Sau khi loại sao Diêm Vương, gian nan tìm hành tinh thứ 9 trong hệ Mặt trời

Hệ Mặt trời của chúng ta từng sở hữu 9 hành tinh. Sau đó, chúng ta loại sao Diêm Vương (Pluto) ra khỏi câu lạc bộ các hành tinh vì coi đó chỉ là một trong số những vật thể nhỏ ngoài sao Hải vương (Neptune). Sao Diêm Vương tình cờ là lớn nhất trong số các vật thể, đặt nó ngay trên ranh giới giữa hành tinh và Vành đai Kuiper. Cuộc săn lùng hành tinh thứ 9 thực sự đang diễn ra - nếu nó tồn tại.

Trong vài năm qua, các nhà thiên văn học đã đưa ra giả thuyết rằng một hành tinh thực sự nữa - có khối lượng khoảng 5-10 lần Trái đất - ẩn nấp rất xa trong hệ Mặt trời, xa hơn khoảng 20 lần so với sao Diêm Vương, điều khiển quỹ đạo của tất cả các vật thể giống sao Diêm Vương một cách vô hình. Nó có thể là sự thật?

Gian nan tìm nguồn sáng

Hầu hết những thứ chúng ta nhìn thấy trên bầu trời đêm đều phát sáng. Các ngôi sao tỏa năng lượng ánh sáng vào không gian theo mọi hướng, và một lượng nhỏ đến trực tiếp với mắt và kính thiên văn của chúng ta. Mặt trăng, sao Kim và sao Mộc là những ngoại lệ. Chúng le lói vào buổi tối bằng cách chỉ phản chiếu một chút năng lượng khổng lồ của Mặt trời. Tuy nhiên, về cơ bản, vật lý giới hạn số lượng những thứ chúng ta có thể nhìn thấy thông qua sự phản chiếu.

Một điều thú vị nữa: Các tiểu hành tinh lớn như Ceres có thể phản chiếu đủ ánh sáng mặt trời để có thể nhìn thấy bằng kính thiên văn, mặc dù chúng cách xa một vài đơn vị thiên văn (AU) trong vành đai tiểu hành tinh. Các vật thể nhỏ hơn rõ ràng có xu hướng phản xạ ít ánh sáng hơn.

Độ rọi từ một nguồn sáng giảm theo bình phương khoảng cách r tính từ nguồn (nghĩa là 1/r^2). Ví dụ, ánh sáng mặt trời ở khoảng cách bằng hai lần quỹ đạo Trái đất (r = 2 AU) mờ hơn bốn lần so với ánh sáng mặt trời ở quỹ đạo Trái đất (r = 1 AU); một nguồn cách Trái đất ba lần quỹ đạo (r = 3 AU) sẽ mờ hơn chín lần. Do đó, khi khoảng cách từ Mặt trời tăng lên, ánh sáng mặt trời yếu đi đáng kể. Ở 10 AU, ánh sáng mặt trời mờ hơn 100 lần; ở 100 AU, ánh sáng mặt trời mờ hơn 10.000 lần.

Hiện tượng tương tự - và cùng một công thức - áp dụng cho ánh sáng phản xạ. Nói cách khác, ánh sáng phản xạ từ một thiên thể giảm dần theo khoảng cách r theo công thức 1/r^2. Khi chúng ta nhân sự mất mát ánh sáng từ Mặt trời đến thiên thể (1/r^2) với sự mất mát ánh sáng phản xạ tới Trái đất (cũng là 1/r^2), kết quả là 1/r^4 tổng lượng ánh sáng mất đi. Điều đó có nghĩa là ánh sáng phản xạ từ một vật thể ở khoảng cách 100 AU bị giảm đi hệ số 100 triệu.

Thực tế này có nghĩa là số lượng photon do Mặt trời phát ra bật ra khỏi vật thể và sau đó quay trở lại chúng ta trở nên cực kỳ nhỏ khi khoảng cách của vật thể với Mặt trời tăng lên. Để khắc phục điều này, thay vào đó, chúng ta có thể tìm kiếm ánh sáng phát ra từ chính nó, ánh sáng này sẽ chỉ bị suy giảm theo hệ số 1/r^2 thay vì 1/r^4. Làm thế nào?

Mọi vật thể trong vũ trụ đều phát ra các loại bức xạ điện từ khác nhau tùy thuộc vào độ nóng của nó. Các ngôi sao tỏa ra bức xạ trong quang phổ nhìn thấy được và tia cực tím. Trái đất bức xạ trong tia hồng ngoại.

Đối với bất kỳ vật thể nào ở đủ xa, bức xạ nhiệt của nó sẽ sáng hơn đối với chúng ta so với ánh sáng mặt trời mà nó phản xạ. Vì vậy, chúng ta tìm kiếm bức xạ đó, không phải ánh sáng mặt trời phản chiếu.

Hành trình tìm kiếm hành tinh thứ 9

Điều này đưa chúng ta đến việc tìm kiếm hành tinh thứ 9. Một nhóm lớn các nhà thiên văn học đang sử dụng công thức này để tìm kiếm hành tinh khổng lồ có thể có ở các rìa xa của hệ Mặt trời. Các nghiên cứu gần đây của họ mô tả cuộc tìm kiếm, thăm dò khoảng cách quỹ đạo khoảng 300-800 AU, tại đó lượng ánh sáng mặt trời phản xạ trở lại Trái đất bị mờ đi khoảng 100 tỉ lần. Vì lý do này, nhóm nghiên cứu đã phải tìm kiếm sự phát xạ bức xạ từ hành tinh. Ở rất xa Mặt trời, hành tinh này có thể rất lạnh, có lẽ là chỉ 37-48 độ K.

Các vật thể lạnh này chỉ bức xạ ở bước sóng rất lớn: vi sóng và sóng vô tuyến. Kính viễn vọng vũ trụ Atacama được chế tạo để quan sát những bước sóng lớn này. Kính viễn vọng vô tuyến có hình dạng kỳ lạ này nằm ở độ cao hơn 5.000 mét bên sườn núi lửa ở sa mạc Atacama ở Chile.

Ngay cả khi tìm cách thu nhận phát xạ thay vì phản xạ, tín hiệu hành tinh thứ 9 dự kiến vẫn sẽ mờ đến mức không thể tìm thấy nó trong bất kỳ hình ảnh nào. Hơn nữa, sử dụng phơi sáng lâu để thu được nhiều photon hơn sẽ dẫn đến hiện tượng nhòe chuyển động của vật thể quay quanh. Vì vậy, thay vào đó, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang một bộ ảnh khổng lồ được kính thiên văn chụp trong hơn bảy năm và họ đã tính toán mọi quỹ đạo hợp lý có khả năng của hành tinh thứ 9 sẽ rơi vào bộ ảnh. Đối với mỗi quỹ đạo, họ đã tính toán vị trí của hành tinh và tìm thấy các vị trí tương ứng trong ảnh. Sau đó, họ xếp chồng các hình ảnh lên nhau và dịch chuyển từng hình ảnh sao cho các vị trí tiềm năng chồng lên nhau. Khi được cộng lại với nhau, đốm của một hành tinh thực có thể đông lại trên nền khá nhiễu mờ.

Các kết quả đầu tiên là chưa thấy gì. Nhưng kết quả vẫn có giá trị ở chỗ nó cho thấy rằng không có ứng viên nào nằm trong phạm vi quỹ đạo có thể có của “hành tinh thứ 9”. Đối với một hành tinh có khối lượng gấp 5 lần Trái đất, 17% quỹ đạo đã bị loại trừ; đối với một hành tinh có khối lượng bằng 10 Trái đất, khoảng 9% quỹ đạo đã bị loại trừ.

Trong các nghiên cứu như thế này, mục tiêu là tìm ra đối tượng hoặc loại trừ 100% khả năng (nghĩa là tuyên bố rằng nó không tồn tại). Khó khăn trong việc nhìn thấy mọi thứ ở rất xa trong hệ Mặt trời của chúng ta lớn đến mức việc loại trừ một vài phần trăm tồn tại của các hành tinh có thể là một thành tựu. Các nghiên cứu sâu hơn sẽ tiếp tục loại bỏ thêm vài phần trăm mỗi lần. Chỉ khi 100% bị loại trừ thì chúng ta mới có thể tin không tồn tại hành tinh thứ 9 trong khu vực chúng ta lùng sục.