Tính toán sơ bộ: Số lượng hành tinh có thể tồn tại trong vũ trụ

Khi đặt câu hỏi về quy mô của hệ hành tinh trong vũ trụ, chúng ta không chỉ hỏi có bao nhiêu vật thể đá và khí lơ lửng quanh các sao — mà còn phải đối diện với giới hạn quan sát và cách các nhà thiên văn suy luận từ mẫu quan sát nhỏ. Dữ liệu hiện có cho thấy con số đã biết còn rất khiêm tốn so với ước tính tổng thể, và sự khác biệt này nói lên điều gì về hiểu biết của chúng ta về vũ trụ.

Con số đã được xác nhận: những hành tinh mà nhân loại biết tới

Tính đến hiện tại, các nhóm nghiên cứu đã phát hiện 5.502 hành tinh quay quanh các sao khác trong dải Ngân Hà — những ngoại hành tinh được xác thực bằng nhiều phương pháp quan sát. Nếu cộng thêm 8 hành tinh thuộc Hệ Mặt Trời, tổng số hành tinh “đã biết” là 5.510. Đây là con số căn cứ trên phát hiện trực tiếp hoặc gián tiếp và phản ánh giới hạn năng lực quan sát của các kính thiên văn hiện nay.

Giới nghiên cứu mới chỉ phát hiện 5.510 hành tinh trong dải Ngân Hà. (Ảnh: NASA)

Từ dữ kiện quan sát đến ước tính tổng quát

Các nhà thiên văn không cố gắng đếm từng hành tinh một cách trực tiếp trên toàn vũ trụ. Thay vào đó, họ suy diễn từ những quan sát có thể thực hiện được. Một giả định phổ biến, dựa trên khảo sát các hệ sao, là trung bình mỗi ngôi sao có khoảng một hành tinh quay xung quanh. Khi nhân quy mô này với số lượng sao trong dải Ngân Hà và số lượng thiên hà nhìn thấy trong vũ trụ, người ta thu được con số ước tính rất lớn: khoảng 100.000 tỷ tỷ hành tinh.

Ý tưởng là dùng mẫu quan sát (ví dụ: tần suất có hành tinh quanh các sao mà kính thiên văn đã khảo sát) để nội suy cho tổng thể lớn hơn. Nhưng cần nhớ rằng mọi ước tính như vậy chịu ảnh hưởng của nhiều giả thiết — ví dụ giả thiết mỗi thiên hà có số sao và hệ hành tinh tương tự dải Ngân Hà — và các giả thiết này có thể không phù hợp cho mọi thiên hà.

Những phương pháp giúp tìm ngoại hành tinh

Các kỹ thuật chủ yếu hiện nay đều dựa trên việc quan sát ngôi sao chứ không trực tiếp nhìn thấy hành tinh. Hai phương pháp được nhắc đến nhiều là:

• Phương pháp quá cảnh (transit): kính viễn vọng như Kepler theo dõi độ sáng của sao, tìm những giảm sáng nhỏ khi một hành tinh đi qua phía trước sao theo góc nhìn của chúng ta.
• Phương pháp vận tốc xuyên tâm (radial velocity): đo sự dịch chuyển nhỏ trong vận tốc của sao do lực hấp dẫn của hành tinh gây ra; phương pháp này từng dẫn tới phát hiện hành tinh 51 Pegasi b.

Một kỹ thuật khác, khuếch đại hấp dẫn (microlensing), có tiềm năng phát hiện các hành tinh ở khoảng cách lớn hơn, thậm chí hé lộ vài ứng viên nằm ngoài dải Ngân Hà. Tuy vậy, việc xác nhận và nghiên cứu chi tiết những hành tinh xa xôi như vậy vẫn là thách thức lớn.

Tất cả hành tinh đã phát hiện có ở đâu?

Đáng chú ý là mọi ngoại hành tinh được xác thực đến nay đều nằm trong dải Ngân Hà. Việc tìm kiếm và xác định hành tinh ngoài thiên hà gặp khó khăn vì khoảng cách quá lớn làm cho tín hiệu cực kỳ yếu. Một số kết quả microlensing gợi ý khả năng tồn tại hành tinh ngoài thiên hà, nhưng điều này vẫn chưa trở thành một tập hợp dữ kiện rộng rãi như các khám phá trong Ngân Hà.

Những lời so sánh giúp hình dung con số khổng lồ

Mark Popinchalk, nhà thiên văn ở Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Mỹ tại New York, dùng phép ví von thực tế để minh họa: thay vì đi gặp từng cư dân trong một thành phố để đếm, người ta có thể dùng thông tin trung bình về kích thước hộ gia đình để ước tính tổng dân số. Tương tự, nếu dải Ngân Hà có khoảng 100 tỷ ngôi sao và mỗi sao tương ứng với xấp xỉ một hành tinh, nhân với hàng nghìn tỷ thiên hà khác trong vũ trụ quan sát được sẽ cho kết luận ẩn dụ về con số 100.000 tỷ tỷ hành tinh.

Ý nghĩa của con số lớn — từ khả năng có sự sống đến hướng nghiên cứu

Số lượng hành tinh khổng lồ làm tăng khả năng tồn tại thế giới có điều kiện thích hợp cho sự sống, nhưng đây vẫn chỉ là một suy luận thống kê. Việc phát hiện sự sống yêu cầu các bước quan sát chuyên biệt hơn: xác định hành tinh có kích thước, thành phần và quỹ đạo phù hợp; quan sát khí quyển; tìm dấu hiệu hóa học gợi ý quá trình sinh học. Theo bài viết gốc, chúng ta có thể phải chờ nhiều thập kỷ để thế hệ kính thiên văn tiếp theo chuyên quan sát ngoại hành tinh đủ khả năng khảo sát các dấu hiệu đó một cách toàn diện hơn.

Giới hạn và điều cần thận trọng khi diễn giải ước tính

Các ước tính tổng quát dựa trên giả thiết trung bình rất thuận tiện nhưng dễ gây hiểu nhầm nếu được đọc như con số tuyệt đối. Một số yếu tố khiến ước lượng thay đổi đáng kể gồm:

• Sự đa dạng giữa các thiên hà: không phải thiên hà nào cũng có số sao và phân bố sao giống dải Ngân Hà.
• Giả thiết về tỉ lệ hành tinh trên sao: mặc dù dữ liệu hiện tại ủng hộ khoảng một hành tinh trên mỗi sao trung bình, tỉ lệ này có thể thay đổi theo loại sao hoặc điều kiện hình thành sao.
• Giới hạn quan sát: nhiều hành tinh, nhất là các hành tinh nhỏ hoặc có quỹ đạo xa sao mẹ, khó bị phát hiện bằng phương pháp hiện hành.

Vì vậy, con số 100.000 tỷ tỷ nên được hiểu như một ước tính có tính minh họa, không phải đếm trực tiếp mọi hành tinh trong vũ trụ.

Các câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chỉ có vài nghìn hành tinh được xác nhận dù ước tính rất lớn?

Bởi vì việc phát hiện hành tinh phụ thuộc vào khả năng kỹ thuật của thiết bị và phương pháp quan sát; các phương pháp hiện tại chỉ thấy được một phần của tổng thể hành tinh tồn tại, đặc biệt là những hành tinh có kích thước lớn hơn hoặc có quỹ đạo thuận lợi cho quan sát.

2. Phương pháp microlensing có thể tìm hành tinh ngoài dải Ngân Hà không?

Microlensing đã hé lộ vài ứng viên khả thi ở khoảng cách rất xa và do đó có tiềm năng phát hiện hành tinh ngoài dải Ngân Hà, nhưng những phát hiện này vẫn khó xác nhận chi tiết so với các ngoại hành tinh trong Ngân Hà.

3. Con số 100.000 tỷ tỷ hành tinh dựa trên những giả thiết nào?

Con số này bắt nguồn từ việc nhân ước tính trung bình số hành tinh trên mỗi sao với số lượng sao ước tính trong dải Ngân Hà (khoảng 100 tỷ) và với số lượng thiên hà trong vũ trụ quan sát được (được mô tả là hàng nghìn tỷ). Do đó, nó phụ thuộc vào việc giả thiết các thiên hà khác có tình trạng tương tự dải Ngân Hà.

4. Khi nào chúng ta có thể hy vọng phát hiện dấu hiệu sự sống trên một hành tinh xa?

Theo bản thân dữ kiện sẵn có, việc này đòi hỏi công cụ quan sát mạnh mẽ hơn, chuyên dụng cho nghiên cứu khí quyển ngoại hành tinh; tác giả gốc cho rằng có thể phải chờ nhiều thập kỷ để các thế hệ kính thiên văn tiếp theo bắt đầu thực hiện tìm kiếm đó trên diện rộng.

Kết luận

Dữ liệu quan sát hiện tại và những phương pháp phát hiện đã mang tới cho chúng ta hàng nghìn ngoại hành tinh xác thực, nhưng phần lớn bức tranh vẫn dựa trên ước lượng có tính mô hình. Con số ước tính như 100.000 tỷ tỷ hành tinh giúp nhấn mạnh quy mô tiềm năng của hệ hành tinh trong vũ trụ, đồng thời chỉ ra rõ ràng giới hạn quan sát và bước tiến cần thiết trong công nghệ để trả lời những câu hỏi lớn hơn, ví dụ về tần suất sự sống vũ trụ. Trong khi chờ đợi các công cụ mới, các nhà thiên văn tiếp tục mở rộng danh sách ngoại hành tinh và hoàn thiện phương pháp luận để biến những ước đoán thành phát hiện chắc chắn hơn.

Hết phần nội dung chính.

Nếu bạn muốn hiểu sâu hơn về cơ chế phát sáng dữ dội ở lõi thiên hà và vai trò của lỗ đen siêu lớn trong việc tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ, đọc bài viết Tìm hiểu chuẩn tinh và động lực phát sáng trong lõi thiên hà sẽ cung cấp góc nhìn chuyên sâu và giải thích các câu hỏi khoa học còn bỏ ngỏ.

Nếu chủ đề hành tinh và khám phá vũ trụ khiến bạn tò mò về con đường trở thành người khám phá không gian, bài phân tích Quy trình tuyển phi hành gia và huấn luyện khắt khe của NASA mô tả các bước, yêu cầu và thử thách trong hành trình đó một cách chi tiết và thực tế.

Để nắm rõ hơn bằng chứng quan sát và ý nghĩa của phát hiện các thiên hà rất sớm như JADES‑GS‑z13‑0, bạn có thể tham khảo bài viết Phân tích thiên hà JADES‑GS‑z13‑0 ở kỷ nguyên sơ khai, trong đó trình bày các quan sát liên quan tới giai đoạn vũ trụ chỉ vài trăm triệu năm tuổi.