Sao lùn đỏ chiếm khoảng ba phần tư số sao trong Ngân Hà và có rất nhiều hành tinh đá trong vùng có thể sống, nhưng câu hỏi chưa có lời đáp là: các hành tinh đó có giữ nổi khí quyển không. Sao lùn đỏ hay bùng lửa, phát nhiều tia X và cực tím, và có một thời trẻ kéo dài hàng trăm triệu năm sáng hơn hẳn hiện tại. Những quan sát đầu tiên của kính Spitzer và James Webb cho thấy nhiều hành tinh đá nóng quanh loại sao này là đá trần, chưa có trường hợp nào được xác nhận có khí quyển dày.
Sao lùn đỏ là gì
Sao lùn đỏ (sao loại M) là những ngôi sao nhỏ nhất vẫn đốt hydro trong lõi, khối lượng từ khoảng 8% tới khoảng 60% Mặt Trời. Chúng mờ, nhiệt độ bề mặt chỉ khoảng 2.300 tới 3.900 K, ánh sáng ngả về đỏ và hồng ngoại. Không một sao lùn đỏ nào đủ sáng để thấy bằng mắt thường từ Trái Đất, dù chúng ở khắp quanh ta: trong số các ngôi sao gần Mặt Trời nhất, phần lớn là sao lùn đỏ.
Chúng đốt nhiên liệu rất chậm. Mặt Trời sống khoảng 10 tỷ năm; sao lùn đỏ nhỏ nhất được tính là có thể sống hàng nghìn tỷ năm, lâu hơn tuổi vũ trụ hiện nay rất nhiều. Đó là điểm cộng lớn: nếu sự sống cần thời gian dài để tiến hoá, sao lùn đỏ cho thời gian gần như vô hạn.
Vì sao hành tinh quanh sao lùn đỏ được săn nhiều
- Nhiều: sao lùn đỏ đông nhất, và khảo sát cho thấy hành tinh cỡ Trái Đất quanh chúng khá phổ biến.
- Dễ đo: sao nhỏ nên hành tinh đá chắn được tỷ lệ ánh sáng lớn hơn khi đi qua, kéo sao lắc mạnh hơn. Hành tinh trong vùng có thể sống quay chỉ vài tuần, nên quan sát được nhiều lần.
- Gần: Proxima Centauri b, hệ TRAPPIST-1, LHS 1140 b đều quanh sao lùn đỏ trong vòng vài chục năm ánh sáng.
Bốn mối đe doạ với khí quyển
1. Lửa sao và phun trào vật chất
Sao lùn đỏ có vùng đối lưu sâu, từ trường xoắn mạnh, nên bùng lửa thường xuyên, nhất là khi còn trẻ. Một đợt bùng lửa có thể làm sao sáng lên nhiều lần trong vài phút, kèm cơn bão hạt mang điện. Hành tinh ở rất gần sao nên hứng trọn. Với Mặt Trời, các cơn bão Mặt Trời lớn đã đủ làm nhiễu lưới điện trên Trái Đất ở khoảng cách 150 triệu km; hành tinh trong vùng có thể sống của sao lùn đỏ chỉ cách sao vài triệu km.
2. Tia X và cực tím xa
Bức xạ năng lượng cao làm nóng tầng khí trên cùng, khiến khí giãn ra và thoát vào vũ trụ nhanh hơn. Nó cũng tách phân tử nước, hydro bay đi, hành tinh mất nước dần.
3. Thời trẻ quá sáng
Khi mới hình thành, sao lùn đỏ còn đang co lại và sáng hơn lúc ổn định nhiều lần, giai đoạn này kéo dài từ hàng trăm triệu tới khoảng một tỷ năm với những sao nhỏ nhất. Nghiên cứu của Rodrigo Luger và Rory Barnes năm 2015 cho rằng hành tinh nay nằm trong vùng có thể sống có thể đã trải qua một thời kỳ nhà kính mất kiểm soát, mất tới nhiều đại dương nước, để lại khí quyển giàu oxy không do sinh vật.
4. Khoá thuỷ triều
Hành tinh gần sao bị lực thuỷ triều hãm cho tới khi một mặt luôn hướng về sao. Nếu khí quyển quá mỏng, khí có thể ngưng đông ở mặt tối lạnh giá, hành tinh mất dần khí quyển hoạt động. Khí quyển đủ dày thì chia nhiệt được; mô hình cho thấy điều này khả thi, nhưng nó đòi hành tinh phải giữ được khí từ đầu.
Những gì quan sát đã cho thấy
| Hành tinh | Kính | Kết quả |
|---|---|---|
| LHS 3844 b | Spitzer (công bố 2019) | Mặt ngày rất nóng, mặt đêm gần như không nhận nhiệt: nhiều khả năng đá trần, không khí quyển dày |
| TRAPPIST-1 b | James Webb (2023) | Nhiệt mặt ngày khớp với đá trần; chưa loại trừ hẳn khí quyển mỏng có khói mù |
| TRAPPIST-1 c | James Webb (2023) | Loại trừ khí quyển CO₂ dày kiểu sao Kim |
| GJ 1132 b, LHS 475 b và một số hành tinh khác | James Webb | Phổ phẳng hoặc chưa kết luận; có kết quả mâu thuẫn giữa các lần đo |
Các hành tinh này đều nóng, nằm gần sao hơn vùng có thể sống. Việc chúng mất khí quyển chưa nói được gì chắc chắn về các hành tinh mát hơn ở xa. Nhưng xu hướng đang làm giới nghiên cứu thận trọng hơn. Năm 2024, chương trình Rocky Worlds với khoảng 500 giờ quan sát của Webb được lập riêng để kiểm tra một loạt hành tinh đá quanh sao lùn đỏ.
"Bờ biển vũ trụ": đường ranh có khí và không khí
Năm 2017, Kevin Zahnle và David Catling xếp các thiên thể trong hệ Mặt Trời lên một biểu đồ: trục ngang là vận tốc thoát (phụ thuộc trọng lực), trục dọc là lượng bức xạ năng lượng cao nhận được. Các thiên thể có khí quyển và không có khí quyển nằm hai bên một đường khá rõ, họ gọi là "cosmic shoreline". Hành tinh quanh sao lùn đỏ nhận nhiều tia X và cực tím hơn, nên dễ rơi sang phía "không khí quyển" hơn so với hành tinh cùng cỡ quanh sao giống Mặt Trời. Đường ranh này là quy luật thực nghiệm, các quan sát của Webb hiện đang kiểm tra nó với ngoại hành tinh.
Những lý do để còn hy vọng
- Núi lửa bù khí: hành tinh có hoạt động địa chất có thể tạo khí quyển thứ cấp sau khi lớp khí đầu bị thổi bay.
- Nước giữ trong lòng đất: một phần nước có thể nằm trong đá lớp phủ, thoát ra dần sau khi sao đã dịu.
- Hành tinh hình thành xa rồi di chuyển vào: nếu hành tinh hình thành giàu băng ở xa rồi mới dịch vào trong, nó có thể có lượng nước dự trữ lớn.
- Sao già dịu đi: sao lùn đỏ lớn tuổi bùng lửa ít hơn, nên hành tinh quanh sao già có thể đã được "để yên" hàng tỷ năm.
- Ánh sáng đỏ vẫn quang hợp được: trên Trái Đất có vi khuẩn lam dùng được ánh sáng đỏ xa, sát vùng hồng ngoại, nhờ loại diệp lục đặc biệt, nên năng lượng của sao lùn đỏ không phải là rào cản tuyệt đối. Đây là suy luận từ sinh học Trái Đất.
Góc nhìn hôm nay
Đây là một trong những câu hỏi có thể được trả lời trong thập kỷ này. Nếu đa số hành tinh đá quanh sao lùn đỏ là đá trần, số nơi có thể sống trong Ngân Hà sẽ ít hơn hình dung trước đây, và việc tìm sự sống sẽ phải dồn vào các sao giống Mặt Trời, công việc dành cho các kính đời sau như Habitable Worlds Observatory. Nếu có vài hành tinh giữ được, chúng sẽ là đích quan sát hàng đầu. Muốn theo dõi, xem trang chương trình Rocky Worlds của Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian (STScI) và các công bố trên Nature Astronomy, The Astrophysical Journal.
Câu hỏi thường gặp
Sao lùn đỏ là gì?
Là loại sao nhỏ và mờ nhất vẫn đốt hydro trong lõi, khối lượng khoảng 8% tới 60% Mặt Trời, ánh sáng đỏ cam. Chúng chiếm khoảng ba phần tư số sao trong Ngân Hà và sống rất lâu, có thể hàng nghìn tỷ năm.
Hành tinh quanh sao lùn đỏ có sống được không?
Chưa biết. Chúng có thể nằm trong vùng có thể sống, nhưng sao lùn đỏ bùng lửa mạnh, phát nhiều tia X và cực tím, có thể làm hành tinh mất khí quyển và nước. Các quan sát đầu tiên chưa tìm thấy hành tinh đá nào quanh loại sao này có khí quyển dày được xác nhận.
Lửa sao là gì?
Là đợt bùng phát năng lượng đột ngột trên bề mặt sao do từ trường giải phóng năng lượng, làm sao sáng lên mạnh trong vài phút tới vài giờ. Sao lùn đỏ bùng lửa thường xuyên hơn Mặt Trời, và hành tinh của chúng ở rất gần nên chịu ảnh hưởng mạnh.
Khoá thuỷ triều là gì?
Là trạng thái hành tinh tự quay một vòng đúng bằng thời gian quay quanh sao, nên một mặt luôn sáng và một mặt luôn tối. Mặt Trăng bị khoá thuỷ triều với Trái Đất nên ta luôn thấy một mặt. Hành tinh gần sao lùn đỏ rất dễ rơi vào trạng thái này.
Cosmic shoreline là gì?
Là đường ranh thực nghiệm do Zahnle và Catling đưa ra năm 2017, tách các thiên thể có khí quyển với không có khí quyển dựa trên trọng lực và lượng bức xạ năng lượng cao nhận được. Nó giúp dự đoán ngoại hành tinh nào có khả năng giữ khí.
