NHỮNG SIÊU TRÁI ĐẤT CÓ LẼ KHÔNG HỀ TỒN TẠI

Lý thuyết hình thành hành tinh đặt ra một mức trần cho các thế giới đá. Một lõi đang lớn lên vượt qua khoảng 10 lần khối lượng Trái Đất sẽ không thể tránh khỏi bồi tụ khí mất kiểm soát: nó hút khí từ đĩa quanh ngôi sao trẻ và trở thành một hành tinh giàu khí. Các mô phỏng va chạm và xói mòn cũng cho cùng giới hạn đó. Số đo của các hành tinh thực còn đặt điểm chuyển từ đá trơ trụi sang các thế giới bọc khí ở mức thấp hơn, khoảng 4 đến 5 lần khối lượng Trái Đất.

Vậy mà trong những năm gần đây, đã xuất hiện vài hành tinh có mật độ của đá và khối lượng vượt xa mười lần Trái Đất. Một số nhà thiên văn gọi chúng là “Siêu Trái Đất”. Giải thích chúng sẽ cần đến những lịch sử kỳ lạ: các vụ va chạm muộn sau khi đĩa khí biến mất, hay lõi trơ trụi của những hành tinh khổng lồ trước kia.

Casey Brinkman và Nicolas Cowan, thuộc Viện Không gian Trottier tại Đại học McGill ở Montréal, đặt ra một câu hỏi đơn giản hơn: những hành tinh này có thật sự nặng đến vậy không?

Cân hành tinh bằng sự lắc lư của ngôi sao

Phần lớn các khối lượng này đến từ vận tốc xuyên tâm: khi một hành tinh quay quanh, nó kéo ngôi sao qua lại, và ánh sáng của ngôi sao thay đổi màu sắc cực kỳ nhẹ. Độ lớn của sự lắc lư đó cho biết khối lượng hành tinh.

Rắc rối là các ngôi sao không hề yên tĩnh. Các ngôi sao hoạt động từ tính mạnh mang những vết đen và mảng sáng quay cùng ngôi sao. Chúng thêm nhiễu vào các phép đo, và một vết đen xoay vào tầm nhìn có thể bắt chước — hoặc thổi phồng — tín hiệu của một hành tinh.

Tám nghi phạm, một điểm chung

Hai nhà nghiên cứu bắt đầu từ Kho Lưu trữ Ngoại hành tinh của NASA và giữ lại 333 hành tinh nhỏ hơn bốn lần bán kính Trái Đất, có bán kính đáng tin cậy và khối lượng đo bằng vận tốc xuyên tâm. Họ tìm thấy:

• 4 hành tinh có mật độ đá và hơn 10 lần khối lượng Trái Đất: WASP-84 c, TOI-1347 b, TOI-2322 c và HD 63433 b.
• 4 hành tinh nữa vượt giới hạn mà gần như không có lớp vỏ hydro-heli: GJ 523 b, TOI-815 c, HD 18599 b và GJ 143 b.

Để đo mức độ hoạt động của từng ngôi sao chủ, họ dùng một chỉ số dựa trên ánh sáng canxi phát ra từ lớp ngoài nóng của ngôi sao, lớp này sáng lên khi bị nung nóng bởi từ trường. Trên giá trị −4,75, một ngôi sao được xem là hoạt động mạnh. Các phép đo độ sáng của sứ mệnh TESS cũng cho thấy mỗi ngôi sao tối đi rồi sáng lên khi các vết đen của nó quay.

Kết quả: cả tám đều quay quanh các ngôi sao hoạt động mạnh. Trong 37 ngôi sao có cả khối lượng hành tinh lẫn số đo hoạt động, chỉ 13 ngôi sao hoạt động mạnh.

Xác suất của một sự trùng hợp

Nếu các Siêu Trái Đất phân bố đều, xác suất để cả bốn hành tinh đá đều nằm quanh các ngôi sao hoạt động mạnh sẽ là:

p = 13/37 × 12/36 × 11/35 × 10/34 = 0,01

Khoảng 1%. Thêm bốn hành tinh còn lại, nó giảm xuống 0,0003.

Liệu các ngôi sao trẻ, hoạt động mạnh chỉ đơn giản là giỏi tạo ra Siêu Trái Đất hơn? Các tác giả không thấy lý do nào. Tạo ra một hành tinh như vậy sẽ cần thêm các vụ va chạm, một cuộc di chuyển vào trong tới những quỹ đạo 0,8 đến 20 ngày, và có lẽ cả việc bị tước mất một bầu khí quyển dày — tất cả đều cần thời gian. Nếu có thì những thế giới này phải ưu ái các ngôi sao già hơn.

Khối lượng sai ở đâu

Mọi phép đo ban đầu đều dùng quá trình Gauss (Gaussian process), một công cụ thống kê mô hình hóa nhiễu của ngôi sao để tách được tín hiệu của hành tinh. Nhưng một mô hình quá linh hoạt có thể hấp thụ nhầm tín hiệu và cho ra khối lượng quá lớn. Các trường hợp trông khá mong manh:

• Quanh WASP-84, độ rung của ngôi sao (khoảng 13 m/s) lớn hơn tín hiệu của hành tinh (7,7 m/s).
• TOI-2322 tự quay trong 21,28 ngày; hành tinh của nó quay quanh trong 20,23 ngày.
• HD 63433 b, nặng nhất với 37 lần khối lượng Trái Đất, hoàn toàn không được một nhóm thứ hai phát hiện, và nhóm này đặt giới hạn trên là 21 lần khối lượng Trái Đất.
• Ba trong số các hành tinh nằm dưới một ngưỡng tỉ số tín hiệu trên nhiễu đã công bố, mà dưới ngưỡng đó các mô hình như vậy được biết là không đáng tin cậy.

Các tác giả nhắc lại một tiền lệ: một hành tinh khác mà khối lượng hóa ra đã bị thổi phồng gấp ba lần bởi một tín hiệu tuần hoàn chưa được xử lý.

Không có người khổng lồ bằng đá — ít nhất là lúc này

Kết luận của họ: không có bằng chứng thuyết phục nào về các hành tinh đá trên mười lần khối lượng Trái Đất. Khối lượng đo bằng vận tốc xuyên tâm của các hành tinh quanh những ngôi sao hoạt động mạnh đáng bị hoài nghi, “đặc biệt là khi sự tồn tại của những hành tinh như vậy sẽ thách thức các quan niệm của chúng ta về sự hình thành hành tinh.” Họ đề xuất canh thời điểm quan sát sao cho cả hoạt động của ngôi sao lẫn hành tinh đều được lấy mẫu tốt.

Lập luận này mang tính thống kê và dựa trên một mẫu nhỏ: tám hành tinh và 37 ngôi sao. Các tác giả không làm lại các phép khớp khối lượng ban đầu.