Tín dụng hình ảnh: NWU
Theo một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley và Đại học Tây Bắc, các quỹ đạo đặc biệt của ba hành tinh xoay quanh một ngôi sao ở xa chỉ có thể được giải thích nếu một hành tinh thứ tư vô hình lọt qua và đánh bật chúng ra khỏi quỹ đạo tròn của chúng.
Kết luận này dựa trên phép ngoại suy máy tính từ 13 năm quan sát chuyển động của hành tinh xung quanh ngôi sao Upsilon Andromedae. Nó cho thấy rằng quỹ đạo không hình tròn và thường có hình elip cao của nhiều hành tinh ngoài hệ mặt trời được phát hiện cho đến nay có thể là kết quả của các hành tinh tán xạ lẫn nhau. Trong một kịch bản như vậy, hành tinh nhiễu loạn có thể bị bắn ra khỏi hệ thống hoàn toàn hoặc có thể bị đá vào quỹ đạo xa, khiến các hành tinh bên trong có quỹ đạo lệch tâm.
Đây có lẽ là một trong hai hoặc ba hệ thống ngoài hệ thống có các quan sát tốt nhất và các ràng buộc chặt chẽ nhất, và nó kể một câu chuyện độc đáo, ông Eric Ford, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Miller tại UC Berkeley nói. Giải thích của chúng tôi là hành tinh ngoài hành tinh quỹ đạo ban đầu của nó là hình tròn, nhưng nó có cú đá bất ngờ này đã thay đổi vĩnh viễn quỹ đạo của nó thành rất lập dị. Để cung cấp cú đá đó, chúng tôi đã đưa ra giả thuyết rằng có một hành tinh bổ sung mà chúng tôi không thể thấy bây giờ. Chúng tôi tin rằng bây giờ chúng tôi hiểu hệ thống này hoạt động như thế nào.
Nếu một hành tinh như vậy đã đi qua hệ mặt trời của chúng ta sớm trong lịch sử của nó, các nhà nghiên cứu lưu ý, các hành tinh bên trong có thể không có quỹ đạo tròn độc đáo như vậy, và dựa trên các giả định hiện tại về nguồn gốc của sự sống, khí hậu Trái đất có thể đã dao động quá nhiều cho cuộc sống đã phát sinh.
Trong khi các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta vẫn ổn định trong hàng tỷ năm, thì đó không phải là trường hợp của các hành tinh quay quanh Upsilon Andromedae, theo Ford Ford. Trong khi các hành tinh đó có thể đã hình thành tương tự Sao Mộc và Sao Thổ, quỹ đạo hiện tại của chúng được điêu khắc bởi một giai đoạn cuối của các tương tác hỗn loạn và bạo lực.
Theo đồng nghiệp của Ford, Frederic A. Rasio, phó giáo sư vật lý và thiên văn học ở Tây Bắc, kết quả của chúng tôi cho thấy một cơ chế đơn giản, thường được gọi là 'tán xạ hành tinh-hành tinh' - một loại hiệu ứng súng cao su do lực hấp dẫn đột ngột giữa hai lực kéo Các hành tinh khi chúng đến rất gần nhau - phải chịu trách nhiệm cho các quỹ đạo lệch tâm quan sát được trong hệ thống Upsilon Andromedae. Chúng tôi tin rằng sự tán xạ hành tinh-hành tinh xảy ra thường xuyên trong các hệ hành tinh ngoài hệ mặt trời, không chỉ riêng hành tinh này, xuất phát từ sự bất ổn mạnh mẽ. Vì vậy, trong khi các hệ hành tinh xung quanh các ngôi sao khác có thể phổ biến, các loại hệ thống có thể hỗ trợ sự sống, giống như hệ mặt trời của chúng ta, có lẽ phải duy trì ổn định trong quy mô thời gian rất dài, có thể không phổ biến.
Các mô phỏng trên máy tính được báo cáo trong số ra ngày 14 tháng 4 của tạp chí Nature của Ford, Rasio và Verene Lystad, một sinh viên đại học chuyên ngành vật lý tại Tây Bắc. Ford là sinh viên của Rasio, tại Học viện Công nghệ Massachusetts trước khi theo đuổi nghiên cứu sau đại học tại Đại học Princeton và đến UC Berkeley năm 2004.
Hệ thống hành tinh xung quanh Upsilon Andromedae là một trong những hệ thống được nghiên cứu nhiều nhất trong số 160 hệ thống với các hành tinh được phát hiện cho đến nay bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Hành tinh bên trong, một sao Mộc nóng bỏng, rất gần với ngôi sao mà quỹ đạo của nó chỉ còn vài ngày, được phát hiện vào năm 1996 bởi UC Berkeley, Geoff Marcy và nhóm săn tìm hành tinh của ông. Hai hành tinh bên ngoài, với các quỹ đạo kéo dài gây nhiễu mạnh cho nhau, đã được phát hiện vào năm 1999. Ba hành tinh khổng lồ giống như sao Mộc này xung quanh Upsilon Andromedae bao gồm hệ thống đa hành tinh ngoài hệ mặt trời đầu tiên được phát hiện bởi quang phổ Doppler.
Do tính chất bất thường của các quỹ đạo hành tinh xung quanh Upsilon Andromedae, Marcy và nhóm của ông đã nghiên cứu nó một cách mãnh liệt, thực hiện gần 500 quan sát - gấp 10 lần so với hầu hết các hành tinh ngoài hệ mặt trời khác đã được tìm thấy. Những quan sát này, sự chao đảo trong chuyển động của ngôi sao do các hành tinh quay quanh gây ra, cho phép biểu đồ rất chính xác các chuyển động của hành tinh xung quanh ngôi sao.
Các quan sát rất chính xác đến mức chúng ta có thể theo dõi và dự đoán những gì sẽ xảy ra trong hàng chục ngàn năm trong tương lai, theo Ford Ford.
Ngày nay, trong khi hành tinh trong cùng nằm sát sao, hai hành tinh bên ngoài quay quanh quỹ đạo hình quả trứng. Tuy nhiên, các mô phỏng trên máy tính về sự thay đổi quỹ đạo trong quá khứ và tương lai cho thấy các hành tinh bên ngoài đang tham gia vào một điệu nhảy lặp đi lặp lại, cứ sau 7.000 năm, sẽ đưa quỹ đạo của hành tinh giữa vào một vòng tròn.
Đây là tài sản của việc quay trở lại quỹ đạo rất tròn là rất đáng chú ý và nói chung là không xảy ra. Lời giải thích tự nhiên là họ đã từng ở cả hai quỹ đạo tròn, và người ta đã có một cú hích lớn khiến nó trở nên lập dị. Sau đó, sự tiến hóa tiếp theo khiến hành tinh kia phát triển lệch tâm, nhưng vì bảo toàn năng lượng và động lượng góc, nó quay trở lại định kỳ theo quỹ đạo gần như tròn.
Trước đây, các nhà thiên văn học đã đề xuất hai kịch bản có thể xảy ra cho sự hình thành hệ thống hành tinh Upsilon Andromedae, nhưng dữ liệu quan sát vẫn chưa đủ để phân biệt hai mô hình. Một nhà thiên văn học khác, Renu Malhotra tại Đại học Arizona, trước đây đã cho rằng sự tán xạ hành tinh-hành tinh có thể đã kích thích sự lập dị ở Upsilon Andromedae. Nhưng một lời giải thích khác cho rằng sự tương tác giữa các hành tinh và một đĩa khí bao quanh ngôi sao cũng có thể tạo ra những quỹ đạo lệch tâm như vậy. Bằng cách kết hợp dữ liệu quan sát bổ sung với các mô hình máy tính mới, Ford và các đồng nghiệp đã có thể chỉ ra rằng các tương tác với đĩa khí sẽ không tạo ra các quỹ đạo quan sát được, nhưng tương tác với hành tinh khác sẽ tự nhiên tạo ra chúng.
Tính năng phân biệt quan trọng giữa các lý thuyết đó là các tương tác với một đĩa bên ngoài sẽ khiến các quỹ đạo thay đổi rất chậm và sự tương tác mạnh mẽ với một hành tinh đi qua sẽ khiến các quỹ đạo thay đổi rất nhanh so với thang thời gian 7.000 năm cho quỹ đạo để phát triển, dòng Ford Ford cho biết. Vì hai giả thuyết đưa ra những dự đoán khác nhau cho sự phát triển của hệ thống, chúng ta có thể giới hạn lịch sử của hệ thống dựa trên các quỹ đạo hành tinh hiện tại.
Ford cho biết, khi các hành tinh hình thành bên trong một đĩa khí và bụi, lực cản trên các hành tinh sẽ giữ cho quỹ đạo của chúng có hình tròn. Tuy nhiên, khi bụi và khí tan đi, chỉ có sự tương tác với một hành tinh đi qua mới có thể tạo ra quỹ đạo cụ thể của hai hành tinh bên ngoài quan sát được ngày hôm nay. Có lẽ, ông lưu ý, hành tinh nhiễu loạn đã bị đánh sập vào các hành tinh bên trong bởi sự tương tác với các hành tinh khác cách xa ngôi sao trung tâm.
Tuy nhiên, nó đã bắt đầu, các tương tác hỗn loạn kết quả sẽ tạo ra một quỹ đạo rất lập dị cho hành tinh thứ ba, sau đó cũng dần dần làm nhiễu loạn quỹ đạo hành tinh thứ hai. Bởi vì hành tinh bên ngoài thống trị hệ thống, theo thời gian nó làm nhiễu loạn quỹ đạo của hành tinh trung bình đủ để biến nó từ từ thành quỹ đạo lệch tâm, đó là những gì được thấy ngày nay, mặc dù cứ sau 7.000 năm, hành tinh giữa lại quay trở lại một vòng tròn. quỹ đạo.
Đây là những gì làm cho hệ thống trở nên đặc biệt, Rasio nói. Thông thường, sự kết hợp hấp dẫn giữa hai quỹ đạo hình elip sẽ không bao giờ khiến người ta quay trở lại một vòng tròn gần như hoàn hảo. Một vòng tròn rất đặc biệt.
Ban đầu, mục tiêu chính của nghiên cứu của chúng tôi là mô phỏng hệ thống hành tinh Upsilon Andromedae, về cơ bản để xác định xem hai hành tinh bên ngoài có nằm trong cùng một mặt phẳng giống như các hành tinh trong hệ mặt trời hay không, Lystad, người bắt đầu làm việc với Rasio khi cô là một sinh viên năm thứ hai và đã thực hiện nhiều tích hợp máy tính như một phần của luận án cao cấp của mình. Chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy rằng, đối với nhiều mô phỏng của chúng tôi, thật khó để biết liệu các hành tinh có ở cùng một mặt phẳng hay không do thực tế là quỹ đạo hành tinh giữa định kỳ trở nên rất gần tròn. Khi chúng tôi nhận thấy hành vi kỳ lạ này có mặt trong tất cả các mô phỏng của chúng tôi, chúng tôi nhận ra đó là một dấu vết của một hệ thống đã trải qua hành tinh tán xạ hành tinh. Chúng tôi nhận ra rằng có một điều thú vị hơn nhiều đang diễn ra trước đây.
Hiểu những gì đã xảy ra trong quá trình hình thành và phát triển của Upsilon Andromedae và các hệ hành tinh ngoài hệ mặt trời khác có ý nghĩa chính đối với hệ mặt trời của chúng ta.
Một khi bạn nhận ra rằng hầu hết các hành tinh ngoài hệ mặt trời đã biết đều có quỹ đạo rất lập dị (như các hành tinh trong Upsilon Andromedae), bạn bắt đầu tự hỏi liệu có thể có điều gì đặc biệt về hệ mặt trời của chúng ta không, ông Ford nói. Có thể phân tán hành tinh bạo lực hành tinh bạo lực phổ biến đến mức ít hệ thống hành tinh nào bình tĩnh và có thể ở được? May mắn thay, các nhà thiên văn học - dẫn đầu bởi Geoff Marcy, giáo sư thiên văn học tại UC Berkeley - đang chăm chỉ thực hiện các quan sát mà cuối cùng sẽ trả lời câu hỏi thú vị này.
Nghiên cứu được Quỹ khoa học quốc gia và Viện nghiên cứu cơ bản UC Berkeley Miller Miller hỗ trợ.
Nguồn gốc: Berkeley News Release
