Hành trình tìm kiếm hành tinh thứ chín (Phần 1)

• Konstantin Batygin (Tạp chí Physics World, tháng 7/2016)

Là một trong những ngành khoa học tự nhiên lâu đời nhất, thiên văn học đã trải qua một lịch sử lâu dài và nhiều kịch tính. Tuy nhiên, mãi cho đến đầu thế kỉ thứ 17 thì toàn bộ lĩnh vực thiên văn học mới được nâng lên một tầm cao mới bởi việc Galileo chế tạo chiếc kính thiên văn làm một dụng cụ khoa học. Không còn bị ràng buộc bởi năng suất phân giải của mắt người, cuối cùng các nhà thiên văn đã có được sự tự do trên bầu trời đêm tìm kiếm chuyển động rày đây mai đó của những ngôi sao mờ nhạt nhất. Cánh cửa mở sang khám phá những hành tinh khác quay xung quanh Mặt trời đã rộng mở.

Nếu xét về số lượng thì các nỗ lực mở rộng danh mục hành tinh của hệ mặt trời đã mang lại kết quả không ấn tượng cho lắm. Trong bốn thế kỉ qua, chỉ có hai hành tinh mà người xưa chưa biết được tìm thấy. Khám phá hành tinh đầu tiên, Georgium Sidus (ngày nay gọi là Thiên Vương tinh), được William Herschel công bố vào thời Chiến tranh Cách mạng Mĩ năm 1781. Kết quả này đồng thời đánh dấu sự ra đời và kết thúc của việc phát hiện hành tinh trong hệ mặt trời bằng phương pháp thuần túy thiên văn học. Thật vậy, việc phát hiện hành tinh tiếp theo dựa trên cơ học thiên thể nhiều hơn là trên kính thiên văn.

Không bao lâu sau khi Herschel công bố Thiên Vương tinh, các nhà thiên văn học bắt đầu tính toán chuyển động quỹ đạo của nó và giật mình trước ý kiến là một vật thể khác, ở xa hơn có thể nhiễu loạn hấp dẫn đối với quỹ đạo của nó. Một trong những nhà thiên văn học đầu tiên đi tới ý tưởng này là Anders Johan Lexell. Trong một tập bảng biểu số liệu thiên văn được xuất bản vào năm 1821, trong đó có ghi chép các quan sát tình cờ Thiên Vương tinh có trước khám phá chính thức của nó, Alexis Bouvard (khi ấy là giám đốc Đài thiên văn Paris) đã lưu ý rằng Thiên Vương tinh thật sự đang chệch khỏi quỹ đạo đã được dự đoán của nó. Không kể đến khả năng số liệu giả mạo, Bouvard tán thành cùng Lexell nghi ngờ rằng các dị thường trong chuyển động của Thiên Vương tinh có thể là do một hành tinh khác gây ra.

Ảnh minh họa Hành tinh thứ chín. Lần đầu tiên trong 170 năm qua, bằng chứng cho sự tồn tại của một hành tinh nữa trong hệ mặt trời đang hiện rõ dần. (Ảnh: Robert Hurt, IPAC/Caltech)

Mất hơn hai thập kỉ thì cái hứa hẹn trong kết quả của Bouvard mới đơm hoa kết trái. Trong một tập tính toán song song hoàn thành vào năm 1846, John Couch Adams và Urbain Le Verrier độc lập nhau dự đoán sự tồn tại của Hải Vương tinh. Mặc dù khối lượng và chu kì quỹ đạo đã tính của Hải Vương tinh giả định vượt quá các giá trị thực tế một lượng đáng kể, nhưng các tính toán đem lại một vị trí chính xác trên bầu trời. Sau đó, trong một thành tựu nổi bật xác nhận các kết quả lí thuyết, Hải Vương tinh đã được phát hiện bởi Johann Galle ngay trong đêm đầu tiên của chiến dịch quan sát của ông vào cuối năm 1846.

Một khi khả năng sử dụng các dị thường quỹ đạo để suy luận ra sự có mặt của một hành tinh nữa đã được chứng minh, một số nhà toán học đương thời đã nỗ lực sử dụng số liệu hiện có để suy luận ra sự có mặt của những vật thể ở xa hơn nữa. Do đó, vào đầu thế kỉ 20, không có thiếu những hành tinh giả thuyết nằm ngoài Hải Vương tinh. Một dự đoán đặc biệt đáng chú ý là giả thuyết Hành tinh X nổi tiếng của Percival Lowell, nó đưa đến khám phá Pluto một cách tình cờ vào năm 1930.

Cuối cùng, chính sự du hành vũ trụ không người lái đã giết chết Hành tinh X. Sau lần chạm trán năm 1989 của phi thuyền Voyager 2 với Hải Vương tinh, hành tinh này được ghi nhận là có khối lượng nhỏ hơn 1% so với trước đây người ta nghĩ. Giống như thỏi Rubik xoay khớp vào cấu hình trật tự của nó, sự biến thiên nhỏ này đã làm rõ mọi dị thường của các biểu đồ thiên văn học của hệ mặt trời, và xóa bỏ nhu cầu lí thuyết đối với Hành tinh X. Như lịch sử cho thấy, các khẳng định về những hành tinh khác sau khám phá Hải Vương tinh vướng phải vô số cách lí giải số liệu quan trắc. Mỗi lần các quan trắc dường như kêu gọi bổ sung một hành tinh nữa, thì phân tích sâu hơn cho thấy các dị thường biểu kiến đó có thể được dung hòa trọn vẹn trong khuôn khổ của hệ mặt trời đã biết.

Những khám phá đầu tiên về những mảnh băng vụn nằm ngoài quỹ đạo của Hải Vương tinh, ngày nay được gọi chung là vành đai Kuiper, thích hợp với mạch chuyện này. Khi các khảo sát bắt đầu làm rõ cấu trúc động lực học phức tạp của vành đai Kuiper, cái ngày càng trở nên rõ ràng là hầu như sự diễn tiến quỹ đạo của mỗi vật thể vành đai Kuiper đều có thể giải thích được qua các tương tác hấp dẫn với Hải Vương tinh. Trong khi một số vật thể hiện đang bị khóa chặn quỹ đạo cộng hưởng với Hải Vương tinh, thì những vật thể khác biểu hiện các dấu hiệu đã từng bị thúc bởi lực hút hấp dẫn của nó trong quá khứ. Vì thế, vào đầu thế kỉ 21, kiến trúc vĩ mô của hệ mặt trời cho thấy chẳng có dấu hiệu dị thường nào nữa.

Cho đến nay, Hải Vương tinh (ảnh chụp ở đây bởi phi thuyền Voyager 2) là hành tinh duy nhất trong hệ mặt trời của chúng ta được dự đoán trên lí thuyết và sau đó được xác nhận bởi sự quan sát trực tiếp. (Ảnh: NASA)

Các manh mối từ vành đai Kuiper

Hệ mặt trời năm 2016 kể một câu chuyện rất khác. Trong 15 năm vừa qua, việc lập bản đồ quan trắc của vành đai Kuiper đã làm sáng tỏ một sự thật đơn giản, căn bản: sự sắp xếp quỹ đạo của các vật thể ở xa nhất trong vành đai Kuiper không tương thích với một hệ mặt trời gồm tám hành tinh.

Gợi ý thực tế đầu tiên rằng hệ mặt trời vẫn còn ẩn giấu gì đó xuất hiện vào năm 2003, khi một đội thiên văn học đứng đầu bởi Mike Brown khám phá Sedna, một vật thể vành đai Kuiper (KBO) không giống bất kì vật thể nào khác. Trong khi đa số KBO đã biết có chu kì quỹ đạo không chênh lệch mấy với chu ki gần 250 năm của Pluto, thì Sedna cần hơn 11.000 năm mới quay trọn một vòng xung quanh Mặt trời. Một đặc điểm ấn tượng nữa của quỹ đạo Sedna là độ dẹt gây choáng của nó. Tại điểm viễn nhật của nó, Sedna ở cách Mặt trời đến 1000 đơn vị thiên văn (một đơn vị thiên văn là khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời, khoảng chừng 150 triệu km).

Tuy nhiên, cái thật sự nổi bật ở Sedna là quỹ đạo của nó không đủ elip. Đa số quỹ đạo KBO dường như ôm lấy quỹ đạo của Hải Vương tinh. Đó là vì – do thế hấp dẫn được bảo toàn – mọi vật thể nhỏ được Hải vương tinh lái vào quỹ đạo elip dẹt phải trở lại điểm xuất phát của nó, tức là quỹ đạo của Hải Vương tinh. Quỹ đạo của Sedna thể hiện một ngoại lệ thật sự đầu tiên đối với quy tắc này: thậm chí tại điểm cận nhật của nó, Sedna vẫn ở xa Mặt trời gấp đôi Hải Vương tinh. Như vậy, nguồn gốc của Sedna có cái gì đó bí ẩn. Một vật thể chưa từng chịu tương tác trực tiếp với Hải Vương tinh có thể không được lái vào quỹ đạo của nó bởi riêng Hải Vương tinh được.

Trong một bài báo mô tả khám phá Sedna, Brown, Chad Trujillo và David Rabinowitz đã trình bày những kịch bản khác nhau có khả năng giải thích nguồn gốc của quỹ đạo kì lạ của nó, theo một kịch bản thì một hành tinh khối lượng cỡ Trái đất chưa được khám phá ẩn náu bên ngoài quỹ đạo của Hải Vương tinh (2004 Astrophys. J. 617 645). Trong khi đó, Brett Gladman và Collin Chan độc lập trình bày về khả năng có một hành tinh vô gia cư đang định hình các đặc điểm của vành đai Kuiper. Một quan điểm tương tự được công nhận bởi một nhà nghiên cứu khác, Rodney Gomes, ở Brazil. Hiểu theo nghĩa nào đó, thì các ý tưởng trên phản ánh luận điểm Lexell–Bouvard hồi đầu thế kỉ 19, trong đó một khảo sát chặt chẽ của Thiên Vương tinh đã cung cấp manh mối cho sự tồn tại của Hải Vương tinh. Những tiếng vọng rõ ràng của một vật thể gây nhiễu ở xa đang bắt đầu lộ diện.

Sedna không còn độc hành ngoài cùng nữa vào cuối năm 2014, khi Trujillo và Scott Sheppard khám phá một vật thể thứ hai giống-Sedna, 2012 VP113 (Nature 507 471). Với điểm cận nhật (điểm gần Mặt trời nhất của một vật thể) thậm chí còn xa hơn của Sedna, 2012 VP113 đã xác nhận những vật thể này chưa phải là vật thể ngoài cùng: chúng là thành viên của một tập hợp KBO riêng biệt, không lệ thuộc. Với bài báo sắc bén này trong tay, cùng vẻ mặt vừa hào hứng vừa lo lắng, Mike Brown đã bước vào phòng làm việc của tôi cách đây hai năm.

>> Xem tiếp Phần 2