Trong vài thập kỷ qua, các nhà thiên văn đã phát hiện hàng nghìn ngoại hành tinh nhưng phần thưởng thực sự vẫn nằm ngoài tầm với. Họ vẫn chưa tìm thấy một hành tinh đá có khối lượng tương đương Trái Đất, có quỹ đạo trong vùng sống được của một ngôi sao tương tự Mặt Trời. Một phần nguyên nhân đơn giản là do đặc điểm phân bố trong vũ trụ: khoảng một nửa số ngôi sao dạng Mặt Trời ở gần chúng ta không tồn tại đơn độc. Chúng có một hoặc nhiều sao đồng hành, khiến động lực học quỹ đạo của chúng (cũng như của bất kỳ hành tinh nào mà chúng có thể sở hữu) trở nên phức tạp hơn.
Tuy nhiên, một bài báo mới được công bố dưới dạng bản tiền in trên arXiv, đề xuất một sứ mệnh Small Explorer mới của NASA có tên Searching for Habitable Exoplanets with Relative Astrometry (SHERA) (Tạm dịch: Tìm kiếm các ngoại hành tinh sống được bằng phép đo thiên văn tương đối), nhằm tận dụng những động lực học phức tạp này để tìm kiếm các thế giới có kích thước tương đương Trái Đất trong những hệ nhiều sao.
Hiện nay, có ba phương pháp chính mà các nhà thiên văn sử dụng để săn tìm ngoại hành tinh. Các sứ mệnh như Kepler và Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh (TESS) sử dụng kỹ thuật gọi là phương pháp quá cảnh: theo dõi những sự sụt giảm nhỏ trong ánh sáng của một ngôi sao khi một hành tinh đi qua phía trước nó. Mặc dù kỹ thuật này đã đạt được thành công lớn, nó đòi hỏi một sự sắp xếp quỹ đạo khá may mắn, bởi quỹ đạo của hành tinh phải thẳng hàng với Trái Đất để phương pháp này đạt hiệu quả cao nhất.
Phương pháp thứ hai, được sử dụng bởi nhiều kính quang phổ mặt đất, là phép đo vận tốc xuyên tâm (RV). Phương pháp này đo sự “chao đảo” của một ngôi sao do hành tinh có quỹ đạo quanh nó gây ra. Tuy nhiên, một hành tinh dạng Trái Đất kéo một ngôi sao dạng Mặt Trời từ khoảng cách một đơn vị thiên văn (AU) chỉ khiến ngôi sao dịch chuyển với vận tốc khoảng 9 cm/s, trong khi giới hạn của các thiết bị hiện nay là khoảng 50 cm/s do hoạt động trên bề mặt ngôi sao. Bì vậy kỹ thuật này chưa thể được sử dụng để tìm một hành tinh tương tự Trái Đất.
Điều đó để lại một lựa chọn khác là đo vị trí thiên thể. Kỹ thuật này đo chính xác vị trí của các ngôi sao so với một trường nền gồm những ngôi sao khác. Nhưng một lần nữa, các nhà thiên văn lại gặp vấn đề về độ nhạy. Đối với một hành tinh như Trái Đất có quỹ đạo quanh một ngôi sao dạng Mặt Trời cách chúng ta 33 năm ánh sáng, “sự chao đảo” do hành tinh gây ra chỉ tương ứng với chuyển động khoảng 0,3 micro giây cung (µas). Sứ mệnh đo thiên văn mạnh nhất hiện nay của chúng ta là GAIA, có độ chính xác khoảng 100 µas, lớn hơn nhiều bậc độ lớn so với mức cần thiết để tìm loại hành tinh này.
SHERA học hỏi từ GAIA, nhưng có một điểm khác biệt. Thay vì lập bản đồ vị trí của một ngôi sao so với nền các ngôi sao mờ, vốn có thể tạo ra một mức “nhiễu” nền khó loại bỏ, SHERA tập trung vào các cặp sao kép sáng nhưng nằm gần nhau. Vì các sao kép liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn, chúng đóng vai trò như những điểm tham chiếu cùng chuyển động trong nền sao. Việc đo chính xác khoảng cách giữa chúng giúp loại bỏ mọi sai số nền do các ngôi sao phía sau gây ra, đồng thời triệt tiêu những biến dạng quang học quy mô lớn vốn có thể làm sai lệch dữ liệu.
Nhưng nếu một trong những sao dạng Mặt Trời trong hệ sao kép (và cần nói rõ rằng cả hai đều có thể giống Mặt Trời) có một ngoại hành tinh, hành tinh đó sẽ gây ra sự thay đổi tuần hoàn trong khoảng cách tương đối giữa hai sao. Và đó chính xác là tín hiệu mà SHERA được thiết kế để phát hiện. Tuy nhiên, để làm được điều đó cần đến một số công nghệ rất tinh vi, tương tự những công nghệ được sử dụng trong chế tạo chất bán dẫn.
Để đạt độ chính xác dưới micro giây cung cần thiết, SHERA sử dụng một thứ gọi là đồng tử nhiễu xạ (diffractive pupil). Bộ phận này được tạo ra bằng quy trình quang khắc bằng chùm electron (tương tự quy trình được sử dụng để chế tạo chip máy tính), nhằm tạo một mẫu pha phức tạp trên gương của một kính thiên văn không gian đường kính 22 cm. Mẫu phức tạp này có ba chức năng chính.
Thứ nhất, nó hoạt động như một thước đo quang học, theo dõi sự thay đổi theo thời gian của các biến dạng quang học của các ngôi sao cũng như sự giãn nở nhiệt của chúng. Nó cũng trải ánh sáng sao lên nhiều điểm ảnh theo một mẫu đã biết, cho phép thiết bị lấy trung bình và loại bỏ những khiếm khuyết cực nhỏ của chính bộ dò. Cuối cùng, nó ngăn hoạt động của ngôi sao tạo ra tín hiệu giống với tín hiệu dự kiến từ một hành tinh, bằng cách theo dõi phổ của ngôi sao và hiệu chỉnh mọi thay đổi trong phổ cũng như các vạch hấp thụ có thể do vết đen Mặt Trời gây ra, thay vì do sự thay đổi khoảng cách tương đối giữa hai sao trong hệ sao kép.
Nhóm SHERA đã lập danh sách 7 hệ sao kép gần chúng ta, nằm trong phạm vi 17 parsec (khoảng 55 năm ánh sáng) tính từ Trái Đất. Qua đó, sứ mệnh sẽ hướng tới ba mục tiêu khoa học chính. Thứ nhất là tìm kiếm bất kỳ hành tinh nào có khối lượng tương đương Trái Đất quanh những ngôi sao mục tiêu gần nhất. Thứ hai là kiểm tra liệu các hệ sao kép gần có cản trở quá trình hình thành hành tinh ở những khoảng cách có nhiệt độ phù hợp hay không. Chúng ta đã biết rằng chúng có thể cản trở quá trình này ở một số khoảng cách. Thứ ba là cung cấp thêm thông tin cho dữ liệu vận tốc xuyên tâm thu được từ mặt đất bằng cách kết hợp dữ liệu đo thiên văn của nó với các phép đo vận tốc xuyên tâm từ mặt đất.
Theo các tính toán của nhóm tác giả, dựa trên tỷ lệ phát hiện tiêu chuẩn, sứ mệnh này được kỳ vọng sẽ tìm thấy khoảng bốn hành tinh nhỏ nằm trong vùng ở được quanh các ngôi sao mục tiêu. Điều quan trọng là ngay cả khi tìm thấy ít hơn con số đó, kết quả vẫn có ý nghĩa. Họ tính toán rằng nếu tìm thấy dưới hai hành tinh trong mẫu, điều đó sẽ cho thấy tỷ lệ xuất hiện của các hành tinh trong vùng ở được quanh các hệ sao kép thấp hơn đáng kể so với mức dự kiến quanh các sao đơn.
Nhưng có lẽ điều quan trọng nhất ở SHERA là một sứ mệnh khác mà nó sẽ góp phần hỗ trợ: Đài quan sát Các Thế giới Có thể Ở được (Habitable Worlds Observatory - HWO). Mười ba trong số mười bốn ngôi sao trong danh sách mục tiêu của SHERA được xếp vào nhóm mục tiêu cấp 1 của HWO. Vì đài quan sát khổng lồ và đắt đỏ này có thể phải dành một lượng thời gian đáng kể chỉ để chứng minh sự tồn tại của một hành tinh nên SHERA, vốn được thiết kế như một sứ mệnh Small Explorer (SMEX) tương đối ít tốn kém của NASA và về cơ bản là phiên bản nâng cấp của vệ tinh CubeSat 16U TOLIMAN vốn ban đầu được thiết kế để hướng tới Alpha Centauri, có thể giúp giảm tới 40% thời gian mà HWO cần để xác định đặc điểm của các hành tinh quanh những ngôi sao đó (nếu thực sự có hành tinh). Đây là một khoản tiết kiệm thời gian rất lớn đối với một đài quan sát có chi phí cao như vậy.
Cần lưu ý rằng hiện chưa có kế hoạch chính thức nào để SHERA trở thành một sứ mệnh được NASA thông qua. HWO dự kiến được phóng vào cuối thập kỷ tới, hoặc thực tế hơn có thể là vào đầu những năm 2040, vì vậy vẫn còn khá lâu trước khi cơ hội ứng dụng này không còn phù hợp. Với chi phí tương đối thấp, sứ mệnh này thậm chí có khả năng được tài trợ tư nhân - nhưng hiện tại, vẫn chưa rõ liệu chúng ta có bao giờ được chứng kiến thiết bị săn tìm hành tinh chuyên biệt này thực sự bay vào không gian hay không.
Nguyễn Đình Nam
Theo Universetoday
