Làm thế nào ‘cân’ một ngôi sao từ vệ tinh của nó?

Làm thế nào các nhà thiên văn tính ra khối lượng của một ngôi sao ở cách xa hàng nghìn tỉ km và quá đồ sộ để mà đưa lên bàn cân? Trong đa số trường hợp, họ không thể cân, mặc dù họ có thể đưa ra một ước tính tốt nhất bằng cách sử dụng các mô hình máy tính của cấu trúc sao.

Ảnh minh họa một hành tinh ngoại và vệ tinh của nó đang đi qua một ngôi sao kiểu mặt trời. Một hệ như vậy có thể dùng để tính ra trực tiếp khối lượng của ngôi sao. Ảnh: David A. Aguilar (CfA)

Công trình mới do nhà thiên văn vật lí David Kipping thực hiện cho biết, trong những trường hợp đặc biệt, chúng ta có thể cân một ngôi sao bằng phương pháp gián tiếp. Nếu ngôi sao có một hành tinh, và hành tinh đó có một vệ tinh, thì cả hai chúng đi qua phía trước ngôi sao của chúng, thì chúng ta có thể đo kích cỡ và quỹ đạo của chúng để tìm hiểu về ngôi sao trên.

“Tôi thường hỏi không biết các nhà thiên văn cân các ngôi sao như thế nào. Chúng tôi vừa bổ sung thêm một kĩ thuật mới vào hộp công cụ của mình cho mục đích đó”, theo lời Kipping, một nghiên cứu sinh thực tập tại Trung tâm Thiên văn Vật lí Harvard-Smithsonian.

Các nhà thiên văn đã tìm thấy hơn 90 hành tinh đi qua phía trước ngôi sao của chúng. Bằng cách đo lượng ánh sáng sao bị chặn bớt, họ có thể tính ra hành tinh trên to bao nhiêu so với ngôi sao. Nhưng họ không thể biết chính xác hành tinh trên to dường nào, trừ khi họ biết kích cỡ thực sự của ngôi sao. Các mô hình máy tính cho một ước tính rất tốt nhưng trong khoa học, các phép đo thật sự mới là tốt nhất.

Kipping nhận ra rằng nếu một hành tinh đi ngang qua có một vệ tinh đủ lớn để chúng ta nhìn thấy (cũng bởi sự chặn bớt ánh sáng sao), thì hệ hành tinh – vệ tinh – sao có thể được đo theo một kiểu cho phép chúng ta tính ra chính xác cả ba vật thể này to và nặng bao nhiêu.

“Về cơ bản, chúng ta đo quỹ đạo của hành tinh xung quanh ngôi sao và quỹ đạo vệ tinh xung quanh hành tinh. Sau đó, theo các định luật chuyển động Kepler, ta có thể tính ra khối lượng của ngôi sao”, Kipping giải thích.

Quá trình trên không dễ thực hiện và đòi hỏi có vài bước. Bằng cách đo xem ánh sáng sao mờ đi như thế nào khi hành tinh và vệ tinh đi qua, các nhà thiên văn biết được ba con số quan trọng: 1) chu kì quỹ đạo của vệ tinh và hành tinh; 2) kích cỡ quỹ đạo của chúng so với ngôi sao, và 3) kích cỡ của hành tinh và vệ tinh so với ngôi sao.

Thay những con số này vào định luật 3 Kepler ta thu được mật độ của ngôi sao và hành tinh. Vì mật độ và khối lượng chia cho thể tích, nên mật độ tương đối và kích cỡ tương đối sẽ cho ta khối lượng tương đối. Cuối cùng, các nhà khoa học đo sự chao đảo của ngôi sao do lực co kéo hấp dẫn của hành tinh, cái gọi là vận tốc xuyên tâm. Kết hợp vận tốc đo được này với các khối lượng tương đối, họ có thể tính ra khối lượng của ngôi sao một cách gián tiếp.

“Nếu chẳng có vệ tinh nào, thì toàn bộ bài tập sẽ không thể triển khai”, Kipping phát biểu.”Không có vệ tinh có nghĩa là chúng ta không thể tính ra mật độ của hành tinh, cho nên toàn bộ công việc bị đình trệ”.

Kipping vẫn chưa đưa phương pháp của ông vào triển khai thực tế, vì cho đến nay chưa có ngôi sao được biết nào có cả hành tinh và vệ tinh đi ngang qua. Tuy nhiên, phi thuyền Kepler của NASA sẽ phát hiện ra một vài hệ như vậy.

“Khi tìm thấy chúng, chúng tôi sẽ sẵn sàng cân chúng”, Kipping nói.

Nguồn: PhysOrg.com