Các nhà thiên văn phát hiện hành tinh khổng lồ nặng gấp 35 lần Trái Đất, ẩn trong một hệ sao đã biết

Các nhà khoa học đã phát hiện một hành tinh ngoài hành tinh ẩn giấu bằng cách xem xét quỹ đạo của những thế giới đã biết trong hệ sao, được gọi là Kepler-139.

Ngoại hành tinh mới phát hiện, có tên Kepler-139f, là một thế giới khổng lồ có khối lượng xấp xỉ gấp đôi sao Hải Vương và lớn gấp 35 lần khối lượng của Trái Đất, và mất 355 ngày để quay quanh ngôi sao của nó, các nhà thiên văn báo cáo trong một nghiên cứu xuất bản ngày 2/5 trên The Astrophysical Journal Letters. Mặc dù kích thước khổng lồ, Kepler-139f đã né tránh được việc phát hiện.

Lý do là kết quả đầu tiên từ Kepler space telescope của NASA, vốn đã phát hiện gần 3.000 hành tinh trong chín năm hoạt động của nó, dựa trên những hành tinh đi qua phía trước ngôi sao — tức là transit. Sự mờ đi tạm thời của ngôi sao cho phép các nhà thiên văn xác định hành tinh và tính toán kích thước của chúng. Nhưng Kepler không thể quan sát các hành tinh di chuyển ở trên hoặc dưới vùng nêm không gian giữa nó và ngôi sao, do đó bất kỳ hành tinh lệch khỏi vùng đó đều khó thấy.

Nhưng nếu thế giới ẩn đó là một phần của hệ có nhiều hành tinh, các nhà thiên văn có thể cố gắng tìm nó mặc dù quỹ đạo bị nghiêng. Kepler-139 có ba siêu Trái Đất đá chuyển tiếp; một hành tinh khí khổng lồ thứ tư sau đó đã được phát hiện. Những khoảng trống trong quỹ đạo của chúng gợi ý rằng có thể còn những hành tinh khác. Các phép đo chính xác về quỹ đạo cho phép các nhà thiên văn suy ra sự tồn tại của ít nhất một hành tinh nữa.

"Vấn đề không hoàn toàn là tìm các hành tinh không transit, mà là tìm những tình huống mà chúng ta có thể suy ra vị trí của hành tinh không transit đó," Caleb Lammers, một nghiên cứu sinh tại Department of Astrophysical Science ở Princeton và là đồng tác giả của nghiên cứu, nói với Space.com qua email.

Phát hiện Kepler-139f

Việc Kepler ban đầu nhận diện một hành tinh thường được theo dõi bằng các quan sát từ mặt đất. Bằng cách sử dụng phương pháp vận tốc hướng tâm (RV), các nhà thiên văn có thể đo mức độ hành tinh kéo ngôi sao của nó mạnh đến mức nào, cho phép họ xác định khối lượng hành tinh. Các phép đo RV cũng có thể tiết lộ những hành tinh mới, như đã xảy ra với hành tinh khí ngoài cùng, Kepler-139e.

Cùng lúc đó, mỗi hành tinh bị kéo không chỉ bởi ngôi sao của nó mà còn bởi các hành tinh khác trong hệ, bất kể hành tinh đó có thể nhìn thấy từ Trái Đất hay không. Những lực kéo này có thể ảnh hưởng đến tốc độ mà một hành tinh transit, tạo ra các "transit timing variations" (TTVs). Những biến đổi trong thời gian transit của các hành tinh có thể hé lộ những thế giới không cắt ngang phía trước ngôi sao.

"Khi bạn quan sát được các TTVs mà không thể quy cho các hành tinh đã biết, bạn có thể khá chắc chắn rằng có một vật thể vô hình trong hệ," Lammers nói.

Lammers và đồng nghiệp của ông Joshua Winn, một nhà khoa học tham gia trong nhóm Kepler và là đồng tác giả của nghiên cứu, đã tìm kiếm các khoảng trống trong các hệ đã biết. Sau đó, họ sử dụng cả các phép đo RV và TTV để săn tìm một thế giới bị mất tích, điều chỉnh lại các TTV hiện có dựa trên việc phát hiện Kepler-139e năm 2023.

"Điểm khác biệt trong trường hợp Kepler-139 là chúng tôi có các quan sát vận tốc hướng tâm rất chính xác nhưng bản thân chúng chưa đủ để kết luận về một hành tinh mới," Lammers nói. Khi kết hợp với các TTV, các quan sát tiết lộ một hành tinh thứ năm, Kepler-139f, nằm gọn giữa siêu-Trái Đất ngoài cùng và hành tinh khí.

Phát hiện mới này cũng giúp trả lời một câu hỏi về Kepler-139e. Báo cáo ban đầu về Kepler-139c, siêu-Trái Đất ngoài cùng, đưa ra một mật độ bất thường lớn đối với một hành tinh cỡ sub-Neptune.

Sự khác biệt xảy ra vì các tác giả trước đó không biết về Kepler-139f, nên họ đã gán một phần lực kéo của hành tinh này lên ngôi sao cho Kepler-139c. Dữ liệu mới cho thấy một mật độ điển hình hơn cho Kepler-139c trong khi để lại mật độ cho Kepler-139d và Kepler-139b về cơ bản không đổi. Những điều chỉnh này cung cấp bằng chứng gián tiếp cho Kepler-139f, Lammers nói.

Có thể còn những thế giới ẩn khác quanh Kepler-139. "Vẫn có khả năng tồn tại những hành tinh vô hình khác trong hệ," Lammers nói, chỉ vào khoảng trống nổi bật giữa các hành tinh b và c. "Thử thách là tìm ra chúng!"

Cả Kepler và nhiệm vụ săn hành tinh gần đây hơn của NASA, Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), đều nhạy cảm với các hành tinh quay gần ngôi sao hơn. Những hành tinh trong này có khả năng thực hiện nhiều lần transit hơn, cho phép các nhà khoa học xác nhận sự tồn tại của hành tinh. Nhưng các hành tinh transit có quỹ đạo rộng hơn chỉ thực hiện một vài lần đi qua, vì vậy chúng khó quan sát và xác nhận hơn.

Cùng lúc đó, phương pháp RV có xu hướng thiên về các hành tinh lớn hơn, vì hành tinh càng có khối lượng lớn thì càng kéo mạnh ngôi sao. Sự gần gũi giúp ích; lực kéo của hành tinh được khuếch đại theo bình phương nghịch đảo của khoảng cách. Do đó, một hành tinh cách gấp đôi sẽ chỉ có một phần tư lực hấp dẫn. Đó là lý do nhiều hành tinh ngoại đầu tiên được phát hiện là các hành tinh cỡ Jupiter quay quanh ngôi sao chỉ trong vài ngày.

"Có khả năng nhiều hệ hành tinh chứa những thế giới vô hình, đặc biệt là ở vùng ngoài của chúng," Lammers nói.

Nhưng sắp tới, những thế giới đó sẽ khó ẩn mình hơn. Vào năm 2026, European Space Agency sẽ phóng nhiệm vụ Planetary Transits and Oscillations of Stars (PLATO), nhiệm vụ này sẽ tiến hành khảo sát các hành tinh transit của riêng mình, cũng như tái quan sát trường của Kepler. Bằng cách cung cấp thêm thời gian transit cho các hành tinh được Kepler phát hiện hơn một thập kỷ trước, PLATO sẽ cải thiện các phép đo TTV để cho phép phát hiện thêm nhiều thế giới lệch quỹ đạo.

"Trong những năm tới, kỹ thuật phát hiện hành tinh bằng TTV có lẽ sẽ được thúc đẩy mạnh mẽ bởi sứ mệnh PLATO," Lammars nói.