Ngoại hành tinh trông như thế nào?

Kích thước – phương thức vận chuyển

Phương pháp vận chuyển cung cấp một cách để tìm hiểu về các ngoại hành tinh. Khi một hành tinh đi qua phía trước ngôi sao của chúng (từ góc nhìn của người quan sát), nó sẽ khiến một số ánh sáng của ngôi sao bị chặn lại. Người quan sát tạm thời nhận được ít ánh sáng hơn từ ngôi sao. Nhiệm vụ Cheops của ESA sẽ xem xét các hành tinh được biết là quá cảnh và giải mã kích thước của chúng. Plato sẽ tìm kiếm các ngoại hành tinh mới, chưa biết bằng phương pháp vận chuyển. Hành tinh càng lớn thì độ sáng của sao càng giảm sâu. Cheops tập trung vào các hành tinh có kích thước giữa Trái đất và Sao Hải Vương và chu kỳ quỹ đạo ngắn hơn (<50 ngày). Chu kỳ quỹ đạo là thời gian cần thiết để một hành tinh hoàn thành một quỹ đạo quanh ngôi sao chủ của chúng. Đối với các ngoại hành tinh đi qua, chu kỳ quỹ đạo này rất dễ xác định vì nó chỉ là thời gian giữa hai lần ánh sáng lặn liên tiếp. Plato sẽ có thể quan sát các hành tinh có kích thước bằng Trái đất với chu kỳ quỹ đạo dài hơn (>90 ngày).

Khối lượng – vận tốc xuyên tâm và các biến thể thời gian vận chuyển

Khối lượng là một đặc điểm cơ bản của một ngoại hành tinh. Các nhà khoa học có thể tìm hiểu rất nhiều về cách các hành tinh hình thành xung quanh các ngôi sao của chúng bằng cách so sánh khối lượng của các ngoại hành tinh khác nhau. Hai phương pháp có thể cung cấp cho chúng ta thông tin về khối lượng của các ngoại hành tinh. Một là phương pháp vận tốc xuyên tâm, được sử dụng bởi một số đài quan sát trên mặt đất. Khi một ngôi sao có một hành tinh, hệ thống chuyển động xung quanh một điểm chung, được gọi là khối tâm. Trong quỹ đạo này, ánh sáng của các ngôi sao có vẻ xanh hơn khi nó di chuyển về phía người quan sát và đỏ hơn khi di chuyển ra xa. Sự thay đổi tần số này được gọi là hiệu ứng Doppler, hiệu ứng tương tự như sự thay đổi cao độ của tiếng còi xe cứu thương khi nó lao qua bạn. Bằng cách đo sự dịch chuyển của ánh sáng phát ra từ ngôi sao, có thể xác định vận tốc – tốc độ và hướng – theo đó ngôi sao di chuyển quanh tâm khối lượng. Vận tốc tương quan trực tiếp với khối lượng của hành tinh.

Một phương pháp khác cung cấp cho chúng ta thông tin về khối lượng của các ngoại hành tinh là phương pháp Biến đổi thời gian vận chuyển hay gọi tắt là TTV. Phương pháp này hoạt động giống như phương pháp vận chuyển cho một hệ hành tinh có nhiều hành tinh. Thông thường, thời gian giữa các lần đi qua của cùng một hành tinh dự kiến ​​sẽ không thay đổi. Khi một hành tinh được nhìn thấy đi ngang qua khuôn mặt của ngôi sao của nó sớm hơn hoặc muộn hơn dự kiến, hệ thống có thể có một hành tinh khác đang kéo hoặc đẩy hành tinh lân cận của nó bằng lực hấp dẫn. Phương pháp này đã dẫn đến việc phát hiện ra hơn 40 ngoại hành tinh. Điều thú vị là sự khác biệt về thời gian giữa các lần quá cảnh cũng tiết lộ thông tin về khối lượng của các hành tinh. Kỹ thuật này được sử dụng bởi các nhiệm vụ Cheops và Plato của ESA.

Mật độ – kết hợp hai phương pháp

Khi đã biết cả khối lượng và kích thước, mật độ của ngoại hành tinh có thể được xác định. Đây là thông tin cần thiết vì nó có thể tiết lộ bản chất của nó: ngoại hành tinh là đá như Trái đất và Sao Hỏa hay có tính chất khí như Sao Thổ và Sao Mộc? Nghiên cứu sự đa dạng trong các ngoại hành tinh có thể làm sáng tỏ sự hình thành của các hệ hành tinh.

Thành phần của khí quyển – quang phổ truyền qua

Với quang phổ học, chúng ta có thể nghiên cứu bầu khí quyển của các ngoại hành tinh được cấu tạo như thế nào. Quang phổ học là kỹ thuật tách ánh sáng sao nhận được thành các màu khác nhau bằng cách sử dụng lăng kính. Trong quá trình di chuyển của một hành tinh, một số ánh sáng sao đi qua bầu khí quyển của hành tinh. Các hạt trong khí quyển như hơi nước, carbon dioxide, metan và những hạt khác hấp thụ một số ánh sáng đó. Sự hấp thụ này xảy ra ở các bước sóng cụ thể của ánh sáng. Bằng cách nghiên cứu bước sóng mà ánh sáng của các ngôi sao bị hấp thụ, chúng ta có thể xác định loại hạt nào có trong bầu khí quyển. Theo dõi những thay đổi trong bầu khí quyển theo thời gian giúp hiểu rõ hơn về các quá trình xảy ra trên bề mặt của các ngoại hành tinh này. Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA/ESA/CSA sử dụng kỹ thuật này để mô tả các ngoại hành tinh và sứ mệnh Ariel của ESA sẽ nghiên cứu bầu khí quyển của khoảng 1000 ngoại hành tinh theo cách này.

Mây và bề mặt – đường cong pha

Khi một hành tinh quay quanh ngôi sao của nó, nó phản chiếu ánh sáng sao giống như Mặt trăng của chúng ta phản chiếu ánh sáng mặt trời. Theo cách tương tự, các ngoại hành tinh có các ‘pha’ khác nhau trong đó các phần khác nhau trên bề mặt của chúng phản chiếu ánh sáng. Bằng cách nghiên cứu những khác biệt nhỏ về lượng ánh sáng mặt trời nhận được trong quỹ đạo của hành tinh, có thể xác định mức độ phản xạ của bề mặt hành tinh. Thật thú vị, sự hiện diện của các đám mây trong bầu khí quyển của các ngoại hành tinh cũng có thể được tiết lộ theo cách này. Các sứ mệnh Cheops và Plato, và cả Ariel (song song với quang phổ quá cảnh của họ, xem ở trên) sẽ sử dụng kỹ thuật này để tiết lộ màu sắc bề mặt của các ngoại hành tinh.

Cấu trúc của các hệ thống ngoại hành tinh – hình ảnh trực tiếp

Các phương pháp trên đã đưa ra các đặc điểm khác nhau của các ngoại hành tinh riêng lẻ. Nếu chúng ta muốn tìm hiểu thêm về toàn bộ các hệ thống ngoại hành tinh, chúng ta có thể tạo ra một hình ảnh trực tiếp của hệ thống. Chụp ảnh các hành tinh rất khó vì ánh sáng của các ngôi sao tỏa sáng hơn ánh sáng của các hành tinh của chúng. Bạn cần một máy ảnh có độ phân giải rất cao hoặc một cách để chặn ánh sao sáng và không phải tất cả các sứ mệnh không gian đều được trang bị cho nhiệm vụ này. Kính viễn vọng không gian Hubble và James Webb có độ phân giải cần thiết và đã có thể tạo ra hình ảnh của các hành tinh xung quanh các ngôi sao khác ngoài Mặt trời của chúng ta. Với kỹ thuật này, chúng ta cũng có thể tìm hiểu về chu kỳ quỹ đạo của các hành tinh và khoảng cách đến các ngôi sao của chúng. Kính viễn vọng không gian mới Roman sẽ có thể chụp ảnh các hành tinh cỡ sao Mộc trên quỹ đạo tương tự như sao Mộc quanh Mặt trời. Kính viễn vọng sẽ làm điều này bằng cách chặn ánh sáng của ngôi sao và chụp ảnh ánh sáng yếu hơn của các hành tinh xung quanh nó.