiêu cho SETI: I. Một danh mục các Hệ thống Stellar có thể sống gần đó, đã mở rộng danh sách ứng cử viên trước đó gần gấp mười lần, hoặc theo thứ tự.
Để hỗ trợ cuộc sống phức tạp, một ngôi sao ứng cử viên phải có màu sắc, độ sáng và độ tuổi phù hợp. Nếu nó là một ngôi sao trung niên như của chúng ta, nó sẽ đốt cháy đủ các nguyên tố ánh sáng hợp nhất để tạo ra các kim loại nặng hơn như sắt, nhưng không quá già đến nỗi nó sụp đổ hoặc quá trẻ đến nỗi cuộc sống chỉ là một viễn cảnh tương lai xa. Dựa trên những mảnh vỡ mà chúng ta biết về sự sống phức tạp xuất hiện trên Trái đất như thế nào, tìm kiếm Turnbull, nhằm mục đích tìm ra ‘Goldilocks của các ngôi sao có vẻ như’ vừa phải.
Vậy tại sao 37 Gem?
37 Geminorum nằm ở phía tây bắc của chòm sao Song Tử, được đặt theo tên của cặp song sinh. Đối với các nhà thiên văn nghiệp dư có kính viễn vọng sân sau tốt, có thể nhìn thấy 37 Gem. Trong thần thoại Hy Lạp, cặp song sinh Song Tử đi thuyền với Jason trong nhiệm vụ tìm kiếm Lông cừu vàng; trong một cơn bão, cặp song sinh đã giúp cứu con tàu ARGO của họ khỏi bị chìm, và vì thế chòm sao này trở nên được các thủy thủ đánh giá cao.
Hầu hết các ngôi sao như Gem 37 được nhóm thành một số lượng nhỏ các lớp quang phổ, dựa trên màu sắc ánh sáng mà chúng phát ra. Được gọi là Danh mục Henry Draper, bản tóm tắt ngôi sao liệt kê các lớp quang phổ theo bảy loại lớn, từ những ngôi sao nóng nhất đến những ngôi sao tuyệt nhất. Các loại này được chỉ định, theo thứ tự nhiệt độ giảm, bởi các chữ cái O, B, A, F, G, K và M. Danh pháp bắt nguồn từ những ý tưởng lỗi thời về sự tiến hóa của sao, nhưng thuật ngữ vẫn còn. Mặt trời của chúng ta, được phân loại ở quy mô nhỏ hơn như một sao lùn ‘G2V, điển hình, khoảng 4,5 tỷ năm tuổi. Ngôi sao ứng cử viên, 37 Gem, cũng ở độ tuổi trung niên tương tự, nhưng có phần già hơn một tỷ năm, ở mức 5,5 tỷ năm.
Quang phổ của các ngôi sao loại G như của chúng ta (và 37 Đá quý) bị chi phối bởi các nguyên tố hóa học nhất định, được báo hiệu bởi các vạch quang phổ đặc trưng (hoặc khí thải) của chúng. Các yếu tố được quan tâm nhất hiện nay là kim loại, đặc biệt đối với những chữ ký ngôi sao giàu chất sắt, canxi, natri, magiê và titan. Về mặt thiên văn học, so với phân loại mặt trời của chúng ta là một sao lùn G2V điển hình, 37 Gem có nhiệt độ bề mặt nóng hơn một chút. Do đó, Turnbull sườn chọn tướng 37 Đá quý được xếp vào danh mục sao lùn G0V có nghĩa là nó cũng là một ngôi sao lùn có trình tự chính màu vàng cam. Bởi vì các sao G được đặc trưng bởi sự hiện diện của các vạch kim loại này và quang phổ hydro yếu, chúng có chung tuổi, khối lượng và độ chói.
Mặt khác, 37 Gem gần với sinh đôi năng lượng mặt trời của chúng ta, hoặc một đối tác giống như Song Tử với Mặt trời: 1,1 lần khối lượng mặt trời của chúng ta, gấp 1,03 lần đường kính và gấp 1,25 lần độ sáng của nó.
Độ sáng có lẽ là thông tin quan trọng nhất, Turnbull nói với Tạp chí Astrobiology, chúng tôi sử dụng để xác định khả năng cư trú của các ngôi sao gần đó vì cuộc sống phức tạp, bởi vì độ sáng chỉ ra giai đoạn nào của sự sống, và điều đó quyết định thời gian của ngôi sao đó là bao lâu sao sẽ ổn định.
Tạp chí Astrobiology đã có cơ hội nói chuyện với Maggie Turnbull tại Đài thiên văn Steward ở Tucson về cách chọn các ứng cử viên xuất sắc cho môi trường sống.
Tạp chí sinh học (AM): Cuộc khảo sát gần đây của bạn bắt đầu nhìn vào khoảng 100 năm ánh sáng từ Mặt trời của chúng ta và tất cả các ngôi sao hướng vào từ bán kính đó, đúng không? Đó là lĩnh vực hình ảnh để bắt đầu tìm kiếm?
Margaret Turnbull (MT): Có khoảng 2.350 ngôi sao Hipparcos trong vòng 30 Parsec (90 ánh sáng
năm), khoảng cách tối đa cho nhiệm vụ Tìm kiếm hành tinh trên mặt đất (TPF). Có khoảng 5.000 ngôi sao trong khoảng cách đó, nhưng chúng tôi chỉ nhìn vào các ngôi sao Hipparcos nên danh sách bắt đầu của tôi dài 2.350 sao.
LÀ: Bạn đã bao giờ cầm kính viễn vọng ở sân sau để nhìn thấy 37 Gem chưa?
MT: Nó chắc chắn có thể nhìn thấy được bằng kính viễn vọng sân sau, nhưng không, tôi đã nhìn vào nó bằng chính mắt mình! Bởi vì trắc quang (đo độ sáng của nó) và quang phổ (đo thành phần của nó) tôi đã xem xét, tôi cảm thấy như tôi biết về nó mà không bao giờ nhìn thấy nó.
Tuy nhiên, có nhiều quan sát được thực hiện cho 37 Gem. Ví dụ, chúng ta cần phải thực hiện hình ảnh hồng ngoại có độ phân giải cao của ngôi sao này trước khi chúng ta có thể nói nó phải là mục tiêu nếu chúng ta phát hiện ra rằng có rất nhiều mảnh vỡ trôi nổi, chúng ta sẽ phải loại nó ra khỏi danh sách.
LÀ: Là ngôi sao, 37 Gem, khác nhiều so với số hai trong danh sách ba mươi ứng cử viên tốt nhất?
MT: Trên thực tế, các ngôi sao tốt nhất của Keith rất giống nhau và trên thực tế, điều đó không có ý nghĩa gì khi cố gắng xếp hạng chúng. 37 Gem tình cờ là một trong những ngôi sao gần nhất cũng đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật, vì vậy tại thời điểm này, nó có vẻ như là một ứng cử viên rất tốt cho tìm kiếm TPF.
LÀ: Chỉ vì tò mò, ngôi sao nào đã chính thức đứng thứ hai trong danh sách?
MT: Khi bạn chỉ nhìn vào ba mươi ngôi sao, tất cả đều tốt hơn là số một. Đó là, mỗi ngôi sao chúng ta quan sát phải được quan tâm hàng đầu cho nhiệm vụ, bởi vì chúng ta không có thời gian để lãng phí. Chúng tôi vẫn đang trong quá trình xác định chính xác mục tiêu nhiệm vụ chính.
Nếu mục tiêu là nhìn vào phạm vi các loại quang phổ, thì các ngôi sao hàng đầu có thể bao gồm các ngôi sao K hoặc M rất gần đó, nhưng nếu mục tiêu là nhìn vào 30 ngôi sao giống Mặt trời nhất, thì các ngôi sao như 18 Sco (một mặt trời sinh đôi ở 14 phân tích trong Chòm sao Bọ cạp), beta CVn (con chó săn hung dữ) hoặc 51 Peg (con ngựa vằn, con ngựa bay) cuối cùng có thể là cược tốt nhất của chúng tôi.
LÀ: Có một hoặc hai mẩu dữ liệu bị thiếu sẽ giúp việc phân loại trau dồi tốt hơn đối với các ứng cử viên ngôi sao?
MT: Tại thời điểm này, hình ảnh hồng ngoại độ phân giải cao là phần dữ liệu còn thiếu mà chúng tôi chắc chắn cần. Chúng ta cần biết liệu những ngôi sao này có những mảnh vụn bụi bặm sẽ khiến việc phát hiện các hành tinh quay quanh đó rất khó khăn.
Mặt trời có lượng bụi hoàng đạo đáng kể vì sao Mộc liên tục khuấy động vành đai tiểu hành tinh và khi các tiểu hành tinh va chạm vào nhau, chúng sẽ thêm bụi vào Hệ mặt trời.
Một mức độ bụi tương tự xung quanh các ngôi sao khác có thể không phá hỏng cơ hội nhìn thấy các hành tinh của chúng ta, nhưng chúng tôi chắc chắn muốn giữ điều đó ở mức tối thiểu.
LÀ: Kế hoạch tương lai của bạn cho danh sách sao để hỗ trợ cho các nhiệm vụ tìm kiếm hành tinh trên mặt đất và các nhiệm vụ của Darwin là gì?
MT: Tôi đã đặt ra một danh sách cuối cùng của mình cho nhóm làm việc khoa học TPF vào ngày 18 và 19 tháng 11 tại Đài thiên văn Hải quân Hoa Kỳ, trong một cuộc họp với những người khác đang tạo ra danh sách của riêng họ.
Tôi đã trình bày phương pháp của mình cho nhóm, nhưng bây giờ chúng tôi sẽ gặp các kỹ sư, người sẽ giải thích cho chúng tôi các hạn chế của công cụ và chúng tôi sẽ phải tinh chỉnh thêm danh sách để phù hợp với tiêu chí của họ.
Các tiêu chí của họ sẽ bao gồm những thứ như: có thể có một ngôi sao đồng hành trong vòng vài giây cung ngay cả khi bạn đồng hành không phải là mối quan tâm đối với sự ổn định của hành tinh, bởi vì ánh sáng thêm sẽ làm ô nhiễm trường nhìn; Có thể nhìn vào các ngôi sao mờ hơn khoảng 6 độ; chỉ có thể nhìn các ngôi sao cách Mặt trời ít nhất ~ 60 độ trong cả năm, v.v.
LÀ: Bạn đã xuất bản danh mục đầu tiên của bạn về các ngôi sao có thể ở được vào tháng 8 năm nay, và có một phần hai để phân loại. Các kế hoạch chính cho Phần II của HabCat là gì?
MT: Jill Tarter và tôi gần đây đã gửi một bài báo thứ hai trong danh sách mục tiêu của SETI sẽ xuất hiện trong Tạp chí Vật lý thiên văn vào tháng 12. Bài viết này đưa ra một danh sách các cụm mở cũ, có tính kim loại cao, 100 sao gần nhất bất kể loại sao và khoảng 250.000 sao chính từ Danh mục Tycho, tất cả sẽ được quan sát bởi Mảng Kính viễn vọng Allen (ATA) mỗi khi HabCat ngôi sao không có sẵn để chúng ta quan sát.
Chùm tia ATA chính sẽ được các nhà thiên văn vô tuyến chỉ ra và họ sẽ tạo ra các bản đồ có độ phân giải rất cao cho các mục tiêu của riêng mình, đồng thời chúng ta sẽ quan sát các ngôi sao HabCat (hoặc các ngôi sao trong danh sách của chúng ta trong Bài 2) cho SETI.
LÀ: Cuối cùng, các nhiệm vụ, Kepler và TPF, đang lên kế hoạch cho các loại cải tiến sẽ mang lại sự phát hiện các hành tinh có kích thước Trái đất nhiều hơn, không chỉ là những người khổng lồ khí, cho một ngôi sao nhất định trong các cuộc khảo sát của họ?
MT: Đúng. Kepler sẽ cho chúng ta một dấu hiệu cho thấy các hành tinh trên mặt đất phổ biến như thế nào bằng cách quan sát hàng ngàn ngôi sao giống như mặt trời đối với các phương tiện truyền thông, nơi hành tinh thực sự đi qua phía trước ngôi sao đang quay quanh và tạm thời chặn một chút ánh sáng của ngôi sao.
Công cụ tìm kiếm hành tinh trên mặt đất sẽ theo dõi điều này bằng cách thực sự chụp ảnh các hành tinh quay quanh các ngôi sao gần nhất và cho chúng ta biết liệu các hành tinh này có hành tinh bằng cách chụp quang phổ hay không.
Chúng ta có thể tìm kiếm nước, oxy và carbon dioxide, và nếu may mắn, chúng ta thậm chí có thể thấy một số dấu hiệu trực tiếp của sự sống dưới dạng chữ ký thực vật hoặc sự mất cân bằng khí quyển mạnh, như sự hiện diện đồng thời của oxy và metan (do đến sự hiện diện đồng thời của thực vật và vi khuẩn methanogen trên Trái đất).
Cái gì tiếp theo
Bất kỳ nhiệm vụ phát hiện và đặc trưng quang phổ nào cho các hành tinh trên mặt đất xung quanh các ngôi sao khác phải được thiết kế để nó có thể phát hiện các loại hành tinh trên mặt đất khác nhau với kết quả hữu ích. Những nhiệm vụ như vậy hiện đang được nghiên cứu, chương trình Tìm kiếm hành tinh trên mặt đất (TPF), của NASA và Darwin của ESA, Cơ quan Vũ trụ châu Âu. Mục tiêu chính của TPF / Darwin là cung cấp dữ liệu cho các nhà sinh học và hóa học khí quyển.
Khái niệm TPF / Darwin dựa trên giả định rằng người ta có thể sàng lọc các hành tinh ngoài hệ mặt trời để có thể ở được bằng phương pháp quang phổ. Để một giả định như vậy là hợp lệ, chúng ta phải trả lời các câu hỏi sau đây. Điều gì làm cho một hành tinh có thể ở được và làm thế nào chúng có thể được nghiên cứu từ xa? Những ảnh hưởng đa dạng mà biota có thể tác động lên quang phổ của khí quyển hành tinh là gì? Những gì tích cực sai chúng ta có thể mong đợi? Lịch sử tiến hóa của khí quyển có khả năng là gì? Và, đặc biệt, các chỉ số mạnh mẽ của cuộc sống là gì?
TPF / Darwin phải khảo sát các ngôi sao gần đó để tìm các hệ hành tinh bao gồm các hành tinh có kích thước trên mặt đất trong các khu vực có thể ở được (các hành tinh giống như Trái đất của Hồi giáo). Thông qua quang phổ, TPF / Darwin phải xác định xem các hành tinh này có khí quyển hay không và xác định xem chúng có thể ở được hay không.
Nhiệm vụ Kepler cũng được lên kế hoạch phóng lên quỹ đạo mặt trời vào tháng 10 năm 2006. Kepler được dự định là một nhiệm vụ để xác định tần số của các hành tinh bên trong gần khu vực có thể ở của một loạt các ngôi sao. Kepler sẽ đồng thời quan sát 100.000 ngôi sao trong khu vực thiên hà của chúng ta, tìm kiếm các hành tinh có kích thước Trái đất hoặc lớn hơn trong khu vực có thể ở được ở xung quanh mỗi ngôi sao - vùng không quá nóng, không quá lạnh nơi có thể tồn tại nước lỏng một hành tinh.
Để làm nổi bật những khó khăn trong việc phát hiện một hành tinh có kích thước Trái đất quay quanh một ngôi sao xa xôi, nhà điều tra chính của Kepler, William Borucki của NASA Ames chỉ ra rằng sẽ phải mất 10.000 Trái đất để che đĩa Sun Sun. Một ước tính của NASA cho biết Kepler nên khám phá 50 hành tinh trên mặt đất nếu hầu hết những hành tinh được tìm thấy có kích thước Trái đất, 185 hành tinh nếu phần lớn lớn hơn Trái đất 30% và 640 nếu hầu hết là 2,2 lần kích thước Trái đất. Ngoài ra, Kepler dự kiến sẽ tìm thấy gần 900 hành tinh khổng lồ gần các ngôi sao của họ và khoảng 30 người khổng lồ quay quanh khoảng cách giống như sao Mộc từ các ngôi sao mẹ của họ.
Bởi vì hầu hết các hành tinh khí khổng lồ được tìm thấy có quỹ đạo gần với các ngôi sao của chúng hơn Sao Mộc so với Mặt trời, Borucki tin rằng trong nhiệm vụ kéo dài 4 đến 6 năm, Kepler sẽ tìm thấy một tỷ lệ lớn các hành tinh khá gần với các ngôi sao. Nếu điều đó chứng minh là đúng, ông nói, chúng tôi hy vọng sẽ tìm thấy hàng ngàn hành tinh.
Sử dụng các phương pháp hiện tại, các nhà thiên văn học ngày nay sẽ rất khó phát hiện một hành tinh có kích thước Trái đất xung quanh ngôi sao 37 Gem. Các phân tích trong quá khứ đã loại trừ một số lựa chọn. Chẳng hạn, một hành tinh khổng lồ như Sao Mộc hoặc Sao Thổ của chúng ta không quay quanh 37 Gem. Các nghiên cứu này cho thấy các hành tinh khổng lồ có khối lượng bằng 1/10 đến 10 lần khối lượng Sao Mộc không tồn tại gần 37 Gem (trong vòng 0,1 đến bốn đơn vị thiên văn, hoặc một khoảng cách mặt trời, AU, xem thêm Cummings et al, 1999) . Do những thách thức trong việc tìm kiếm các hành tinh mờ gần các ngôi sao sáng hơn, hầu như tất cả các hành tinh ngoài hệ mặt trời được tìm thấy cho đến nay đều giống như sao Mộc của chúng ta, có lẽ là khí chất và không có điều kiện để sống gần với một ngôi sao mẹ .
Nhưng điều kiện xung quanh 37 Gem có thể hỗ trợ các hành tinh nhỏ hơn, bên trong như Sao Kim hoặc Trái Đất. Không ai biết. Chỉ những khảo sát trong tương lai mới có thiết bị có khả năng tìm thấy những hành tinh giống Trái đất như vậy.
Các mô hình của các ngôi sao như 37 Gem, tuy nhiên, hỗ trợ sự tồn tại của ít nhất một quỹ đạo ổn định cho một hành tinh giống Trái đất (có nước lỏng) tập trung quanh một khoảng cách mặt trời (1.12 AU). Một hành tinh được cho là như vậy sẽ quay quanh khoảng cách giữa Trái đất và Sao Hỏa trong Hệ Mặt trời của chúng ta. Hành tinh chưa được khám phá này, nếu nó có thể được phát hiện trong các nghiên cứu trong tương lai, sẽ có một năm kéo dài hơn 450 ngày, hoặc thời gian quỹ đạo khoảng 1,3 năm Trái đất.
Vì sự sống tạo ra oxy trên Trái đất mất khoảng hai tỷ năm để nắm giữ, những ngôi sao trẻ hơn nhiều so với điều này có thể sẽ không có đủ thời gian để sự sống tiến hóa theo bất kỳ dạng phức tạp nào. Với hàng tỷ năm cần thiết cho sự tiến hóa của sự sống trên trái đất, các nhà khoa học có thể đặt câu hỏi liệu sự sống sẽ có cơ hội trong một hệ mặt trời có thời gian sống ngắn hơn. Những ngôi sao nóng hơn, đồ sộ hơn luôn được coi là ít có khả năng chứa đựng sự sống nhưng không phải vì chúng quá nóng. Các hành tinh vẫn có thể tận hưởng khí hậu ôn đới, xa hơn Trái đất từ Mặt trời và ở các quỹ đạo cách xa ngôi sao mẹ của chính nó. Vấn đề đầu tiên của khả năng cư trú là một lần, không phải nhiệt độ. Những ngôi sao nóng hơn có xu hướng cháy hết nhanh hơn - có lẽ quá nhanh để cuộc sống phát triển ở đó.
Nguồn gốc: Tạp chí Astrobiology
