Xác định khối lượng ngoại hành tinh bằng quang phổ ánh sáng

Do khối lượng của một hành tinh có thể cho chúng ta biết được rất nhiều thứ về tiềm năng sự sống và khả năng cư trú, nghiên cứu trên có thể mang lại một công cụ hữu ích để giải đáp cho câu hỏi liệu chúng ta có đơn độc trong vũ trụ bao la?

Mặc dù đã có không ít những thông báo về việc tìm ra những hành tinh có kích thước giống Trái Đất, khoảng cách giữa chúng và sao chủ thích hợp để nước lỏng tồn tại, tuy nhiên những yếu tố này chưa đủ để xác định một hành tinh có thể sống được.

Thử lấy một ví dụ trong hệ Mặt Trời của chúng ta. Có 3 hành tinh với kích thước và khoảng cách lý tưởng nhưng chỉ có 1 trong số đó có sự sống, đó chính là Trái Đất. Trong khi đó sao Kim và sao Hoả vẫn chưa đủ điều kiện. Sao Kim thì không khác gì địa ngục với những cơn mưa axit sulfuric và nhiệt độ có thể làm nóng chảy cả chì. Còn sao Hoả thì quá khô và thường xuyên bị bắn phá bởi các bức xạ.

Những gì giới khoa học đang săn tìm là dữ liệu về các ngoại hành tinh tiềm năng cho sự sống. Có rất nhiều yếu tố và một trong những yếu tố quan trọng nhất là khối lượng của hành tinh. Nếu biết được kích thước, khối lượng của hành tinh sẽ tiết lộ nhiều điều về đặc tính tự nhiên của hành tinh đó. Ví dụ, nó có thể cho bạn biết được thành phần chính của hành tinh là đá, giống Trái Đất hay chỉ toàn khí giống Hải Vương tinh.

Sàng lọc những hành tinh khí như Hải Vương tinh sẽ giúp tăng tốc tiến trình săn tìm nhưng việc biết được khối lượng của hành tinh sẽ giúp các nhà khoa học suy ra các yếu tố quan trọng khác, chẳng hạn như đặc tính của bầu khí quyển, hoạt động kiến tạo và từ trường của hành tinh liệu có bảo vệ nó trước các tia vũ trụ và gió mặt trời hay không. Tất cả những yếu tố này nhiều yếu tố khác đều rất quan trọng trong việc săn tìm sự sống.

Kính thiên văn vũ trụ Hubble

Theo MIT thì các kỹ thuật hiện tại để tìm hiểu về khối lượng của ngoại hành tinh chưa thật sự hiệu quả. Lý do là các kỹ thuật này đều dựa trên việc đo đạt sự biến động của một ngôi sao khi có một hành tinh bay quanh nó. Dĩ nhiên phương pháp vẫn khả dụng nhưng chỉ tối ưu với những hành tinh rất lớn và bay rất gần với ngôi sao chủ. Vì vậy, giải pháp của MIT là khai thác quang phổ ánh sáng từ ngoại hành tinh. Chờ cho ngoại hành tinh bay ngang mặt trời (sao chủ) của nó, nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng các kính thiên văn vũ trụ cỡ lớn như Hubble hay Spitzer của NASA để ghi lại quang phổ của ánh sáng khi nó chiếu xuyên qua khí quyển của hành tinh. Dĩ nhiên, nếu hành tinh không có khí quyển thì sự sống không thể tồn tại được.

Ngoài việc cho phép các nhà thiên văn tìm ra kích thước của hành tinh, quang phổ ánh sáng truyền qua khí quyển hành tinh sẽ được sử dụng để xác định thành phần, nhiệt độ và áp suất của khí quyển trên hành tinh bằng một phương trình có sẵn. Theo nhóm nghiên cứu, nếu tìm ra cả 3 con số, khối lượng của hành tinh hoàn toàn có thể tính được.

Nhà nghiên cứu Julien de Wit đã sử dụng một hằng số toán học có từ thế kỷ 18 với tên gọi Euler-Mascheroni và chứng minh được rằng hằng số này cho phép suy ra từng kết quả của mỗi thông số trong quang phổ. Ông mô tả những kết quả này như một  "khoá mã hoá"của bầu khí quyển. Để kiểm nghiệm, nhóm nghiên cứu đã sử dụng quang phổ từ ngoại hành tinh 189733b, nằm cách Trái Đất 63 năm ánh sáng và họ đã tìm ra khối lượng. Khi so sánh thì kết quả này tương đương với kết quả thu được từ các phương pháp nghiên cứu thông thường.

Wit cho biết:  “Nó thật sự giúp bạn mở khoá mọi thứ và tiết lộ nhiều điều, ngoài những phương trình "điên rồ" trên để tìm khối lượng thì bạn có thể tìm hiểu về đặc tính khí quyển. Bạn có thể tìm thấy hằng số Euler-Mascheroni trong nhiều vấn đề vật lý và thật thú vị khi thấy hằng số này tái xuất hiện trong lĩnh vực khoa học hành tinh".