Phát hiện bằng chứng về hành tinh thứ chín của Hệ Mặt Trời

Các nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ California (Caltech) đã tìm ra bằng chứng về một hành tinh khổng lồ có quĩ đạo lớn và kì lạ ở phần ngoài Hệ Mặt Trời. Thiên thể mà các nhà thiên văn học đang tạm gọi là Hành tinh số chín (Planet Nine), có khối lượng khoảng 10 lần khối lượng Trái Đất và quĩ đạo xa hơn quĩ đạo của Sao Hải Vương khoảng 20 lần.

Các nhà nghiên cứu gồm Konstantin Batygin và Mike Brown đã phát hiện sự tồn tại của hành tinh này qua mô hình toán học và giả lập máy tính nhưng chưa quan sát được nó một cách trực tiếp. "Đây hẳn là hành tinh thứ chín thực sự", Brown nói, "Chỉ có hai hành tinh thực sự từng được khám phá kể từ thời cổ đại, và đây có thể là hành tinh thứ ba. Đó là một phần quan trọng của Hệ Mặt Trời vẫn còn đợi được tìm kiếm, và điều đó khá là thú vị".

Brown nhấn mạnh rằng hành tinh thứ chín được giả định này có khối lượng khoảng 5.000 lần Sao Diêm Vương - đủ lớn để không cần phải tranh luận xem nó có đúng là hành tinh hay không. Khác với nhóm các thiên thể nhỏ hơn được gọi là các hành tinh lùn, Hành tinh số 9 đóng góp tác động hấp dẫn của nó vào khu vực lân cận của Hệ Mặt Trời. Trên thực tế, nó tạo nên một khu vực chịu ảnh hưởng lớn hơn bất cứ hành tinh nào từng được biết tới.

Batygin và Brown mô tả nghiên cứu của họ trên Asonomical Journal và nói rằng Hành tinh số 9 có thể giúp hỗ trợ ra sao cho việc giải thích những thành phần bí ẩn trong đám các vật thể băng ở xa hơn Sao Hải Vương được biết tới với cái tên Vành đai Kuiper.

"Mặc dù chúng tôi lúc đầu cũng hoài nghi về việc hành tinh này có thể tồn tại, nhưng khi tiếp tục điều tra quĩ đạo của nó và vai trò của nó đối với phần ngoài của Hệ Mặt Trời, chúng tôi được thuyết phục rằng nó thực sự ở đó", Batygin - hiện là trợ lý giáo sư về khoa học hành tinh cho biết, "Lần đầu tiên sau hơn 150 năm, có một bằng chứng chắc chắc cho thấy thống kê về Hệ Mặt Trời là chưa hoàn chỉnh".

Con đường dẫn tới khám phá lý thuyết này không hề đơn giản và dễ dàng. Năm 2014, nguyên là tiến sĩ làm việc cùng Brown là Chad Trujillo và đồng nghiệp Scott Shepherd của ông đã xuất bản một bài báo nhấn mạnh rằng 13 trong số những thiên thể xa nhất của vành đai Kuiper có liên hệ quĩ đạo chưa được làm rõ.

Để giải thích sự trùng hợp này, họ gợi ý rằng có thể có sự tồn tại của một hành tinh nhỏ. Brown nghĩ rằng không có khả năng về một hành tinh như thế, dù vậy sự tò mò của ông với đề tài này được nảy sinh.

Ông đã mang chuyện này tới với Batygin và hai người bắt đầu chương trình hợp tác điều tra các thiên thể ở khoảng cách xa kéo dài 18 tháng. Với vai trò một người là nhà quan sát và người kia là chuyên gia lý thuyết, hai nhà nghiên cứu đã tiếp cận công việc từ những quan điểm rất khác nhau.

Brown giống như một người muốn nhìn lên bầu trời và đánh dấu tất mọi thứ có thể thấy được, còn Batygin nhìn mọi thứ dưới góc nhìn vật lý và động lực học. Sự khác biệt này cho phép hai nhà nghiên cứu thách thức ý tưởng của nhau và cùng xem xét những khả năng mới.

Khá nhanh chóng, Batygin và Brown nhận ra rằng 6 thiên thể xa nhất trong tập hợp ban đầu của Trujillo và Shepherd tất cả đều có quĩ đạo elip theo cùng một chiều trong không gian. Đây là một điều gây ngạc nhiên vì các điểm ngoài cùng của quĩ đạo các thiên thể này chuyển động quanh Hệ Mặt Trời, và chúng chuyển động với vận tốc khác nhau.

"Nó gần giống như có 6 kim trên một chiếc đồng hồ tất cả đều chuyển động với vận tốc khác nhau, và khi bạn bỗng nhìn lên, tất cả chúng đều ở cùng vị trí", giáo sư Brown cho biết. Khả năng để điều này xảy ra chỉ khoảng một phần trăm, ông khẳng định.

Nhưng trên hết, quĩ đạo của cả 6 thiên thể này có cùng một độ nghiêng là khoảng 30 độ so với mặt phẳng quĩ đạo chung của 8 hành tinh đã biết. Khả năng để việc này xảy ra là chỉ 0,007%. "Về cơ bản điều này không thể xảy ra ngẫu nhiên", Brown bổ sung, "Vậy nên chúng tôi nghĩ rằng phải có gì đó khác định hình các quĩ đạo đó".

Khả năng đầu tiên mà họ tìm hiểu là việc có thể có đủ nhiều thiên thể ở khoảng cách lớn trong vành đai Kuiper - một số trong đó chưa được tìm ra - để tạo ra lực hấp dẫn đủ để giữ cho toàn bộ nhóm vật thể. Các nhà nghiên cứu nhanh chóng bỏ qua khả năng này vì như vậy nó đòi hỏi vành đai Kuiper phải nặng gấp 100 lần đã biết, và điều đó là không thể. Việc này đưa họ tới với ý tưởng về một hành tinh.

Việc đầu tiên mà hai nhà nghiên cứu làm là chạy các giả lập có sự tham gia của một hành tinh ở khoảng cách xa quanh quĩ đạo của sáu thiên thể thuộc vành đai Kuiper nêu trên. Batygin cho biết việc này đã gần được nhưng lại không cung cấp được tâm sai quĩ đạo chính xác như quan sát.

Sau đó, họ nhận thất nếu họ chạy các giả lập với một hành tinh lớn có quĩ đạo bất thường - một quĩ đạo có điểm cận nhật (điểm gần Mặt Trời nhất trên quĩ đạo của thiên thể) lệch 180 độ so với cận nhật của tất cả các thiên thể và hành tinh khác.

"Phản ứng tự nhiên của bạn sẽ là 'Mô hình quĩ đạo này là không thể. Nó không thể bền vì nó khiến hành tinh và các thiên thể kia có thể gặp và va chạm với nhau ngay" - Batygin nói. Nhưng thông qua một nguyên lý cơ học gọi là cộng hưởng trung bình chuyển động, quĩ đạo khác thường của hành tinh thứ chín này thực ra có tác dụng ngăn các thiên thể Kuiper va chạm với nó và giữ chúng trên quĩ đạo.

Khi các thiên thể tiến gần nhau chúng trao đổi năng lượng. Chẳng hạn, cứ mỗi bốn lần quĩ đạo của Hành tinh số 9 thì một vật thể Kuiper trong số nêu trên hoàn thành được chín quĩ đạo. Chúng không bao giờ va chạm. Hành tinh vừa kéo vừa đấy các vật thể Kuiper giống như một người mẹ đẩy chiếc nôi của đứa con cho nó tiếp tục đung đưa.

Nhưng từng bước một, khi hai nhà nghiên cứu đưa thêm vào các thành phần mới và bổ sung các hệ quả trong mô hình, họ đã bị thuyết phục. "Một lý thuyết tốt không chỉ giải thích những thứ mà bạn đưa ra để giải thích. Nó còn cần giải thích được những thứ bạn không hề đặt ra và dự đoán những thứ có thể kiểm tra được" - Batygin nói.

Sự thật là sự tồn tại của Hành tinh số 9 đã giải thích được hơn cả sự thẳng hàng của các thiên thể ở vành đai Kuiper. Nó còn mang tới giải thích cho những quĩ đạo bí ẩn trước đây còn chưa được làm rõ là Sedna đã được Brown tìm thấy năm 2003 và 2012 VP113 được phát hiện năm 2914 bởi Trujillo và Sheperd.

Điều đáng nói hơn nữa trong nghiên cứu này là các nhà nghiên cứu nhận ra rằng mô phỏng của họ chỉ ra rằng có thể có những thiên thể khác nữa nằm trên quĩ đạo nghiêng so với mặt phẳng quĩ đạo của các hành tinh.

Hành tinh số 9 đã đến từ đâu và vì sao nó lại nằm lại ở phần ngoài của Hệ Mặt Trời? Các nhà khoa học từ lâu đã tin rằng Hệ Mặt Trời sơ khai đã khởi điểm với bốn lõi hành tinh chính, thu lấy toàn bộ khí quanh chúng và toạ thành bốn hành tinh khí là Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.

Theo thời gian, các vụ va chạm và bùng phát định hình chúng và đẩy chúng khỏi vị trí ban đầu. "Nhưng không có lí do gì để có tới năm lõi chứ không phải là bốn" - Brown nói. Hành tinh số 9 có thể tạo thành từ lõi thứ 5, và nếu nó quá gần Sao Mộc hay Sao Thổ, nó có thể bị đẩy ra quĩ đạo xa.

Batygin và Brown tiếp tục hoàn thiên các mô phỏng của họ và tìm hiểu thêm về quĩ đạo của hành tinh và ảnh hưởng của nó với vùng xa của Hệ Mặt Trời. Đồng thời, Brown và các đồng nghiệp khác đã bắt đầu tìm kiếm bị trí của Hành tinh số 9. Họ mới chỉ biết tới dạng quĩ đạo của hành tinh, chưa biết chính xác của nó trên quĩ đạo hiện nay.

Nếu nó đang nằm gần cận nhật, các nhà thiên văn học sẽ có thể tìm thấy nó qua các bức ảnh đã chụp ở các khảo sát trước đây. Nếu nó ở điểm xa nhất trên quĩ đạo thì các kính thiên văn lớn nhất thế giới như cặp kính 10m của đài quan sát Kech và kính Subaru (cả hai đều ở Mauna Kea, Hawaii) sẽ cần được huy động để tìm nó. Còn nếu Hành tinh số 9 đang ở bất cứ chỗ nào khác ở giữa quĩ đạo, rất nhiều kính thiên văn sẽ cần tới để tìm kiếm nó.

"Tôi muốn tìm thấy nó", giáo sư Brown khẳng định, "Nhưng tôi cũng sẽ hoàn toàn hạnh phúc nếu ai đó khác tìm thấy nó. Đó là lí do tại sao chúng tôi công bố phát hiện này. Chúng tôi hi vọng những người khác sẽ thấy hứng thú và bắt đầu tìm kiếm".