Xin chào các bạn! Mỗi đêm trời quang, hàng nghìn ngôi sao lại lấp lánh trên bầu trời. Quanh rất nhiều ngôi sao trong số đó tồn tại các hành tinh, được gọi là ngoại hành tinh.

Do những thế giới xa xôi này quá mờ nhạt, các nhà thiên văn học không thể quan sát chúng trực tiếp mà phải phát hiện chúng thông qua những tác động mà chúng gây ra lên ngôi sao chủ.

Kể từ khi ngoại hành tinh đầu tiên quay quanh một ngôi sao giống Mặt Trời được xác nhận vào năm 1995, hàng nghìn ngoại hành tinh khác đã được phát hiện, cho thấy các hệ hành tinh là hiện tượng vô cùng phổ biến trong vũ trụ.

Vì Sao Việc Phát Hiện Ngoại Hành Tinh Lại Khó Đến Vậy?

Không giống như các ngôi sao, ngoại hành tinh gần như không tự phát ra ánh sáng nhìn thấy được. Phần lớn chúng chỉ phản chiếu một lượng cực nhỏ ánh sáng từ ngôi sao chủ, khiến chúng mờ hơn hàng triệu, thậm chí hàng tỷ lần so với ngôi sao mà chúng quay quanh. Nếu quan sát từ Trái Đất, điều này giống như cố gắng nhìn thấy một con đom đóm nhỏ bay cạnh một ngọn hải đăng cực sáng ở khoảng cách hàng trăm ki-lô-mét. Khoảng cách cũng là một trở ngại rất lớn. Ngay cả những ngoại hành tinh gần Trái Đất nhất cũng cách chúng ta vài năm ánh sáng, khiến chúng dường như nằm sát ngay bên cạnh ngôi sao chủ trên bầu trời. Chính vì vậy, các nhà thiên văn thường không quan sát trực tiếp hành tinh mà tìm kiếm những dấu hiệu rất nhỏ để suy ra sự tồn tại của chúng.

Đo Chuyển Động Dao Động Rất Nhỏ Của Ngôi Sao

Một trong những phương pháp thành công đầu tiên là phương pháp vận tốc xuyên tâm. Mặc dù hành tinh quay quanh ngôi sao, lực hấp dẫn luôn tác động theo cả hai chiều. Khi một hành tinh chuyển động quanh ngôi sao chủ, nó cũng kéo ngôi sao chuyển động theo một quỹ đạo rất nhỏ quanh tâm khối lượng chung của cả hai. Chuyển động này tạo ra sự thay đổi rất nhỏ trong ánh sáng của ngôi sao thông qua hiệu ứng Đốp-le. Khi ngôi sao tiến lại gần Trái Đất, bước sóng ánh sáng của nó dịch chuyển về phía ngắn hơn. Khi ngôi sao di chuyển ra xa, bước sóng lại dịch chuyển về phía dài hơn. Những máy quang phổ có độ nhạy cực cao có thể đo được các thay đổi vô cùng nhỏ này với độ chính xác đáng kinh ngạc. Qua nhiều lần quan sát, các nhà thiên văn có thể ước tính chu kỳ quỹ đạo và khối lượng tối thiểu của hành tinh. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc phát hiện những hành tinh khổng lồ quay rất gần ngôi sao chủ, vì lực hấp dẫn mạnh của chúng tạo ra dao động rõ rệt hơn.

Quan Sát Hành Tinh Đi Ngang Qua Trước Ngôi Sao

Ngày nay, phương pháp quá cảnh đã trở thành kỹ thuật hiệu quả nhất để phát hiện ngoại hành tinh. Khi một hành tinh đi ngang qua giữa ngôi sao chủ và Trái Đất, nó sẽ che khuất một phần rất nhỏ ánh sáng của ngôi sao. Điều này khiến độ sáng của ngôi sao giảm đi một lượng rất nhỏ nhưng vẫn có thể đo được. Nếu hiện tượng giảm sáng lặp lại đều đặn theo chu kỳ, các nhà thiên văn biết rằng có một hành tinh đang quay quanh ngôi sao đó. Lượng ánh sáng bị che khuất cho biết kích thước của hành tinh, còn khoảng thời gian giữa các lần quá cảnh giúp xác định chu kỳ quỹ đạo của nó. Khi kết hợp với dữ liệu từ phương pháp vận tốc xuyên tâm, các nhà khoa học còn có thể tính được mật độ của hành tinh để xác định liệu đó là một hành tinh đá giống Trái Đất hay chủ yếu được cấu tạo từ khí.

Quan Sát Ngoài Vùng Ánh Sáng Nhìn Thấy

Không phải mọi ngoại hành tinh đều có thể được phát hiện bằng phương pháp quá cảnh hoặc đo dao động của ngôi sao. Một số hành tinh quay quá xa ngôi sao chủ hoặc có quỹ đạo không bao giờ đi qua đường ngắm từ Trái Đất. Trong những trường hợp này, các nhà thiên văn phải sử dụng nhiều kỹ thuật khác. Một phương pháp là chụp ảnh trực tiếp, sử dụng thiết bị gọi là mặt nạ che sao để chặn bớt ánh sáng chói từ ngôi sao chủ. Nhờ đó, ánh sáng yếu ớt phát ra từ những hành tinh lớn và còn trẻ có thể được quan sát, đặc biệt ở vùng hồng ngoại, nơi chúng phát ra nhiệt. Một kỹ thuật khác là vi thấu kính hấp dẫn, tận dụng chính lực hấp dẫn trong vũ trụ. Khi một ngôi sao đi ngang gần như thẳng hàng với một ngôi sao khác ở phía sau, lực hấp dẫn của ngôi sao phía trước sẽ bẻ cong và khuếch đại ánh sáng của ngôi sao phía sau. Nếu ngôi sao phía trước có một hành tinh quay quanh, hành tinh đó sẽ tạo nên một đợt tăng sáng ngắn, giúp các nhà thiên văn phát hiện sự tồn tại của nó. Mặc dù hiện tượng này chỉ xảy ra một lần, nó cho phép phát hiện các hành tinh ở khoảng cách cực kỳ xa Trái Đất.

Lập Bản Đồ Chuyển Động Của Các Ngôi Sao Với Độ Chính Xác Phi Thường

Các nhà thiên văn cũng sử dụng một kỹ thuật gọi là đo vị trí thiên thể, theo dõi những thay đổi cực nhỏ trong vị trí của ngôi sao trên bầu trời. Thay vì quan sát sự thay đổi của ánh sáng, phương pháp này đo trực tiếp chuyển động rất nhỏ của ngôi sao do lực hấp dẫn từ hành tinh gây ra. Những dịch chuyển này nhỏ đến mức việc đo đạc đòi hỏi độ chính xác đủ để nhận biết những góc còn nhỏ hơn cả sợi tóc người khi nhìn từ khoảng cách vài ki-lô-mét. Sứ mệnh Gaia của Cơ quan Vũ trụ châu Âu đang xây dựng bản đồ chi tiết nhất từng được tạo ra về Dải Ngân Hà. Bằng cách theo dõi chính xác vị trí và chuyển động của hơn một tỷ ngôi sao, Gaia được kỳ vọng sẽ phát hiện thêm hàng chục nghìn ngoại hành tinh mới, đồng thời giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các hệ hành tinh đã biết.

Vì Sao Kính Thiên Văn Không Gian Đã Thay Đổi Mọi Thứ?

Nghiên cứu ngoại hành tinh đã bước sang một kỷ nguyên mới khi các kính thiên văn được đưa lên ngoài bầu khí quyển Trái Đất. Các đài quan sát ngoài không gian không bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn khí quyển, thời tiết hay sự luân phiên ngày đêm, nhờ đó có thể quan sát liên tục với độ chính xác vượt trội so với các kính thiên văn đặt trên mặt đất. Kính thiên văn không gian Kepler đã tạo nên cuộc cách mạng trong ngành thiên văn học khi theo dõi hơn 150.000 ngôi sao suốt nhiều năm, phát hiện hàng nghìn ngoại hành tinh và chứng minh rằng các hành tinh xuất hiện rất phổ biến trong Dải Ngân Hà. Sau đó, Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh tiếp tục nhiệm vụ này bằng cách khảo sát gần như toàn bộ bầu trời để tìm kiếm các hệ hành tinh ở gần chúng ta. Hiện nay, các đài quan sát hiện đại còn tập trung nghiên cứu bầu khí quyển của ngoại hành tinh.

Kính thiên văn không gian James Webb phân tích ánh sáng của ngôi sao khi đi xuyên qua bầu khí quyển của hành tinh trong lúc quá cảnh, từ đó xác định sự hiện diện của hơi nước, khí mê-tan, khí các-bô-níc cùng nhiều phân tử khác. Trong khi đó, các sứ mệnh của châu Âu như CHEOPS, PLATO và ARIEL đang mở rộng khả năng đo kích thước, cấu trúc bên trong cũng như thành phần khí quyển của các hành tinh với độ chính xác chưa từng có. Nhà thiên văn học Sara Seager thuộc Viện Công nghệ Massachusetts từng chia sẻ: “Ý tưởng của tôi là sử dụng nhiều kính thiên văn nhỏ trong không gian, mỗi kính quan sát một ngôi sao rất sáng để tìm dấu hiệu của một hành tinh giống Trái Đất đi ngang qua trước ngôi sao đó khi nhìn từ Trái Đất. Hiện tượng này được gọi là quá cảnh.”

Việc tìm kiếm ngoại hành tinh đã trở thành một trong những thành tựu vĩ đại nhất của thiên văn học hiện đại. Bằng cách nghiên cứu những biến đổi rất nhỏ trong ánh sáng của các ngôi sao, đo chuyển động cực kỳ tinh vi của chúng, tận dụng lực hấp dẫn như một chiếc kính lúp tự nhiên và triển khai các kính thiên văn không gian tiên tiến, các nhà thiên văn đã xác nhận rằng các hành tinh tồn tại vô cùng phong phú trong khắp thiên hà của chúng ta.