Kepler có thể tiếp tục săn tìm ngoại hành tinh nhờ hiệu ứng vi thấu kính hấp dẫn

Vào tháng trước, kính thiên văn vũ trụ Kepler của NASA đã bất ngờ gặp sự cố với bánh điều hướng khiến con tàu không thể duy trì trạng thái chính xác để tiếp tục sứ mạng săn tìm các ngoại hành tinh (exoplanet). Mọi chuyện tưởng chừng như đã chấm hết với Kepler thì mới đây, 2 nhà nghiên cứu Keith Horne tại trường đại học St. Andrews và Andrew Gould đến từ đại học bang Ohio cho rằng Kepler vẫn có thể tiếp tục sứ mạng bằng cách khai thác hiệu ứng vi thấu kính hấp dẫn.

Trước khi bị hỏng, Kepler đã phát hiện được hơn 3000 ngoại hành tinh và 132 trong số đó đã được xác nhận. Kepler săn tìm các ngoại hành tinh bằng cách đo nhưng thay đổi về độ sáng của một ngôi sao chủ khi có một hành tinh bay ngang (phương pháp qua mặt - transit method). Vì vậy, Kepler cần duy trì độ ổn định cực cao trên quỹ đạo và khả năng kiểm soát chính xác để ghi nhận sự dịch chuyển rất nhanh của ngoại hành tinh với ngôi sao chủ mà nó quay quanh. Với việc bánh điều hướng thứ 2 bị hỏng, Kepler không thể duy trì trạng thái cần thiết để tiếp tục nhiệm vụ. Con tàu hiện tại đang nằng trong chế độ nghỉ để tiết kiệm nhiên liệu cho hệ thống tên lửa đẩy và các tấm pin quang điện vẫn hướng trực diện về phía Mặt Trời.

Trở lại với Horne và Gould, ý tưởng của họ dựa trên thực tế rằng không chỉ có duy nhất một phương pháp để phát hiện các ngoại hành tinh. Kepler vẫn có thể tiếp tục sứ mạng dựa trên hiện tượng vi thấu kính hấp dẫn.

Thấu kính hấp dẫn là một sản phẩm từ thuyết tương đối rộng của Einstein. Theo đó, ánh sáng từ một ngôi sao hay một nguồn phát sẽ bị bẻ cong nếu trên đường đi ánh sáng gặp phải những vật thể có khối lượng lớn, tạo ra lực hút hấp dẫn đủ mạnh, làm méo không gian. Lúc này, hình ảnh của ngôi sao hay nguồn phát quan sát được sẽ bị thay đổi, chia làm nhiều phần hoặc được hội tụ làm cường độ ánh sáng tăng lên. Nếu vật thể có khối lượng càng lớn, hiệu ứng càng rõ ràng. Tuy nhiên, thấu kính gây ra bởi các ngôi sao nhỏ vẫn có thể đo được.

Ánh sáng từ một nguồn phát ở xa bị bẻ cong khi đi qua một vật thể lớn. Mũi tên màu cam cho thấy vị trí biểu kiến của nguồn sáng phía sau. Trong khi mũi tên màu trắng cho thấy đường đi của ánh sáng từ vị trí thật của nguồn sáng.

Do thấu hính hấp dẫn trong vũ trụ thường bắt nguồn bởi các hố đen hoặc thiên hà nên những thấu kính có tỉ lệ nhỏ hơn được gọi là vi thấu kính. Nếu một hành tinh đang quay quanh một ngôi sao, khối lượng của hành tinh sẽ tạo ra hiệu ứng vi thấu kính và khi di chuyển, nó làm méo không gian. Hiện tượng này có thể đo được và từ những phép đo, nhiều đặc tính của hành tinh có thể được xác định.

Theo Horne và Gould, phương pháp đo vi thấu kính hấp dẫn không yêu cầu Kepler phải duy trì khả năng kiểm soát chính xác như phương pháp đo qua mặt. Hiện tượng hành tinh qua mặt sao chủ xảy ra rất nhanh, do đó Kepler phải liên tục thăm dò nhiều ngôi sao trong một thời gian dài để phát hiện khoảnh khắc này. Trong khi đó, hiện tượng vi thấu kính lớn hơn khoảng 10 lần so với hiện tượng qua mặt. Nó kéo dài trong vài tuần hoặc thậm chí vài tháng thay vì chỉ trong vài giờ hay vài phút như hiện tượng qua mặt và sự bóp méo do thấu kính có thể được phát hiện trong suốt quá trình xảy ra.

Horne và Gould tính toán rằng từ vị trí trong không gian, Kepler có thể kết hợp với các kính thiên văn mặt đất để nghiên cứu về tất cả các hiện tương vi thấu kính hấp dẫn trong khu vực mà nó đang quang sát. Từ đó, Kepler sẽ cùng với các kính thiên văn mặt đất thực hiện một phép đo có tên "thị sai vi thấu kính" - thực hiện một chuỗi các hình ảnh lập thể để phát hiện các hiệu ứng mà thông thường sẽ rất khó để nhận biết. Nó giống như việc thử xác định khoảng cách đến một vật thể bằng cách nhắm một mắt và nhìn bằng mắt còn lại.

Nếu Kepler được tái định hướng sử dụng, Horne và Gould cho biết nó có thể được dùng để khám phá một loại ngoại hành tinh khác. Phương pháp qua mặt được khai thác tốt nhất đối với những hành tinh quay gần ngôi sao chủ của chúng. Trong khi đó, phương pháp vi thấu kính lại rất phù hợp để tìm kiếm các hành tinh xa hơn. Vì vậy, Kepler có thể phát hiện những hành tinh lạnh, giống Trái Đất bên ngoài vành đai băng - nơi nước có thể hiện diện dưới dạng băng tuyết. Đồng thời, Kepler cũng có thể cung cấp dữ liệu có giá trị về các hệ hành tinh.

Một khi được tìm thấy, phương pháp vi thấu kinh sẽ giúp xác định nhiều đặc tính của hành tinh, chẳng hạn như khối lượng và khoảng cách, vị trí tương quan của nó với ngôi sao chủ và vị trí trong ngân hà. Thêm vào đó, phép đo cũng cho phép phát hiện các hành tinh quay quanh các sao lùn nâu, hố đen vũ trụ và các hệ sao lùn đôi.

Cho đến hiện tại, việc sử dụng Kepler để nghiên cứu về các vi thấu kính hấp dẫn vẫn là một ý tưởng. Nếu NASA quan tâm thì vấn đề còn lại sẽ là những câu hỏi như về mặt kỹ thuật thì liệu có khả thi, chi phí sẽ là bao nhiêu, tái sử dụng Kepler hay chế tạo một tàu vũ trụ mới rẻ hơn và liệu có thể viết lại phần mềm cho Kepler để thực hiện sứ mạng này hay không?

Theo: Gizmag

Tàu Kepler bất ngờ gặp sự cố, NASA đang tìm cách khắc phục

Hôm qua, cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ - NASA đã công bố tàu vũ trụ Kepler đã bất ngờ gặp sự cố. Bộ phận con quay hồi chuyển của Kepler có thể đã hỏng khiến hoạt động tự xoay định hướng của tàu bị sai lệch. Hiện tại, Kepler đang quay chậm với các tấm pin quang điện hướng đối diện với Mặt Trời và hoạt động liên lạc với Trái Đất liên tục gián đoạn do ăng-ten đã bị chuyển hướng. NASA vẫn đang cố gắng lấy lại khả năng kiểm soát nhưng chưa thành công.

Trước đó, Kepler đã gặp vấn đề với hệ thống kiểm soát trạng thái Thruster-Controlled Safe Mode nơi hoạt động điều khiển được chuyển đổi từ các bánh điều hướng sang hệ thống đẩy của tàu. NASA đã tìm cách đưa các bánh điều hướng phản ứng bình thường trở lại nhưng bánh số 4 đang giảm dần tốc độ quay xuống còn 0. Theo nhận định của NASA, đây chắc chắn là một hư hỏng về cấu trúc của bánh điều hướng.

Hiện tại, bộ phận kiểm soát sứ mạng trên Trái Đất đang chuẩn bị đưa Kepler vào trạng thái Point Rest State. Trong thời gian này, con tàu sẽ được nạp phần mềm mới cho phép kiểm soát trạng thái với lực đẩy tối thiểu, từ đó có thể duy trì giao tiếp liên tục trên băng tầng vô tuyến X và tiết kiệm nhiên liệu. Do đây là một chế độ vận hành mới nên nhóm nghiên cứu sẽ giám sát chặt chẽ con tàu. Sẽ mất từ vài ngày đến vài tuần để NASA đưa ra các lựa chọn khắc phục, trong đó bao gồm nổ lực phục hồi chức năng của bánh lái và xem xét khả năng sử dụng chế độ hybrid, điều hướng cho tàu bằng cả bánh lái lẫn mô-đun đẩy.

Tàu vũ trụ Kepler được NASA phóng lên quỹ đạo vào ngày 7 tháng 3 năm 2009. Sứ mạng của nó là khám phá những hành tinh giống Trái Đất nằm bên ngoài hệ Mặt Trời (exoplanet). Cho đến hiện tại, Kepler đã phát hiện được hơn 2740 hành tinh và 122 trong số đó đã được xác nhận. Nếu không thể duy trì trạng thái chính xác để hướng kính thiên văn vào khu vực dò tìm, sứ mạng của Kepler có thể sẽ dừng lại.

Theo: NASA; Gizmag

Phát hiện ngoại hành tinh bằng phương pháp gián tiếp dựa trên thuyết tương đối Einstein

Do thường xuất hiện mờ nhạt hơn so với sao mẹ, những hành tinh ngoài hệ Mặt Trời (exoplanet) thường được tìm thấy bằng các phương pháp gián tiếp, tức là thông qua các hiệu ứng thay vì quan sát trực tiếp. Hiện đã có nhiều phương pháp gián tiếp được chứng minh tính hiệu quả và mới đây, một phương pháp dựa trên thuyết tương đối của Einstein cũng đã cho thấy khả năng áp dụng cao khi góp phần giúp các nhà khoa học phát hiện hành tinh Kepler-76b.

Kể từ khi được phóng lên quỹ đạo vào tháng 3 năm 2009, tàu vũ trụ Kepler của NASA đã khám phá hơn 2700 ngoại hành tinh và 122 hành tinh đã được xác nhận sự tồn tại bằng phương pháp giao lưu (transit method). Lúc này, Kepler sẽ tìm kiếm một dấu hiệu sụt giảm về độ sáng của một ngôi sao chủ khi một hành tinh bay ngang qua. Do vệt mờ xuất hiện rất nhanh và khó thấy nên Kepler cần phải có độ nhạy cực cao. Cũng dùng yếu tố độ nhạy nhưng một nhóm các nhà nghiên cứu đến từ đại học Tel Aviv và trung tâm vật lý học thiên thể Harvard-Smithsonian đã sử dụng một phương pháp khác để phát hiện hành tinh Kepler-76b.

Được đề xuất lần đầu tiên vào năm 2003 bởi Avi Loeb và Scott Gaudi, kỹ thuật mới dựa trên lực hút hấp dẫn mà hành tinh tác động lên ngôi sao mà nó đang quay quanh. Lực hút này tạo thành 3 hiệu ứng có thể quan sát được. Nhóm nghiên cứu cho biết:

Hiệu ứng đầu tiên, ngôi sao chủ sáng như thể nó đang được kéo gần về phía chúng tôi bởi các photon từ ngôi sao bắt đầu chồng lên nhau và ánh sáng được tập trung theo hướng chuyển động của ngôi sao do hiệu ứng tương đối. Ngược lại, khi ngôi sao được kéo ra xa, ánh sáng sẽ mờ dần.

Hiệu ứng thứ 2, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu về sự tăng độ sáng có thể xảy ra khi ngoại hành tinh kéo ngôi sao chủ sang một bên, khiến ngôi sao bị dãn ra như một quả bóng bầu dục (hình trên). Điều này làm tăng độ sáng của ngôi sao bởi khi bị kéo dãn, ngôi sao có nhiều diện tích bề mặt thấy được hơn. Hiệu ứng thứ 3 ít rõ ràng hơn và yêu cầu phải quan sát ánh sáng từ ngôi sao bị phản chiếu bởi hành tinh quay quanh.

Thuật toán được sử dụng để nhận biết Kepler-76b được phát triển bởi giáo sư Tsevi Mazeh và nghiên cứu sinh Simchon Faigler tại đại học Tel Aviv. Ông gọi thuật toán là BEER, viết tắt của "relativistic BEaming, Ellipsoidal, and Reflection/emission modulations".

Một khi đã được phát hiện, Kepler-76b được xác nhận một lần nữa bởi 2 thành viên nhóm nghiên cứu gồm David Latham tại trung tâm vật lý học thiên thể (CfA) và Lev Tal-Or thuộc đại học Tel Aviv. Latham sẽ sử dụng dữ liệu quan sát vận tốc xuyên tâm do máy đo phổ TRES tại đài quan sát Whipple, Arizona cung cấp trong khi Lev Tal-Or sẽ khai thác dữ liệu tương tự từ máy đo phổ SOPHIE của đài quan sát Haute-Provence, Pháp. Phương pháp đo vận tốc xuyên tâm dựa trên việc quan sát những biến động gây ra bởi hiệu ứng Doppler khi ngôi sao chủ di chuyển hướng đến hoặc ra xa Trái Đất tương ứng với trọng lực của hành ti quay quanh nó. Ngoài ra, Kepler-76b cũng được xác nhận bằng phương pháp giao lưu khi hành tinh này bay ngang ngôi sao chủ.

Nhóm nghiên cứu gọi Kepler-76b là một "sao Mộc nóng" bởi nó có đường kính lớn hơn 25% và khối lượng gần gấp đôi so với hành tinh khí khổng lồ này. Kepler-76b nằm cách Trái Đất khoảng 2000 năm ánh sáng và đang quay quanh một ngôi sao lớp F trong chòm sao Cynus với chu kỳ 1,5 ngày. Do có một mặt luôn đối diện với ngôi sao chủ nên hành tinh có nhiệt độ khoảng 1982 độ C.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng điểm nóng nhất của Kepler-76b trên thực tế không phải là điểm gần ngôi sao chủ nhất mà là một vị trí cách đó khoảng 16.093 km. Điều này chỉ được quan sát thấy 1 lần trước đây và là dấu hiệu chứng minh hành tinh sở hữu các dòng phản lực siêu nhanh mang hơi nóng xung quanh nó.

Cũng giống như tất cả các phương pháp phát hiện hành tinh ngoài hệ Mặt Trời đang được áp dụng, kỹ thuật mới nhất dựa trên thuyết tương đối của Einstein cũng có những ưu và nhược điểm riêng. Về mặt hạn chế, phương pháp trên không thể được sử dụng để phát hiện các hành tinh có kích thước bằng Trái Đất. Tuy nhiên, phương pháp lại không đòi hỏi các hình ảnh quang phổ có độ chính xác cao như phương pháp đo vận tốc xuyên tâm và không yêu cầu hành tinh phải bay cắt ngang mặt chiếu sáng của ngôi sao chủ khi được nhìn từ Trái Đất như phương pháp giao lưu.

Phát hiện của nhóm nghiên cứu từ đại học Tel Aviv đã được công bố chi tiết trên tạp chí The Astrophysical Journal.

Nguồn: CfA Harvard-Smithsonian; Tel Aviv; Gizmag