Các nhà thiên văn đã phát hiện hàng nghìn ngoại hành tinh quanh các ngôi sao đơn lẻ, nhưng lại tìm thấy rất ít ngoại hành tinh trong các hệ sao kép - mặc dù hai loại sao này phổ biến ngang nhau. Giờ đây, các nhà vật lý đã đưa ra lời giải thích cho sự thiếu vắng này.
Trong số hơn 4.500 sao được biết là có hành tinh, có một thống kê gây tò mò: mặc dù gần như tất cả các ngôi sao đều được cho là có hành tinh và hầu hết các sao được sinh ra theo cặp, nhưng số hành tinh quay quanh cả hai ngôi sao trong hệ kép lại cực kỳ hiếm.
Trong hơn 6.000 ngoại hành tinh đã được xác nhận cho đến nay - phần lớn được phát hiện bởi Kính thiên văn Không gian Kepler và Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh (TESS) của NASA - chỉ có 14 hành tinh được quan sát là quay quanh hệ sao kép. Lẽ ra con số này phải là hàng trăm. Vậy những hành tinh có hai mặt trời, giống như hành tinh Tatooine trong Star Wars, đang ở đâu?
Các nhà vật lý thiên văn tại Đại học California, Berkeley, và Đại học Mỹ tại Beirut hiện đã đề xuất một lời giải thích cho sự thiếu vắng các ngoại hành tinh quanh các sao kép này - và nguyên nhân là thuyết tương đối rộng của Einstein.
Trong hầu hết các hệ sao kép, hai ngôi sao có khối lượng gần giống nhau nhưng không hoàn toàn bằng nhau, và chuyển động quanh nhau theo quỹ đạo hình elip. Nếu có một hành tinh quay quanh cả hai ngôi sao, thì các lực hấp dẫn từ hai ngôi sao sẽ khiến trục quỹ đạo của hành tinh bị tiến động, tức là trục quay của nó đảo qua lại giống như trục của một con quay đang nghiêng dần do trọng lực Trái Đất.
Quỹ đạo của các sao kép cũng bị tiến động, nhưng chủ yếu là do hiệu ứng từ thuyết tương đối rộng. Theo thời gian, các lực triều giữa cặp sao làm thu hẹp quỹ đạo, và điều này có hai hệ quả: tốc độ tiến động của các ngôi sao tăng lên, nhưng tốc độ tiến động của hành tinh lại chậm lại. Khi hai tốc độ này cộng hưởng, quỹ đạo của hành tinh trở nên cực kỳ lệch tâm - nghĩa là nó vừa đi rất xa, nhưng cũng tiếp cận rất gần với cặp sao.
“Hai kịch bản có thể xảy ra: hoặc là hành tinh đến quá gần hai ngôi sao, bị phá hủy do lực triều hoặc bị nuốt chửng bởi một trong hai sao; hoặc là quỹ đạo của nó bị nhiễu loạn mạnh đến mức bị đẩy bật ra khỏi hệ,” Mohammad Farhat, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại UC Berkeley và là tác giả chính của bài báo, giải thích. “Dù theo cách nào, hành tinh cũng bị loại bỏ.”
Tuy vậy, Farhat lưu ý điều này không có nghĩa là các hệ sao kép không có hành tinh. Chỉ là những hành tinh còn sống sót sau quá trình tiến hóa này thường nằm quá xa để có thể được phát hiện bằng kỹ thuật quá cảnh (transit) mà Kepler và TESS sử dụng.
“Chắc chắn vẫn có những hành tinh ngoài kia. Chỉ là với các thiết bị hiện tại, chúng ta rất khó phát hiện ra chúng,” đồng tác giả Jihad Touma, giáo sư vật lý tại Đại học Mỹ ở Beirut, cho biết.
Kết quả nghiên cứu của họ đã được công bố ngày 8 tháng 12 trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters.
Một “sa mạc tuyệt đối”
Cả hai sứ mệnh Kepler và TESS đều tìm kiếm ngoại hành tinh bằng cách quan sát sự mờ đi nhẹ của ánh sáng từ ngôi sao khi hành tinh đi ngang qua phía trước. Kepler cũng đã phát hiện khoảng 3.000 hệ sao kép che khuất, khi một trong hai ngôi sao đi qua phía trước ngôi sao kia. Vì khoảng 10% các sao đơn như Mặt Trời có hành tinh lớn, các nhà thiên văn kỳ vọng sẽ thấy một tỷ lệ tương tự ở sao kép - tức khoảng 300 hành tinh. Thế nhưng, chỉ có 47 hành tinh tiềm năng được phát hiện quay quanh sao kép, và chỉ có 14 trong số đó được xác nhận.
Không có ngoại hành tinh nào trong số 14 hành tinh nói trên quay quanh các hệ sao kép có chu kỳ quỹ đạo dưới 7 ngày.
“Chúng ta thấy sự khan hiếm nói chung các hành tinh quanh sao kép, và đặc biệt là một ‘sa mạc tuyệt đối’ xung quanh các hệ sao có chu kỳ dưới bảy ngày,” Farhat nói. “Phần lớn các hệ kép che khuất là các hệ có quỹ đạo chặt chẽ - và chính là nơi mà chúng ta kỳ vọng sẽ tìm thấy nhiều hành tinh nhất.”
Các hệ sao kép có một vùng bất ổn định quanh chúng, nơi không hành tinh nào có thể tồn tại. Trong vùng này, tương tác ba vật thể giữa hai ngôi sao và hành tinh sẽ khiến hành tinh bị trục xuất hoặc bị nuốt chửng. Lạ thay, 12 trong số 14 hành tinh đã biết lại nằm ngay ngoài rìa vùng bất ổn định này - gợi ý rằng chúng đã di cư đến từ vùng xa hơn, bởi vì rất khó để hình thành hành tinh ngay tại rìa vùng hỗn loạn đó.
“Các hành tinh được hình thành từ dưới lên, bằng cách kết hợp các vi thể hành tinh. Nhưng hình thành một hành tinh ở rìa vùng bất ổn định cũng giống như cố gắng kết dính những bông tuyết giữa một cơn bão,” Farhat ví von.
Hình minh họa cho thấy một hành tinh (được biểu thị bằng vòng tròn màu đen) đang quay quanh một cặp sao. Nguồn: Trung tâm bay không gian Goddard của NASA.
Tiến động của Sao Thủy
Einstein đã công bố thuyết tương đối rộng năm 1915, mô tả trọng lực như sự uốn cong của kết cấu không-thời gian do vật chất gây ra - tương tự như người đứng trên tấm bạt lò xo làm cong bề mặt, khiến các vật khác lăn về phía họ. Quỹ đạo của Sao Thủy, vì nằm gần Mặt Trời, bị ảnh hưởng bởi sự uốn cong này và có tiến động nhiều hơn so với dự đoán của Newton - và chính điều này là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho lý thuyết của Einstein.
Hiệu ứng tương tự xảy ra khi hai vật thể (như sao kép) đến gần nhau. Lúc đầu, các cặp sao thường có khoảng cách xa, nhưng do tương tác với đám mây khí xung quanh khi mới hình thành, nhiều cặp sẽ tiến gần lại nhau theo thời gian. Khi khoảng cách thu hẹp xuống mức vài ngày quỹ đạo, hiệu ứng tiến động tương đối trở nên quan trọng và khiến điểm cận nhật cũng quay quanh sao.
Trong khi đó, quỹ đạo của hành tinh quanh hệ sao cũng bị tiến động do lực hấp dẫn của hai sao. Tuy nhiên, khi hai ngôi sao càng tiến lại gần, ảnh hưởng lên hành tinh yếu dần và tiến động của hành tinh chậm lại.
Khi hai tốc độ tiến động (của cặp sao và của hành tinh) trở nên đồng bộ, chúng rơi vào trạng thái cộng hưởng. Tại điểm này, quỹ đạo của hành tinh bắt đầu biến dạng thành hình elip rất dẹt - nó vừa đi rất xa, nhưng cũng rất gần với cặp sao tại điểm cận nhật.
Nếu điểm cận nhật rơi vào vùng bất ổn định, hành tinh hoặc bị đẩy văng ra khỏi hệ sao, hoặc tiếp cận quá gần và bị nuốt chửng. Vì quá trình này diễn ra chỉ trong vài chục triệu năm - ngắn hơn rất nhiều so với tuổi thọ hàng tỷ năm của các ngôi sao - nên các hành tinh quanh các sao kép chặt chẽ cực kỳ hiếm.
“Thật thú vị, gần một thế kỷ sau các tính toán của Einstein, các mô phỏng máy tính cho thấy hiệu ứng tương đối có thể đã cứu Sao Thủy khỏi bị trục xuất khỏi Hệ Mặt Trời do khuếch tán hỗn loạn,” Touma nói. “Giờ đây, chúng ta thấy những hiệu ứng tương tự lại đang phá vỡ các hệ hành tinh. Thuyết tương đối rộng vừa có thể giúp ổn định một số hệ, nhưng cũng có thể gây rối loạn cho các hệ khác.”
Bryan
Theo Phys.org
