Hành tinh Nóng Bỏng Này Có Mất—và Lấy Lại—Một Bầu Khí Quyển?

Khoảng 40 năm ánh sáng ngoài hệ mặt trời của chúng ta là một hành tinh đá nằm gần ngôi sao chủ nhân của nó đến mức mất khoảng một và một nửa ngày Trái Đất để hoàn thành một quỹ đạo đầy đủ. Bề mặt đạt đến nhiệt độ trung bình lên đến 530 Kelvin (tương đương với bếp nướng của bạn), và các nhà khoa học tin rằng vỏ núi lửa nó có độ dày tối đa vài trăm mét và bị nứt nát như vỏ trứng.

Nó được biết đến với tên GJ 1132 b, nhưng có thể nói nó như là nơi địa ngục. Và bất chấp mọi khả năng, một nhóm nhà nghiên cứu hành tinh ngoại ô nghĩ rằng nó có thể có một bầu khí quyển—chính xác là bầu khí quyển thứ hai. Trong một bài báo được xuất bản vào thứ Sáu qua Tạp chí Thiên văn, một nhóm các nhà vật lý thiên văn, địa vật lý học và hóa học khí quyển thông báo về việc phát hiện một bầu khí quyển có khoảng 99 phần trăm hydro phân tử, với lượng rất ít metan, acetylen và cyanua hydro nổi trên bề mặt nó nhấp nhô.

Vấn đề là, không ai thực sự nghĩ rằng hành tinh này nên vẫn còn có một bầu khí quyển, ngay cả những nhà nghiên cứu đó. “Nó nên đã mất hết mọi thứ,” nói Raissa Estrela, cộng tác viên của bài báo, nghiên cứu khí quyển hành tinh ngoại ô tại Trung tâm Jet Propulsion của NASA. Trên thực tế, một đội ngũ thứ hai của nhà nghiên cứu hành tinh ngoại ô đã nộp một phân tích độc lập của cùng một dữ liệu vào khoảng cùng một thời điểm và đặt nghi ngờ liệu bầu khí quyển này có thực sự tồn tại không.

GJ 1132 b có khả năng đã bắt đầu cuộc sống của mình như một hành tinh dưới dạng Sub-Neptune—một loại hành tinh khí mà Kính thiên văn Kepler đã chỉ ra là phổ biến nhất trong dải Ngân hà của chúng ta. Chúng có kích thước từ 1.5 đến 3 lần kích thước của Trái Đất. Tin rằng nó được bao bọc bởi một tầng khí dày của hydro và helium xoáy quanh một hạt nhân đá dày, nhưng do sự gần gũi của hành tinh với ngôi sao chủ nhân, các nhà nghiên cứu tin rằng tầng khí này đã bị đốt cháy bởi tia cực đoan tử lượng trong 100 triệu năm đầu tiên của cuộc sống của nó.

Lý thuyết là, những gì nên còn lại trên hành tinh này chỉ là một bề mặt đá cằn, bị tia xạ—nhưng quan sát gần đây từ Kính thiên văn Hubble có thể kể một câu chuyện khác. Trong suốt 20 quỹ đạo và 24 giờ quan sát, một nhóm nhà thiên văn đã sử dụng cảm biến quang phổ hình ảnh của kính thiên văn để bắt các dấu hiệu ánh sáng được hấp thụ trong bầu khí quyển của hành tinh khi nó chuyển qua ngôi sao chủ nhân của nó.

Trong trường hợp của GJ 1132 b, phổ kết quả chỉ ra sự hiện diện của hydro phân tử. Đối với một hành tinh nhận được khoảng 19 lần lượng bức xạ mặt trời như Trái Đất, kết quả này làm rối bời. Bởi vì nó nhẹ, hydro dễ dàng thoát khỏi lực hấp dẫn của hành tinh. Khi phân tử hydro được làm nóng, chúng mở rộng và nâng lên trong khí quyển, cuối cùng đạt đến tốc độ đủ cao để thoát khỏi sự kiểm soát của những hành tinh nhỏ hơn. Nhiệt độ cực kỳ cao từ ngôi sao loại M của nó đã nên làm cho hành tinh trở thành một cục xơ rỗng.

“Điều đó thực sự đặt ra câu hỏi: Nguồn gốc của bầu khí quyển mà chúng ta thấy là gì?” Mark Swain, một nhà vật lý thiên văn tại JPL và tác giả chính của bài báo, hỏi. “Điều đó đã đưa chúng tôi đến công việc điều tra này và một cuộc điều tra về khả năng tái tạo bầu khí quyển từ lớp vỏ.” Nói cách khác, họ nghi ngờ rằng sau khi hành tinh mất bầu khí quyển đầu tiên, nó đã mọc lên một bầu khí quyển thứ hai.

Swain và Estrela nắm bắt hai bài báo, được xuất bản vào năm 2018 và 2019, phát hiện rằng trong những ngày đầu của vòng đời của một hành tinh Sub-Neptune, khi nó vẫn giữ chặt bầu khí quyển nguyên thủy của mình, áp suất và nhiệt độ gần bề mặt chảy nóng đủ cao để một lượng lớn hydro nổi quanh trong khí quyển được hấp thụ vào một đại dương magma. Khi hành tinh nguội và tầng khí dày của nó bị đốt cháy, một phần lớn hydro bổ sung này có thể bị giam giữ dưới bề mặt đang đóng cứng. “Lý thuyết mô tả điều này thực sự rất mới,” Swain nói. “Tôi không nắm bắt được nó cho đến khi chúng tôi bắt đầu giải thích điều này.”

Nhưng nếu bề mặt đã nguội, làm thế nào lượng lớn hydro lưu trữ này lại thoát ra? Bài báo năm 2018 của các nhà nghiên cứu tại Đại học Grenoble Alpes ở Pháp tính toán cấu hình quỹ đạo của hành tinh. Họ phát hiện ra rằng nó thực sự có một sự nghiêng đậm, đo lường mức độ hành tinh xoay quanh quỹ đạo hoàn hảo—đơn giản là nó bị làm bẹp so với quỹ đạo elip của nó. Độ nghiêng của GJ 1132 b tương đương với Sao Thái Dương, nhận được gấp đôi lượng bức xạ mặt trời tại điểm gần nhất của nó, hoặc điểm nó gần nhất với mặt trời, so với khi nó ở xa nó. Lực hấp dẫn từ ngôi sao sẽ kéo hành tinh, tạo ra ma sát trong nội tảo chảy và làm biến dạng hình dạng của nó. Điều này có thể tạo ra một hành tinh có hoạt động địa chất, nơi các vật liệu từ dưới bề mặt được đẩy lên qua nó.

Quy trình tương tự xảy ra trên mặt trăng Io của Sao Mộc, nơi bề mặt đầy với hơn 400 núi lửa—nơi có hoạt động địa chất mạnh mẽ nhất trong hệ Mặt Trời của chúng ta. Nếu GJ 1132 b cũng có hoạt động núi lửa, tính biến động này có thể đứng sau bầu khí quyển mới của hành tinh. Paul Rimmer, một hóa học khí quyển tại Đại học Cambridge và một tác giả khác của bài báo, đã huấn luyện một mô hình máy tính hóa học để tái tạo các điều kiện quan sát trong bầu khí quyển của hành tinh. “Tôi nhìn vào hóa học có thể trông như thế nào gần đỉnh núi lửa,” Rimmer nói. “Nếu bạn có một lượng nhất định carbon, hydro, oxy, và nitơ đang bay ra, có cách cụ thể mà chúng muốn kết hợp với nhau.”

Trên Trái Đất, núi lửa chủ yếu phun ra carbon dioxide, nước và lưu huỳnh. Nhưng Rimmer phát hiện rằng núi lửa trên GJ 1132 b có khả năng đang phun ra hydro chôn sâu này, cùng với metan và cyanua hydro—hai loại khí thường không được tìm thấy trong lượng bằng nhau trên các hành tinh đá, trái đất. “Đó là một loại hóa học rất, rất khác thường so với những gì bạn mong đợi tìm thấy trên Trái Đất,” ông nói.

Nhưng ít nhất có một túi nhỏ trong vỏ Trái Đất nơi chúng ta đã phát hiện điều kiện tương tự. Năm 2016, một công ty khai thác khoáng sản phát hiện một khoáng vật cực kỳ hiếm gọi là tistarite dưới núi Carmel ở phía bắc Israel. Các nhà địa chất xác định rằng nó đã bị ném ra từ một con núi lửa trong thời kỳ Creta, và ban đầu được tạo ra trong magma với rất ít oxy. “Nó rất hiếm trên Trái Đất, nhưng trên hành tinh GJ 1132 b, điều này có thể xảy ra khắp nơi,” Rimmer nói. Vulcanism độc đáo này lý thuyết có thể tạo ra methane và cyanua hydro ở cùng mức độ, ông nói, nhưng tất cả vẫn chỉ là ý tưởng. Rimmer lưu ý rằng còn nhiều công việc phải làm để nghiên cứu địa hóa học của hành tinh này và các hành tinh khác giống nhau để xác định xem hóa học này có khả thi hay không.

Sukrit Ranjan, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Northwestern trước đây đã làm việc với Rimmer để mô phỏng phosphine trong khí quyển của Sao Kim—một tuyên bố gần đây có sự tranh cãi gay gắt—nói rằng những phát hiện này rất là thú vị. Chúng ta có nhiều ví dụ trong hệ Mặt Trời của chúng ta về các hành tinh có khí quyển giàu hydro, ông chú ý, nhưng chưa bao giờ trước đây chúng ta quan sát được một hành tinh đá bị chi phối bởi hydro. “Đó không phải là điều được dự đoán trước,” Ranjan nói. “Phần lớn, mọi người cho rằng nếu bạn có một khí quyển được chi phối bởi H₂[hydrogen], nó nên mất sớm trong lịch sử của hành tinh và bạn có thể sẽ không thể tái tạo và duy trì nó.”

Laura Kreidberg, người chỉ đạo nghiên cứu về khí quyển hành tinh ngoại hành tại Viện Max Planck, muốn thấy một phân tích độc lập của dữ liệu trước khi rơi vào kết luận. “Có rất nhiều quyết định nhỏ trong việc xử lý dữ liệu có thể tạo ra những đỉnh và gợn sóng không mong muốn,” Kreidberg nói. “Tôi muốn xem phổ được tái tạo bởi một đội khác sử dụng các phương pháp độc lập để xem họ có nhận được điều gì không.”

Trên thực tế, quá trình này đã bắt đầu. Tuần trước, một nhóm nghiên cứu khác do Lorenzo Mugnai, một nhà thiên văn học tại Đại học Sapienza của Rome, dẫn đầu đã phát hành một bài báo riêng biệt phân tích độc lập cùng dữ liệu Hubble về GJ 1132 b. Nhưng khi nhóm của Mugnai xử lý dữ liệu, họ phát hiện rằng phổ của hành tinh tương đối phẳng—nói cách khác, nó không có khí quyển có thể phát hiện được. “Rất khó để chắc chắn về nguyên nhân gây ra sự khác biệt, vì đó là một phân tích rất khó,” Mugnai nói. “Chúng tôi biết rằng quỷ ẩn trong chi tiết.”

Hai đội đang có các cuộc họp đều đặn để tìm hiểu nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt đột ngột trong kết quả của họ, nhưng cả Mugnai và Swain đều nghĩ rằng vấn đề có thể nằm ở cách họ tính toán sự biến đổi của ánh sáng khi hành tinh di chuyển trước mặt ngôi sao của nó, một tham số được biết đến là tối nhỏ. “Một ngôi sao không đồng đều về độ sáng từ trung tâm đến mép,” Swain nói. “Khi hành tinh gần một mép hoặc mép khác, nó xuất hiện như là che chắn ít ánh sáng hơn, vì phần của ngôi sao nó che phủ thì tối trung bình hơn so với phần còn lại của ngôi sao.”

Để sửa chữa hiệu ứng này, các nhà nghiên cứu cần xử lý dữ liệu của họ với một mô hình có thể tính đến sự làm giảm và làm tăng độ sáng của ngôi sao. Cả hai đội đều sử dụng cùng một mô hình, nhưng với các hệ số khác nhau. Bây giờ họ đang lên kế hoạch đổi phương pháp để xem họ có thể sao chép kết quả của đội khác hay không.

Tuy vậy, Darius Modirrousta-Galian, đồng tác giả của bài báo của Mugnai, nghĩ rằng khả năng cao là GJ 1132 b không thể giữ đủ hydro để tạo ra một khí quyển thứ hai vì nó quá gần ngôi sao chủ. Nhà nghiên cứu ngoại hành tinh vẫn chưa chắc chắn về tác động của bức xạ từ ngôi sao đến quá trình hình thành khí quyển. “Phương pháp chúng tôi sử dụng là thực tế tác động của bức xạ từ ngôi sao rất mạnh mẽ, và nó tạo ra gió trên hành tinh có vận tốc siêu thanh và vận tốc hạt cực kỳ cao, dẫn đến việc khí quyển nói chung bốc hơi,” ông nói.

Modirrousta-Galian nói lượng hydro trong bao bì nguyên thủy cần thiết để vượt qua sự mất mát này và tạo ra một khí quyển thứ hai sẽ là một số lần khối lượng của hành tinh. “Chúng tôi không gặp vấn đề gì trong mô hình của chúng tôi mà hành tinh có thể được sinh ra với một khí quyển hydro,” ông nói. “Kết luận chúng tôi đưa ra là chúng ta chỉ là không có nó bây giờ.”

Tuy nhiên, cần thêm nghiên cứu—và lý tưởng nhất là các quan sát mới từ Kính viễn cảnh không gian James Webb, dự kiến ra mắt vào ngày 31 tháng 10—để xác nhận, hoặc làm phức tạp thêm, kết quả của cả hai đội. Nếu GJ 1132 b thật sự có một khí quyển hydro, nó có thể mở ra những hướng nghiên cứu mới cho các nhà khoa học thiên hà học. Đối với một điều, những khí quyển này sẽ dễ dàng phân tích hơn so với những hành tinh nhỏ có bao bì dày đặc được làm từ các nguyên tố nặng hơn. Khối lượng phân tử thấp của hydro góp phần vào một khí quyển rộng lớn hơn để ánh sáng lọt qua. Điều này tạo ra một dấu vết quang phổ mạnh mẽ hơn và dễ đọc hơn từ Trái đất.

Cả hai đội đều đang đẩy ranh giới của những gì có thể thực hiện được với Kính viễn cảnh không gian Hubble, được phóng vào năm 2000, hai năm trước khi các nhà thiên văn phát hiện ra hành tinh ngoại hành đầu tiên được biết đến. Với kích thước 1,16 lần so với Trái đất, GJ 1132 b là hành tinh nhỏ nhất từng có phổ truyền đã được công bố, Swain lưu ý. “Tôi nghĩ điều thú vị ở đây là có được một hiểu biết tốt hơn về những chi tiết nào thực sự quan trọng đối với nghiên cứu về những hành tinh nhỏ,” ông nói.

Nhiều hơn từ Mytour

• 📩 Cập nhật về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Khi ông chủ của tất cả các ứng dụng hẹn hò gặp đại dịch
• Hãy di chuyển với ứng dụng và dịch vụ tập thể dục yêu thích của chúng tôi
• Tại sao việc phủ kín các kênh bằng tấm pin năng lượng mặt trời là một động thái mạnh mẽ
• Làm thế nào để ngăn những người lạ gửi bạn tệp tin
• Giúp đỡ! Tôi có nên nói với đồng nghiệp rằng tôi có tự kỷ không?
• 👁️ Khám phá Trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ có với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 Mytour Games: Nhận những mẹo, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để duy trì sức khỏe? Kiểm tra lựa chọn của đội ngũ Gear cho bộ theo dõi sức khỏe, trang thiết bị chạy bộ (bao gồm giày và tất), và tai nghe tốt nhất