Sau nhiều năm khiến giới thiên văn học đau đầu, một hành tinh khí khổng lồ từng hoàn toàn "ẩn mình" bên trong vành đĩa bụi sáng rực của hệ sao Beta Pictoris cuối cùng đã lộ diện, nhờ Kính thiên văn Không gian James Webb (JWST) của NASA.
Hình ảnh minh họa cho thấy hệ sao Beta Pictoris với hành tinh ngoại khổng lồ Beta Pictoris được phát hiện ở bên phải. Nó có quỹ đạo rộng nhất trong ba hành tinh ngoại đã biết trong hệ thống này. Nguồn: NASA, ESA, CSA, STScI, Ralf Crawford (STScI) Điều đặc biệt là các nhà khoa học không phát hiện thế giới mới này bằng cách quan sát trực tiếp ánh sáng của nó như thông thường, mà thông qua những phân tử hóa học trong khí quyển – một phương pháp được đánh giá có thể mở ra kỷ nguyên mới trong việc săn tìm các ngoại hành tinh khó quan sát nhất.
Khám phá vừa được công bố trên tạp chí khoa học Astrophysical Journal Letters không chỉ bổ sung thêm một thành viên vào hệ hành tinh nổi tiếng Beta Pictoris, mà còn chứng minh sức mạnh vượt trội của James Webb trong việc "nhìn xuyên" những đám bụi vũ trụ dày đặc, nơi các kính thiên văn trước đây gần như bất lực.
Hệ sao Beta Pictoris xuất hiện hành tinh thứ ba
Từ lâu, Beta Pictoris đã là một trong những hệ sao được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất trong Dải Ngân Hà. Ngôi sao này nằm cách Trái Đất khoảng 63 năm ánh sáng và mới chỉ khoảng 23 triệu năm tuổi, tức còn rất trẻ nếu so với Mặt Trời có tuổi đời khoảng 4,6 tỷ năm.
Nhờ khoảng cách tương đối gần và độ tuổi trẻ, Beta Pictoris trở thành "phòng thí nghiệm tự nhiên" lý tưởng để các nhà thiên văn quan sát quá trình hình thành cũng như tiến hóa của các hệ hành tinh.
Phát hiện siêu Trái Đất có thể đang có người ngoài hành tinh sinh sống
Trước đây, hệ sao này đã nổi tiếng với hai hành tinh khí khổng lồ là Beta Pictoris b và Beta Pictoris c. Trong đó, Beta Pictoris b là một trong những ngoại hành tinh đầu tiên trên thế giới được chụp ảnh trực tiếp.
Giờ đây, việc phát hiện Beta Pictoris d giúp hệ sao này trở thành hệ hành tinh thứ hai từng được biết đến có ít nhất ba ngoại hành tinh được ghi nhận bằng hình ảnh trực tiếp.
Theo nhóm nghiên cứu, Beta Pictoris d có khối lượng ít nhất gấp hai lần sao Mộc, khiến nó trở thành hành tinh nhẹ nhất trong ba "gã khổng lồ" của hệ sao này.
Các mô hình quỹ đạo cho thấy hành tinh mới quay quanh ngôi sao ở khoảng cách khoảng 30 đơn vị thiên văn (AU), tương đương vị trí của sao Hải Vương trong Hệ Mặt Trời. Dù sở hữu quỹ đạo xa nhất trong ba hành tinh, Beta Pictoris d vẫn nằm bên trong rìa trong của đĩa bụi bao quanh ngôi sao.
Điều khiến phát hiện này trở nên đặc biệt là nhóm nghiên cứu hoàn toàn không chủ đích tìm kiếm một hành tinh mới.
Ban đầu, họ sử dụng thiết bị NIRSpec (Máy quang phổ cận hồng ngoại) trên James Webb để nghiên cứu khí quyển của Beta Pictoris b. Tuy nhiên, trong quá trình xử lý dữ liệu, một tín hiệu lạ bất ngờ xuất hiện.
Tiến sĩ Aidan Gibbs, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học California San Diego, cho biết: "Chúng tôi không hề tìm kiếm một hành tinh mới. Mục tiêu ban đầu chỉ là nghiên cứu hành tinh đã biết. Sau đó, một tín hiệu rất đặc trưng bất ngờ xuất hiện tại vị trí mà chúng tôi không ngờ tới”.
Thiết bị NIRSpec của James Webb sử dụng Integral Field Unit (IFU), cho phép đồng thời thu nhận hình ảnh và phổ ánh sáng tại từng điểm ảnh. Điều này giúp các nhà khoa học không chỉ nhìn thấy vật thể mà còn phân tích thành phần hóa học của nó.
Thay vì quan sát được phổ ánh sáng trơn tru phản xạ từ bụi vũ trụ, nhóm nghiên cứu phát hiện hàng loạt đỉnh và đáy lặp lại theo quy luật. Đây chính là các vạch hấp thụ của khí carbon monoxide (CO), tạo thành một "mã vạch hóa học" đặc trưng vốn chỉ xuất hiện trong khí quyển của các hành tinh khí khổng lồ.
Quang phổ hé lộ bản chất thật của hành tinh bí ẩn
Không chỉ xác định thành phần hóa học, kỹ thuật quang phổ còn cho phép đo chuyển động của vật thể.
Thông qua phép đo vận tốc xuyên tâm, nhóm nghiên cứu xác định nguồn phát tín hiệu có tốc độ, vị trí và hướng chuyển động hoàn toàn phù hợp với một hành tinh đang quay quanh Beta Pictoris.
Lộ diện ‘mặt trăng thứ hai’ của Trái Đất, tiểu hành tinh bí ẩn Kamoʻoalewa Những dữ liệu này đồng thời loại bỏ khả năng tín hiệu đến từ một ngôi sao nền ở rất xa hoặc một sao lùn nâu giàu carbon monoxide.
Nhà khoa học Jean-Baptiste Ruffio, thành viên nhóm nghiên cứu tại Đại học California San Diego, cho biết trong các bức ảnh ban đầu xuất hiện một vùng sáng bất thường.
Tuy nhiên, theo ông, các nhà thiên văn đã quen với việc nhiều "đốm sáng" thực chất chỉ là nhiễu thiết bị hoặc cấu trúc bên trong đĩa bụi.
Nhờ việc thu phổ ánh sáng cùng lúc với hình ảnh, nhóm nghiên cứu nhanh chóng xác nhận rằng đây thực sự là một hành tinh hoàn toàn mới.
Sau phát hiện ban đầu, nhóm nghiên cứu tiếp tục xin thời gian quan sát bổ sung trên James Webb bằng thiết bị MIRI (Máy quan sát hồng ngoại trung).
Các quan sát tiếp theo đã phát hiện thêm khí methane và hơi nước trong khí quyển của Beta Pictoris d. Sự xuất hiện của hai phân tử này không chỉ củng cố bằng chứng rằng đây là một hành tinh thực sự mà còn giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cấu trúc khí quyển của nó.
Song song với đó, một nhóm nghiên cứu độc lập do các nhà khoa học tại Đại học Edinburgh và Đài thiên văn Nam Âu (ESO) dẫn đầu cũng phân tích dữ liệu từ Kính thiên văn VLT cùng thiết bị NIRCam của James Webb. Kết quả hoàn toàn trùng khớp, qua đó xác nhận sự tồn tại của Beta Pictoris d.
"Nhìn xuyên" đĩa bụi – lợi thế vượt trội của James Webb
Một trong những nguyên nhân khiến Beta Pictoris d có thể ẩn mình suốt nhiều năm là bởi nó nằm bên trong một trong những đĩa bụi sáng nhất từng được quan sát.
Các hạt bụi tán xạ ánh sáng của ngôi sao giống như sương mù dày đặc, khiến việc phân biệt đâu là hành tinh thật và đâu chỉ là cấu trúc của đĩa bụi trở nên vô cùng khó khăn.