Hành trình tìm kiếm hành tinh thứ chín (Phần 2)

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

Tình thế cấp bách

“Anh từng thấy cái gì lạ như vậy chưa?” Mike hỏi, tay chỉ vào hình 3 trong bài báo của Trujillo và Sheppard. Trong bài báo, các tác giả lưu ý rằng tất cả KBO có quỹ đạo với khoảng cách cận nhật nằm ngoài Hải Vương tinh và với chu kì lớn hơn 2000 năm đều có xu hướng quy tụ góc cận nhật của chúng. (Góc cận nhật là một tham số lạ: nó là góc giữa điểm tại đó một quỹ đạo giao cắt với mặt phẳng hoàng đạo trong khi vật thể chuyển động từ nam lên bắc trên bầu trời và điểm gần Mặt trời nhất. Tập hợp các quỹ đạo nghiêng giống nhau quy tụ góc cận nhật sẽ vạch ra một cấu trúc giống hình nón.) Không bị ảnh hưởng bởi tư duy truyền thống, Trujillo và Sheppard cho rằng sự quy tụ này có thể do một hành tinh chưa thấy, cỡ vài lần khối lượng Trái đất, với quỹ đạo tròn và chu kì bằng với 2012 VP113. Tuy nhiên, các tác giả đồng thời biết rằng một hành tinh như vậy, trên thực tế, không thể giải thích thỏa đáng số liệu trên.

>> Xem Phần 1

Cảm thấy hào hứng, Mike và tôi đã tự mình khảo sát số liệu. Sự quy tụ mà Trujillo và Sheppard trình bày xuất hiện trên màn hình máy tính. Tuy nhiên, trước sự bất ngờ của chúng tôi, sự quy tụ này không đơn độc – các tọa độ quỹ đạo khác cũng nhóm lại. Cái rõ ràng trước mắt là sự quy tụ của góc cận nhật chỉ là một bộ phận của bức tranh đầy đủ. Khảo sát kĩ hơn số liệu cho thấy sáu vật thể chiếm giữ những quỹ đạo rộng nhất trong vành đai Kuiper (bao gồm cả Sedna và 2012 VP113) vạch ra các quỹ đạo elip hướng theo gần đúng một chiều trong không gian, và gần như nằm trong một mặt phẳng.

Mike và tôi cảm thấy hết sức lúng túng. Liệu sự giam cầm quỹ đạo là do một xu hướng quan sát, hay có lẽ chỉ là sự trùng hợp ngẫu nhiên? Liệu một lí thuyết nhằm giải thích những quan sát này sẽ chịu chung số phận như giả thuyết hành tinh X của Lowell (tức là cần cho nó biến mất một khi các quan sát chính xác hơn được thực hiện) hay không? May thay, xác suất của sự thẳng hàng đã quan sát là ngẫu nhiên có thể ước định được theo một kiểu thống kê chặt chẽ, với kích cỡ lớn của mẩu so sánh (tức là các KBO khác được tìm thấy ở một khoảng cách bằng với các vật thể mà chúng tôi quan tâm). Xác suất để sự thẳng hàng đó là do may mắn được khoanh vùng trong phạm vi chỉ 0,007%. Không chút gì là may rủi cả.

Liệu sự thẳng hàng quỹ đạo này có thể là dư âm của một đợt chạm trán với một ngôi sao đi ngang qua thuở thiếu thời của hệ mặt trời chăng? Một áp dụng của lí thuyết nhiễu loạn trường trung bình đơn giản cho thấy nếu được phép tiến hóa dưới tác dụng hấp dẫn của Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh và Hải Vương tinh, thì quỹ đạo của những vật thể này sẽ trở nên định hướng ngẫu nhiên trên cấp độ thời gian nhỏ hơn nhiều so với quãng đời nhiều tỉ năm của hệ mặt trời. Cho nên, nguồn gốc động lực của cấu trúc kì lạ của vành đai Kuiper không thể nào quy cho quá khứ xa xôi – cái đang duy trì các quỹ đạo phải thuộc về hiện tại.

Kiểm tra lại các kết quả của mình, chúng tôi ngồi trên trường kỉ và lặng lẽ nhìn nhau. Tình huống nghiêm trọng bắt đầu dịu đi. Phải chăng sau 170 năm cảnh báo sai và không phát hiện được, chúng tôi đã tóm được bằng chứng thật sự rằng danh mục hành tinh của hệ mặt trời là chưa hoàn chỉnh? Chúng tôi lao vào làm việc tiếp.

Các vật thể thuộc vành đai Kuiper có chu kì hơn 4000 năm đều có quỹ đạo dẹt quy trụ trong một mặt phẳng. Sự sắp xếp quỹ đạo kì lạ này có thể giải thích được bởi sự tồn tại của Hành tinh thứ chín nằm ngoài Hải Vương tinh. Ảnh: Robert Hurt, IPAC/Caltech

Thoáng niềm hi vọng

Tiến bộ của chúng tôi diễn ra nhanh chóng. Xuất phát từ cơ sở quan sát và lí thuyết, Mike và tôi không phải lúc nào cũng có tiếng nói chung, và mất hàng giờ liền tranh cãi kịch liệt, chỉ về sau mới nhận ra được rằng thật ra thì chúng tôi đang nói cùng một thứ giống nhau. Rồi toàn bộ các phép tính lại không có kết quả. Các ý tưởng mà chúng tôi loại trừ đa dạng, từ các mô hình trong đó lực tự hấp dẫn của vành đai Kuiper duy trì sự nguyên vẹn cấu trúc đã quan sát, cho đến một kịch bản trong đó quỹ đạo của một hành tinh ở xa lai dắt quỹ đạo của các KBO từ bên ngoài, duy trì sự định hướng trung bình giống nhau. Mỗi giả thuyết đều thất bại khi đối mặt với dữ liệu.

Mùa hè năm ngoái đã mang đến cho chúng tôi thoáng chút hi vọng đầu tiên. Chúng tôi đang cho chạy một loạt thí nghiệm số tiến hóa, mỗi lần chạy bắt đầu với một đĩa ngẫu nhiên các viên gạch cấu trúc hành tinh (gọi là “planetesimal”). Chúng tôi đặt các vật thể này vào những quỹ đạo lệch tâm, ôm lấy Hải Vương tinh, được phép tiến hóa dưới tác dụng hấp dẫn của một vật gây nhiễu loạn ở xa, cái chúng tôi đặt tên là “Hành tinh thứ chín”. Chúng tôi bắt đầu để ý thấy các nhóm planetesimal xuất hiện trong các quỹ đạo cộng tuyến và bị giam cầm không gian. Thật ngạc nhiên, điều này sẽ chỉ xảy ra nếu Hành tinh thứ chín được chọn khoảng gấp 10 lần khối lượng Trái đất, và cư trú trong một quỹ đạo lệch tâm cao. Bất ngờ hơn nữa, các quỹ đạo bị giam cầm này sẽ quy tụ trong một cấu hình trong đó bán trục lớn của quỹ đạo của chúng không thẳng hàng với Hành tinh thứ chín.

Thoạt nhìn, kết quả này thật khó hiểu. Nếu quỹ đạo của các KBO giao cắt với quỹ đạo của hành tinh gây nhiễu, thì sao trong mấy tỉ năm qua các vật thể không bị tán xạ ra xa? Hóa ra câu trả lời có thể tóm gọn trong một từ: cộng hưởng. Giống hệt như quỹ đạo chồng lấn của Pluto và Hải Vương tinh được bảo vệ khỏi tiếp cận gần bởi một tỉ số chu kì quỹ đạo đều đặn 3:2, quỹ đạo bị giam cầm của vành đai Kuiper phía ngoài có được sự ổn định lâu dài từ sự cộng hưởng với Hành tinh thứ chín. Tuy nhiên, bức tranh có phần phức tạp hơn: các cộng hưởng tác dụng kì lạ và đan xen, mang lại sự diễn tiến quỹ đạo về cơ bản là hỗn loạn. Nói cách khác, bị gây nhiễu bởi Hành tinh thứ chín, các quỹ đạo phía ngoài của vành đai Kuiper vẫn xấp xỉ thẳng hàng, đồng thời hình dạng của chúng biến đổi không dự đoán được trên cấp độ thời gian hàng triệu năm.

Các kết quả bất ngờ và không lường trước tiếp tục sinh ra. Trên cơ sở một khảo sát nhanh dữ liệu mô phỏng, chúng tôi để ý thấy moment quay hấp dẫn do Hành tinh thứ chín tác dụng lên vành đai Kuiper sẽ gây ra các dao động chu kì dài trong khoảng cách cận nhật của các KBO bị giam cầm. Điều này tự nhiên gây ra các quỹ đạo chia tách, kiểu như quỹ đạo của Sedna và 2012 VP113. Thật bất ngờ, gốc gác của những vật thể này trở nên hết sức rõ ràng: chúng là các KBO thường bị Hành tinh thứ chín hút khỏi vị trí ban đầu của chúng. Hơn nữa, các tính toán cho thấy nếu chúng ta thăm lại vành đai Kuiper trong một trăm triệu năm, thì các vật thể như Sedna và 2012 VP113 một lần nữa sẽ trông giống như các KBO thông thường, còn một số vật thể tiêu biểu hơn bấy giờ sẽ có quỹ đạo chia tách.

Cuối cùng, có một điểm lạ. Trong mỗi mô phỏng tạo ra một vành đai Kuiper tổng hợp tương tự như vành đai thật, mô hình cũng tạo ra các quỹ đạo gần như vuông góc với mặt phẳng của hệ mặt trời. Biết rằng hầu như không có cách nào khác tạo ra những góc nghiêng cực độ như vậy trong hệ mặt trời, chúng tôi nghĩ rằng đây là sẽ là một dự đoán chắc chắn: nếu các vật thể như vậy từng được phát hiện, thì chúng sẽ góp thêm bằng chứng cho sự tồn tại của Hành tinh thứ chín.

Hành tinh thứ chín xuất hiện

Mãi đuổi theo các nỗ lực tìm hiểu động lực học của các mô phỏng, chúng tôi quên mất việc kiểm tra dữ liệu. Rồi vào một buổi chiều đầy nắng tháng mười, chúng tôi đã vẽ đồ thị danh mục các vật thể đã quan sát lên trên các dự đoán của mô hình của chúng tôi để xem các vật thể quỹ đạo nghiêng nhiều thuộc loại mà các mô phỏng của chúng tôi dự đoán có được phát hiện hay chưa kể từ khi chúng tôi kiểm tra lần trước. Và chúng đã có mặt – năm vật thể, được phát hiện tình cờ bởi một nghiên cứu khảo sát tiểu hành tinh gần Trái đất, ở đúng vị trí mà mô hình của chúng tôi dự đoán chúng. Lại một lần, Mike và tôi ngồi nhìn nhau trong im lặng, cho phép thực tại từ từ hiện hữu.

Lần đầu tiên trong hành trình khoa học chung của chúng tôi, chúng tôi nhận thấy Hành tinh thứ chín thật sự hiện hữu. Mô hình lí thuyết không giải thích được sự quy tụ kì lạ của các góc quỹ đạo. Nó trói buộc ba khía cạnh dường như chẳng liên quan gì nhau của vành đai Kuiper vào một bức tranh thống nhất: sự thẳng hàng của các quỹ đạo ở xa; sự hình thành các vật thể tách biệt như Sedna; và sự tồn tại của một nhóm vạch ra các quỹ đạo vuông góc. Trong chừng mực mà mô hình động lực học cho phép, thật khó đòi hỏi gì thêm nữa. Tuy nhiên, cái cũng quan trọng nên nhớ trong đầu là cho đến khi Hành tinh thứ chín được ghi hình trên camera, nó vẫn là một dự đoán lí thuyết mà thôi.

May thay, viễn cảnh của việc xác nhận Hành tinh thứ chín trên quan sát không lu mờ như bản thân nó. Theo những ước tính tốt nhất của mô hình của chúng tôi, Hành tinh thứ chín có độ lớn biểu kiến 24-25 và hiện nay nằm trong vùng phụ cận của cái khiên của chòm sao Orion. Việc phát hiện chuyển động thị sai của nó cũng nằm trong khả năng của Kính thiên văn Subaru trên đỉnh Mauna Kea ở Hawaii, và nhiều nhóm đã lên lịch săn tìm thực nghiệm. Có thể mất vài năm nữa, nhưng tôi chắc chắn rằng một ngày nào đó chúng ta sẽ bắt được các photon mặt trời phản xạ bởi bề mặt băng giá của Hành tinh thứ chín rơi lên lỗ ngắm của kính thiên văn địa cầu.

Hiện tại, tôi chờ đợi trong lo lắng cái ngày ấy.