Các nhà thiên văn học đấu tranh để tìm hiểu về các siêu Trái đất - lớn hơn Trái đất của chúng ta, nhỏ hơn Sao Hải Vương - loại hành tinh phổ biến nhất được tìm thấy bởi tàu vũ trụ Kepler.
Minh họa về kích thước được suy ra của một siêu Trái đất (ở giữa) so với Trái đất và Hải vương tinh. Qua Aldaron trên Wikipedia
Tàu vũ trụ NASA Kepler của NASA, được phóng lên trong một nhiệm vụ săn tìm hành tinh vào năm 2009, đã tìm kiếm một mảng nhỏ trên bầu trời và xác định được hơn 4.000 hành tinh ngoài hành tinh. Những thế giới xa xôi này quay quanh các ngôi sao khác ngoài mặt trời của chúng ta. Khảo sát của Kepler sườn là người đầu tiên cung cấp cái nhìn dứt khoát về tần số tương đối của các hành tinh như là một hàm của kích thước. Kết quả của nó cho thấy các hành tinh nhỏ phổ biến hơn nhiều so với các hành tinh lớn. Thật thú vị, các hành tinh phổ biến nhất là những hành tinh chỉ lớn hơn Trái đất một chút nhưng nhỏ hơn Sao Hải Vương - cái gọi là siêu Trái đất.
Không có siêu Trái đất trong hệ mặt trời của chúng ta. Trong khi các nhà thiên văn học ngày nay có thể nhìn khắp không gian xa xôi và tìm hiểu điều gì đó về kích thước và quỹ đạo của các siêu Trái đất, thì họ lại muốn biết siêu sao được tạo ra từ đâu?
Một siêu Trái đất có thể là một phiên bản lớn hơn của Trái đất của chúng ta - chủ yếu là đá, với bầu khí quyển. Hoặc nó có thể là một sao Hải Vương nhỏ, với một lõi băng đá lớn được gói gọn trong một lớp bao dày của hydro và heli. Hoặc một siêu trái đất có thể là một thế giới nước - một lõi đá bao bọc trong chăn nước và có lẽ là bầu khí quyển bao gồm hơi nước (tùy thuộc vào nhiệt độ của hành tinh).
Heather Knutson là trợ lý giáo sư khoa học hành tinh tại Caltech. Cô và các sinh viên của mình sử dụng các đài quan sát trên không gian như Kính viễn vọng Không gian Hubble và Spitzer để tìm hiểu thêm về các siêu Trái đất. Knutson nói:
Thật khó để nghĩ về những hành tinh này bởi vì chúng có thể có rất nhiều thành phần khác nhau và việc biết thành phần của chúng sẽ cho chúng ta biết rất nhiều về cách các hành tinh hình thành.
Ví dụ, do các hành tinh trong phạm vi kích thước này thu được phần lớn khối lượng của chúng bằng cách kéo vào và kết hợp vật liệu rắn, thế giới nước ban đầu phải hình thành cách xa các ngôi sao mẹ của chúng, nơi nhiệt độ đủ lạnh để nước đóng băng. Hầu hết các siêu Trái đất được biết đến ngày nay rất gần với các ngôi sao chủ của chúng. Nếu các siêu Trái đất thống trị nước trở nên phổ biến, nó sẽ chỉ ra rằng hầu hết các thế giới này không hình thành ở các địa điểm hiện tại của chúng mà thay vào đó di cư từ các quỹ đạo xa hơn.
Trong mô tả của họa sĩ này, hành tinh HAT-P-11b có kích cỡ sao Hải Vương giao nhau trước ngôi sao của nó.Hình ảnh qua NASA / JPL-Caltech
Knutson và nhóm của cô sử dụng các kính viễn vọng quay quanh để phân tích ánh sáng sao chiếu qua bầu khí quyển ngoài hành tinh khi các hành tinh này đi qua phía trước các ngôi sao của chúng, khi nhìn từ Trái đất. Bằng cách này, họ đã có thể mô tả gần hai chục hành tinh ngoại khí khổng lồ được gọi là nóng bỏng, cho thấy những thế giới này có nước, carbon monoxide, hydro, helium, và có khả năng là carbon dioxide và methane trong khí quyển của chúng.
Nhưng những gì về siêu trái đất? Cho đến nay, chỉ có một số ít đủ gần và quay quanh các ngôi sao đủ sáng để các nhà thiên văn học nghiên cứu chúng bằng các kính viễn vọng và kỹ thuật hiện có.
Siêu trái đất đầu tiên mà cộng đồng thiên văn nhắm đến cho các nghiên cứu khí quyển là GJ 1214b, trong chòm sao Ophiuchus. Dựa trên mật độ trung bình của nó (được xác định từ khối lượng và bán kính của nó), rõ ràng ngay từ đầu rằng hành tinh này không hoàn toàn là đá. Tuy nhiên, mật độ của nó có thể tương xứng với nhau bởi thành phần chủ yếu là nước hoặc thành phần giống như sao Hải Vương với lõi đá được bao quanh bởi một lớp khí dày.
Thông tin về bầu khí quyển có thể giúp các nhà thiên văn xác định đó là bầu khí quyển: một bầu khí quyển nhỏ của sao Hải Vương nên chứa rất nhiều hydro phân tử, trong khi bầu khí quyển thế giới nước nên bị chi phối bởi nước.
GJ 1214b đã trở thành mục tiêu phổ biến của Kính thiên văn vũ trụ Hubble kể từ khi được phát hiện vào năm 2009. Thật đáng thất vọng, sau chiến dịch Hubble đầu tiên do các nhà nghiên cứu tại Trung tâm vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian dẫn đầu, quang phổ trở lại không có dấu hiệu hóa học trong đó. không khí. Sau một loạt các quan sát nhạy cảm thứ hai do các nhà nghiên cứu tại Đại học Chicago dẫn đầu đã trả lại kết quả tương tự, rõ ràng là một tầng mây cao phải che dấu chữ ký của sự hấp thụ từ bầu khí quyển hành tinh. Knutson nói:
Thật thú vị khi biết rằng có những đám mây trên hành tinh, nhưng những đám mây đang cản trở những gì chúng ta thực sự muốn biết, đó là siêu Trái đất này được làm từ gì?
Bây giờ nhóm Knutson sườn đã nghiên cứu một siêu trái đất thứ hai: HD 97658b, theo hướng của chòm sao Leo. Họ báo cáo những phát hiện của họ trong vấn đề hiện tại của The Tạp chí vật lý thiên văn. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Hubble để đo mức giảm ánh sáng khi hành tinh đi qua phía trước ngôi sao mẹ của nó qua một loạt các bước sóng hồng ngoại để phát hiện những thay đổi nhỏ do hơi nước trong bầu khí quyển hành tinh.
Tuy nhiên, một lần nữa dữ liệu trở lại không có gì đặc biệt. Một lời giải thích là HD 97658b cũng được bao phủ trong các đám mây. Tuy nhiên, Knutson nói, cũng có khả năng hành tinh này có bầu khí quyển thiếu hydro. Bởi vì một bầu không khí như vậy có thể rất nhỏ gọn, nó sẽ làm cho các ngón tay của hơi nước và các phân tử khác trở nên rất nhỏ và khó phát hiện. Cô ấy nói:
Dữ liệu của chúng tôi không đủ chính xác để nói liệu đó có phải là các đám mây hay sự vắng mặt của hydro trong bầu khí quyển mà khiến cho phổ bị xẹp không. Đây chỉ là một cái nhìn đầu tiên nhanh chóng cho chúng ta một ý tưởng sơ bộ về bầu không khí trông như thế nào. Trong năm tới, chúng tôi sẽ sử dụng Hubble để quan sát hành tinh này một cách chi tiết hơn. Chúng tôi hy vọng những quan sát đó sẽ cung cấp một câu trả lời rõ ràng cho bí ẩn hiện tại.
Trong tương lai, các cuộc khảo sát mới, chẳng hạn như nhiệm vụ Kepler K2 mở rộng của NASA và Vệ tinh Khảo sát Exoplanet (TESS), dự kiến ra mắt vào năm 2017, sẽ xác định một mẫu lớn các mục tiêu siêu Trái đất mới.
Tất nhiên, cô nói, các nhà thiên văn học rất thích nghiên cứu các ngoại hành tinh có kích thước của Trái đất, nhưng những thế giới này chỉ hơi nhỏ và quá khó để quan sát với Hubble và Spitzer. Kính thiên văn vũ trụ NASA NASA James Webb, dự kiến ra mắt vào năm 2018, sẽ cung cấp cơ hội đầu tiên để nghiên cứu thêm các thế giới giống Trái đất. Cô nhận xét:
Siêu trái đất đang ở rìa của những gì chúng ta có thể nghiên cứu ngay bây giờ. Nhưng siêu Trái đất là một giải thưởng an ủi tốt, họ có thể thú vị theo cách riêng của họ, và họ cho chúng ta cơ hội khám phá các loại thế giới mới không có tương tự trong hệ mặt trời của chúng ta.