Phát hiện một hành tinh khổng lồ quay quanh một ngôi sao tí hon

Một ngôi sao nhỏ bé với kích thước chỉ bằng một phần năm khối lượng Mặt Trời của chúng ta vừa gây sốc cho giới thiên văn khi sở hữu một hành tinh khí khổng lồ, TOI-6894b – điều vốn từ lâu được cho là gần như không thể. Khám phá này đã thách thức những lý thuyết hàng đầu về sự hình thành hành tinh.

Một hành tinh quanh ngôi sao nhỏ bé

TOI-6894 là một sao lùn đỏ nhỏ, chỉ bằng 20% khối lượng Mặt Trời của chúng ta. Những ngôi sao như thế này phổ biến khắp thiên hà, nhưng chúng thường không được coi là nơi có khả năng tồn tại các hành tinh khổng lồ. Trên thực tế, các nhà thiên văn từ lâu đã tin rằng những ngôi sao có khối lượng thấp như vậy không có điều kiện phù hợp để hình thành hoặc hỗ trợ các hành tinh lớn.

Nhưng trong một khám phá mới đầy bất ngờ được công bố trên tạp chí Nature Astronomy , các nhà khoa học đã phát hiện dấu hiệu rõ ràng của một hành tinh khổng lồ – được đặt tên là TOI-6894b – đang quay quanh ngôi sao nhỏ bé này.

Hành tinh được tìm thấy trong một cuộc khảo sát lớn dữ liệu từ sứ mệnh TESS của NASA, nhiệm vụ tìm kiếm các ngoại hành tinh bằng cách theo dõi độ sáng của các ngôi sao. Dự án tập trung vào việc phát hiện các hành tinh khổng lồ quanh những ngôi sao nhỏ hơn và được dẫn dắt bởi Tiến sĩ Edward Bryant đếm tiwf Đại học Warwick và Phòng thí nghiệm Không gian Mullard (Mullard Space Science Laboratory) của UCL.

Một phát hiện mang tính bước ngoặt

Tiến sĩ Edward Bryant cho biết:

Tôi đã rất phấn khích với khám phá này. Ban đầu, tôi đã tìm kiếm qua các quan sát của TESS về hơn 91.000 sao lùn đỏ khối lượng thấp để tìm kiếm các hành tinh khổng lồ.

Sau đó, sử dụng các quan sát được thực hiện với một trong những kính thiên văn lớn nhất thế giới, Kính Thiên văn Rất Lớn (VLT) của ESO, tôi đã phát hiện ra TOI-6894b, một hành tinh khổng lồ đang đi ngang qua (transit) ngôi sao có khối lượng thấp nhất được biết đến cho đến nay có thể chứa một hành tinh như vậy. Chúng tôi không ngờ rằng những hành tinh như TOI-6894b có thể hình thành xung quanh những ngôi sao có khối lượng thấp như thế này. Khám phá này sẽ là một nền tảng cho việc hiểu được những giới hạn cực đoan của quá trình hình thành hành tinh khổng lồ.

Ngôi sao nhẹ nhất sở hữu một hành tinh khổng lồ

Hành tinh (TOI-6894b) là một hành tinh khí có mật độ thấp với bán kính lớn hơn Sao Thổ một chút nhưng chỉ có khoảng ~50% khối lượng của Sao Thổ. Ngôi sao (TOI-6894) là ngôi sao có khối lượng thấp nhất được biết đến cho đến nay có một hành tinh khổng lồ đi ngang qua và chỉ bằng 60% kích thước của ngôi sao nhỏ nhất tiếp theo được biết là có một hành tinh như vậy.

Tiến sĩ Daniel Bayliss, Phó Giáo sư tại Đại học Warwick, cho biết: “Hầu hết các ngôi sao trong Thiên hà của chúng ta thực chất là những ngôi sao nhỏ chính xác như thế này, có khối lượng thấp và trước đây được cho là không thể chứa các hành tinh khí khổng lồ. Vì vậy, việc ngôi sao này sở hữu một hành tinh khổng lồ có ý nghĩa lớn đối với tổng số hành tinh khổng lồ mà chúng ta ước tính tồn tại trong Thiên hà của mình.”

Tiến sĩ Vincent Van Eylen, từ Phòng thí nghiệm Không gian Mullard, cho biết: “Đó là một khám phá hấp dẫn. Chúng tôi thực sự không hiểu làm thế nào một ngôi sao có khối lượng nhỏ như vậy lại có thể hình thành một hành tinh khổng lồ như thế! Đây là một trong những mục tiêu của việc tìm kiếm thêm các ngoại hành tinh. Bằng cách tìm thấy các hệ hành tinh khác với hệ mặt trời của chúng ta, chúng ta có thể kiểm tra các mô hình của mình và hiểu rõ hơn về cách hệ mặt trời của chính chúng ta hình thành.”

Lý thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất về sự hình thành hành tinh được gọi là thuyết bồi tụ lõi (core accretion theory). Một lõi hành tinh hình thành đầu tiên thông qua quá trình bồi tụ (tích tụ dần vật chất), và khi lõi trở nên lớn hơn, cuối cùng nó thu hút các khí tạo thành bầu khí quyển. Sau đó, nó trở nên đủ lớn để bước vào quá trình bồi tụ khí không kiểm soát (runaway gas accretion) để trở thành một hành tinh khí khổng lồ.

Theo lý thuyết này, sự hình thành các hành tinh khí khổng lồ khó xảy ra hơn xung quanh các ngôi sao khối lượng thấp vì lượng khí và bụi trong đĩa tiền hành tinh (protoplanetary disc) quanh ngôi sao (nguyên liệu thô để hình thành hành tinh) quá hạn chế để cho phép một lõi đủ lớn hình thành và quá trình bồi tụ không kiểm soát diễn ra.

Tuy nhiên, sự tồn tại của TOI-6894b (một hành tinh khổng lồ quay quanh một ngôi sao có khối lượng cực thấp) cho thấy mô hình này không thể hoàn toàn chính xác, và cần có những lý thuyết thay thế.

Xét theo khối lượng của hành tinh, TOI-6894b có thể đã hình thành thông qua một quá trình bồi tụ lõi trung gian (intermediate core-accretion process), trong đó một tiền hành tinh hình thành và ổn định bồi tụ khí mà không cần lõi trở nên đủ lớn để xảy ra quá trình bồi tụ khí không kiểm soát.

Ngoài ra, TOI-6894b có thể đã hình thành do một đĩa bất ổn định hấp dẫn (gravitationally unstable disc). Trong một số trường hợp, đĩa vật chất bao quanh ngôi sao sẽ trở nên mất ổn định do lực hấp dẫn mà chính nó tác động lên chính nó. Những đĩa này sau đó có thể phân mảnh, với khí và bụi sụp đổ để hình thành một hành tinh.

Nhưng nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng không lý thuyết nào trong hai lý thuyết trên có thể giải thích hoàn toàn sự hình thành của TOI-6894b từ dữ liệu hiện có, điều này khiến nguồn gốc của hành tinh khổng lồ này vẫn là một câu hỏi mở.

Một hướng đi để làm sáng tỏ bí ẩn về sự hình thành của TOI-6894b là phân tích chi tiết bầu khí quyển của nó. Bằng cách đo lường sự phân bố vật chất bên trong hành tinh, các nhà thiên văn có thể xác định kích thước và cấu trúc lõi của hành tinh, điều này có thể cho chúng ta biết liệu TOI-6894b hình thành thông qua bồi tụ hay thông qua một đĩa vật chất không ổn định.

Đây không phải là điểm thú vị duy nhất trong bầu khí quyển của TOI-6894b; nó còn lạnh một cách bất thường đối với một hành tinh khí khổng lồ. Hầu hết các hành tinh khí khổng lồ được tìm thấy bởi các nhà săn ngoại hành tinh là những "Sao Mộc nóng" (hot Jupiters), những hành tinh khí khổng lồ với nhiệt độ khoảng ~1000-2000 Kelvin. Ngược lại, TOI-6894b chỉ có 420 Kelvin. Nhiệt độ mát mẻ, cùng với các đặc điểm khác của hành tinh này, chẳng hạn như các lần đi ngang qua (transit) rất sâu, khiến nó trở thành một trong những hành tinh khổng lồ triển vọng nhất để các nhà thiên văn đặc trưng hóa với một bầu khí quyển mát.

Giáo sư Amaury Triaud đến từ Đại học Birmingham, cho biết: “Dựa trên bức xạ sao mà TOI-6894b nhận được, chúng tôi dự đoán bầu khí quyển bị chi phối bởi hóa học methane, điều cực kỳ hiếm gặp". Nhiệt độ đủ thấp để các quan sát khí quyển thậm chí có thể cho chúng ta thấy amoniac, điều sẽ là lần đầu tiên nó được tìm thấy trong bầu khí quyển của một ngoại hành tinh.

TOI-6894b có khả năng trở thành một ngoại hành tinh chuẩn mực cho việc nghiên cứu các bầu khí quyển bị chi phối bởi methane, và là 'phòng thí nghiệm' tốt nhất để nghiên cứu một bầu khí quyển hành tinh chứa carbon, nitơ và oxy bên ngoài Hệ Mặt Trời.

Bầu khí quyển của TOI-6894b đã được lên lịch quan sát bởi Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) trong vòng 12 tháng tới. Điều này sẽ cho phép các nhà thiên văn xác định lý thuyết nào trong số các lý thuyết khả thi có thể giải thích sự hình thành của hành tinh bất ngờ này.