Tuần trước, các nhà thiên văn học đã công bố những hình ảnh mới thú vị về các hành tinh trong hệ sao HR 8799 và 51 Eridani — và tất cả là nhờ vào việc sử dụng sáng tạo Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST).
William Balmer, một tiến sĩ. ứng cử viên tại Đại học Johns Hopkins và là tác giả chính của nghiên cứu, đã nói với Space.com về cách các hình ảnh được chụp bởi Kính viễn vọng không gian James Webb và lý do tại sao những kết quả này đại diện cho một bước tiến lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về các ngoại hành tinh, cách chúng hình thành và tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất.
"Chụp ảnh trực tiếp rất quan trọng để nghiên cứu các hành tinh xa xôi vì nó cho chúng ta biết nhiều thông tin nhất về cấu trúc và thành phần của bầu khí quyển của chúng, không phụ thuộc vào ánh sáng từ ngôi sao chủ", Balmer giải thích.
Chụp ảnh trực tiếp các hành tinh xa xôi đặt ra một thách thức lớn do một số yếu tố. Đầu tiên, kính thiên văn gặp khó khăn trong việc phân biệt ánh sáng yếu từ một hành tinh với ánh sáng mạnh hơn nhiều phát ra từ ngôi sao chủ của nó. Độ chói của ngôi sao có thể lấn át bất kỳ tín hiệu nào phát ra từ hành tinh, khiến việc nghiên cứu chi tiết bầu khí quyển của thế giới trở nên khó khăn. Điều này cũng không được hỗ trợ bởi thực tế là hầu hết các ngoại hành tinh đều cực kỳ xa chúng ta, điều này càng hạn chế khả năng chụp ảnh rõ nét của chúng.
Đây chính là lúc Kính viễn vọng không gian James Webb phát huy tác dụng. Công nghệ tiên tiến của nó, bao gồm gương lớn và bộ thiết bị chuyên dụng, cho phép nó phát hiện ra các bức xạ rất yếu phát ra từ các ngoại hành tinh quay quanh trong phạm vi hồng ngoại giữa của quang phổ điện từ — và khả năng này đã mở ra một ranh giới mới trong nghiên cứu ngoại hành tinh.
"Các loại khí khác nhau ở các áp suất và nhiệt độ khác nhau trong bầu khí quyển của hành tinh sẽ hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng có bước sóng cụ thể và chúng ta có thể sử dụng các dấu vết hóa học này trên ánh sáng để mô hình hóa ngày càng rõ ràng không chỉ về thành phần tạo nên các hành tinh mà còn về cách chúng có thể hình thành dựa trên thành phần tạo nên chúng", Balmer cho biết.
Balmer và các đồng nghiệp đã tiến thêm một bước nữa bằng cách chụp những hình ảnh coronagraphic sáng tạo của các ngoại hành tinh trong HR 8799 và 51 Eridani — và họ đã làm như vậy bằng cách sử dụng coronagraph của JWST theo một cách không thông thường.
"Tôi thích nói đùa rằng đối với bài báo này, chúng tôi 'đã sử dụng coronagraph sai cách', nhưng những gì chúng tôi thực sự đã làm là sử dụng một phần rất mỏng của mặt nạ coronagraph, cho phép nhiều ánh sáng sao hơn nhiễu xạ hoặc rò rỉ xung quanh các cạnh của coronagraph", Balmer giải thích.
Coronagraphs, lần đầu tiên được phát triển vào năm 1930 để nghiên cứu corona của mặt trời, hoạt động bằng cách chặn ánh sáng sao để lộ các vật thể mờ xung quanh. Trên JWST, chúng cho phép chụp ảnh có độ tương phản cao các ngoại hành tinh trong phạm vi hồng ngoại gần đến trung bình của quang phổ điện từ. Tuy nhiên, nếu coronagraph chặn quá nhiều ánh sáng, nó có thể che khuất không chỉ ngôi sao mà còn cả các hành tinh gần đó.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm của Balmer đã điều chỉnh mặt nạ coronagraph của JWST, tinh chỉnh lượng ánh sáng sao bị chặn để tối đa hóa khả năng hiển thị hành tinh.
"Chúng tôi dựa vào độ ổn định của JWST, [đầu tiên] quan sát các mục tiêu của chúng tôi [và sau đó chụp ảnh] các ngôi sao tương tự mà không có hành tinh đã biết để so sánh", Balmer cho biết. Bằng cách trừ các hình ảnh tham chiếu này khỏi các hình ảnh mục tiêu, nhóm nghiên cứu đã loại bỏ hiệu quả ánh sáng của ngôi sao, cô lập các tín hiệu yếu từ các hành tinh.
"Vì [JWST] rất ổn định, nên sự khác biệt giữa hình ảnh tham chiếu và hình ảnh mục tiêu nhỏ hơn ánh sáng từ các hành tinh xung quanh mục tiêu của chúng tôi [cho phép chúng tôi phát hiện chúng rõ ràng hơn]", Balmer nói thêm.
Nghiên cứu này cũng đáng chú ý vì đã tạo ra hình ảnh đầu tiên về HR 8799 ở bước sóng 4,6 micron, một bước sóng trong phạm vi hồng ngoại trung bình. Đây là một thành tựu đáng kể, vì bầu khí quyển của Trái đất hấp thụ phần lớn ánh sáng ở bước sóng này, khiến việc quan sát trên mặt đất trong phạm vi đó gần như không thể.
"Bầu khí quyển của Trái đất chỉ có một cửa sổ trong suốt ngắn ngủi ở bước sóng 4,6 micron", Balmer giải thích. "Các quan sát mặt đất trước đây đã cố gắng chụp ảnh HR 8799 e ở những bước sóng này nhưng không thành công. Một số kính thiên văn mặt đất có gương lớn hơn JWST, nhưng thành công của chúng tôi cho thấy tính ổn định của JWST quan trọng như thế nào đối với những loại phát hiện này."
Nhưng điều thú vị hơn nữa đối với nhóm nghiên cứu là khả năng quan sát ở bước sóng 4,3 micron của JWST — bước sóng hoàn toàn bị bầu khí quyển của Trái đất chặn lại.
"Bước sóng thú vị nhất mà chúng tôi tiếp cận được bằng JWST là ở mức 4,3 micron, nơi chưa có hành tinh nào trong số này được quan sát trước đây", Balmer cho biết. "Vì bầu khí quyển của Trái Đất có nhiều carbon dioxide, nên nó chặn một lượng lớn ánh sáng ở bước sóng này."
Ưu điểm của JWST ở đây là nó tồn tại bên ngoài bầu khí quyển của Trái Đất, cách hành tinh của chúng ta khoảng một triệu dặm (1,5 triệu km) trong không gian.
Mức carbon dioxide tiết lộ các chi tiết quan trọng về quá trình hình thành của một hành tinh. Trong bầu khí quyển của một hành tinh, cả carbon monoxide và carbon dioxide đều có mặt, nhưng sự cân bằng của chúng phụ thuộc vào lượng oxy có sẵn. Vì carbon dioxide chứa nhiều oxy hơn carbon monoxide, nên một hành tinh có nồng độ carbon dioxide cao có thể có nhiều nguyên tố "nặng" hơn như carbon, oxy, magiê và sắt. Các nguyên tố này đến từ các vật liệu ban đầu hình thành nên hành tinh.
"Vì cường độ của đặc điểm carbon dioxide trong bầu khí quyển của các hành tinh HR 8799 rất mạnh, nên chúng tôi khá tự tin rằng chúng có tỷ lệ nguyên tố nặng lớn hơn so với ngôi sao chủ của nó, điều đó có nghĩa là chúng phải thu thập các nguyên tố nặng đó từ đâu đó", Balmer cho biết.
Giải thích có khả năng nhất là các hành tinh này hình thành thông qua một quá trình gọi là bồi tụ lõi — trong đó các lõi đá và băng phát triển đủ lớn để thu được bầu khí quyển dày của hydro và các loại khí khác bằng lực hấp dẫn của chúng.
Các quan sát của nghiên cứu cũng tiết lộ sự đa dạng bất ngờ về "màu sắc" của các hành tinh bên trong hệ thống HR 8799. Balmer cho biết: "Những điểm khác biệt giữa các hành tinh HR 8799 khá thú vị vì trước đây các hành tinh này trông tương đối giống nhau trong vùng hồng ngoại gần", đồng thời chỉ ra ví dụ này. "Hồng ngoại trung bình gợi ý cho chúng ta về các phân tử khác nhau, vì vậy có thể màu sắc khác nhau của các hành tinh trong hình ảnh của chúng ta là do sự khác biệt trong quá trình trộn theo chiều dọc hoặc thành phần."
Ví dụ, quá trình trộn theo chiều dọc, là quá trình khí di chuyển lên và xuống bầu khí quyển của một hành tinh, có thể khiến các phân tử kết thúc ở những nơi mà các nhà khoa học có thể không ngờ tới.
"Ví dụ, dựa trên nhiệt độ của các hành tinh HR 8799, chúng sẽ có rất nhiều mêtan trong bầu khí quyển phía trên của chúng, vì vậy chúng ta sẽ thấy các đặc điểm hấp thụ mêtan lớn", Balmer cho biết. "Thay vào đó, chúng ta thấy rất ít mêtan và nhiều carbon monoxide hơn. Điều này là do quá trình trộn theo chiều dọc đã di chuyển khí ấm, giàu CO từ các lớp sâu hơn của bầu khí quyển lên các lớp ngoài, nơi nó đã 'vượt trội' so với mêtan vốn có ở đó."
Một quá trình khí quyển tương tự có thể diễn ra ở 51 Eridani b, nơi phát hiện của JWST ở 4,1 micron cho thấy hóa học carbon không cân bằng. Hành tinh này mờ hơn nhiều so với dự kiến, có thể là do nồng độ carbon dioxide và carbon monoxide cao ở tầng khí quyển trên của nó. "Điều này chỉ ra rằng hành tinh này có thể giàu kim loại, giống như HR 8799, nhưng cụ thể hơn là các khí nóng, giàu carbon monoxide và carbon dioxide từ tầng khí quyển thấp hơn của hành tinh được đối lưu lên tầng khí quyển cao hơn, nơi chúng hấp thụ nhiều ánh sáng đi ra hơn."
Một quá trình tương tự, để hiểu rõ hơn, cũng xảy ra trên Trái đất.
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện bốn hành tinh khổng lồ ngoài hành tinh quay quanh ngôi sao gần đó (hình ảnh)
— Nhà thiên văn học này đã tìm thấy một ngôi sao bí ẩn trong dữ liệu của Kính viễn vọng không gian James Webb
— Kính viễn vọng không gian James Webb điều tra nguồn gốc của 'những ngôi sao thất bại' trong Tinh vân Ngọn lửa
Balmer hy vọng các mô hình trong tương lai sẽ cải thiện cách chúng tính toán các đám mây và trộn theo chiều dọc, cho phép giải thích tốt hơn dữ liệu có độ chính xác cao. Nhóm của họ đã được trao thêm 23 giờ thời gian của JWST để nghiên cứu bốn hệ hành tinh bổ sung, nhằm xác định xem các hành tinh khí khổng lồ của chúng có hình thành thông qua sự bồi tụ lõi hay không. Hiểu được quá trình này có thể tiết lộ cách các hành tinh khổng lồ ảnh hưởng đến sự ổn định và khả năng sinh sống của các thế giới trên cạn nhỏ hơn, vô hình.
William Balmer, một tiến sĩ. ứng cử viên tại Đại học Johns Hopkins và là tác giả chính của nghiên cứu, đã nói với Space.com về cách các hình ảnh được chụp bởi Kính viễn vọng không gian James Webb và lý do tại sao những kết quả này đại diện cho một bước tiến lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về các ngoại hành tinh, cách chúng hình thành và tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất.
"Chụp ảnh trực tiếp rất quan trọng để nghiên cứu các hành tinh xa xôi vì nó cho chúng ta biết nhiều thông tin nhất về cấu trúc và thành phần của bầu khí quyển của chúng, không phụ thuộc vào ánh sáng từ ngôi sao chủ", Balmer giải thích.
Chụp ảnh trực tiếp các hành tinh xa xôi đặt ra một thách thức lớn do một số yếu tố. Đầu tiên, kính thiên văn gặp khó khăn trong việc phân biệt ánh sáng yếu từ một hành tinh với ánh sáng mạnh hơn nhiều phát ra từ ngôi sao chủ của nó. Độ chói của ngôi sao có thể lấn át bất kỳ tín hiệu nào phát ra từ hành tinh, khiến việc nghiên cứu chi tiết bầu khí quyển của thế giới trở nên khó khăn. Điều này cũng không được hỗ trợ bởi thực tế là hầu hết các ngoại hành tinh đều cực kỳ xa chúng ta, điều này càng hạn chế khả năng chụp ảnh rõ nét của chúng.
Đây chính là lúc Kính viễn vọng không gian James Webb phát huy tác dụng. Công nghệ tiên tiến của nó, bao gồm gương lớn và bộ thiết bị chuyên dụng, cho phép nó phát hiện ra các bức xạ rất yếu phát ra từ các ngoại hành tinh quay quanh trong phạm vi hồng ngoại giữa của quang phổ điện từ — và khả năng này đã mở ra một ranh giới mới trong nghiên cứu ngoại hành tinh.
"Các loại khí khác nhau ở các áp suất và nhiệt độ khác nhau trong bầu khí quyển của hành tinh sẽ hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng có bước sóng cụ thể và chúng ta có thể sử dụng các dấu vết hóa học này trên ánh sáng để mô hình hóa ngày càng rõ ràng không chỉ về thành phần tạo nên các hành tinh mà còn về cách chúng có thể hình thành dựa trên thành phần tạo nên chúng", Balmer cho biết.
Balmer và các đồng nghiệp đã tiến thêm một bước nữa bằng cách chụp những hình ảnh coronagraphic sáng tạo của các ngoại hành tinh trong HR 8799 và 51 Eridani — và họ đã làm như vậy bằng cách sử dụng coronagraph của JWST theo một cách không thông thường.
"Tôi thích nói đùa rằng đối với bài báo này, chúng tôi 'đã sử dụng coronagraph sai cách', nhưng những gì chúng tôi thực sự đã làm là sử dụng một phần rất mỏng của mặt nạ coronagraph, cho phép nhiều ánh sáng sao hơn nhiễu xạ hoặc rò rỉ xung quanh các cạnh của coronagraph", Balmer giải thích.
Coronagraphs, lần đầu tiên được phát triển vào năm 1930 để nghiên cứu corona của mặt trời, hoạt động bằng cách chặn ánh sáng sao để lộ các vật thể mờ xung quanh. Trên JWST, chúng cho phép chụp ảnh có độ tương phản cao các ngoại hành tinh trong phạm vi hồng ngoại gần đến trung bình của quang phổ điện từ. Tuy nhiên, nếu coronagraph chặn quá nhiều ánh sáng, nó có thể che khuất không chỉ ngôi sao mà còn cả các hành tinh gần đó.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm của Balmer đã điều chỉnh mặt nạ coronagraph của JWST, tinh chỉnh lượng ánh sáng sao bị chặn để tối đa hóa khả năng hiển thị hành tinh.
"Chúng tôi dựa vào độ ổn định của JWST, [đầu tiên] quan sát các mục tiêu của chúng tôi [và sau đó chụp ảnh] các ngôi sao tương tự mà không có hành tinh đã biết để so sánh", Balmer cho biết. Bằng cách trừ các hình ảnh tham chiếu này khỏi các hình ảnh mục tiêu, nhóm nghiên cứu đã loại bỏ hiệu quả ánh sáng của ngôi sao, cô lập các tín hiệu yếu từ các hành tinh.
"Vì [JWST] rất ổn định, nên sự khác biệt giữa hình ảnh tham chiếu và hình ảnh mục tiêu nhỏ hơn ánh sáng từ các hành tinh xung quanh mục tiêu của chúng tôi [cho phép chúng tôi phát hiện chúng rõ ràng hơn]", Balmer nói thêm.
Nghiên cứu này cũng đáng chú ý vì đã tạo ra hình ảnh đầu tiên về HR 8799 ở bước sóng 4,6 micron, một bước sóng trong phạm vi hồng ngoại trung bình. Đây là một thành tựu đáng kể, vì bầu khí quyển của Trái đất hấp thụ phần lớn ánh sáng ở bước sóng này, khiến việc quan sát trên mặt đất trong phạm vi đó gần như không thể.
"Bầu khí quyển của Trái đất chỉ có một cửa sổ trong suốt ngắn ngủi ở bước sóng 4,6 micron", Balmer giải thích. "Các quan sát mặt đất trước đây đã cố gắng chụp ảnh HR 8799 e ở những bước sóng này nhưng không thành công. Một số kính thiên văn mặt đất có gương lớn hơn JWST, nhưng thành công của chúng tôi cho thấy tính ổn định của JWST quan trọng như thế nào đối với những loại phát hiện này."
Nhưng điều thú vị hơn nữa đối với nhóm nghiên cứu là khả năng quan sát ở bước sóng 4,3 micron của JWST — bước sóng hoàn toàn bị bầu khí quyển của Trái đất chặn lại.
"Bước sóng thú vị nhất mà chúng tôi tiếp cận được bằng JWST là ở mức 4,3 micron, nơi chưa có hành tinh nào trong số này được quan sát trước đây", Balmer cho biết. "Vì bầu khí quyển của Trái Đất có nhiều carbon dioxide, nên nó chặn một lượng lớn ánh sáng ở bước sóng này."
Ưu điểm của JWST ở đây là nó tồn tại bên ngoài bầu khí quyển của Trái Đất, cách hành tinh của chúng ta khoảng một triệu dặm (1,5 triệu km) trong không gian.
Mức carbon dioxide tiết lộ các chi tiết quan trọng về quá trình hình thành của một hành tinh. Trong bầu khí quyển của một hành tinh, cả carbon monoxide và carbon dioxide đều có mặt, nhưng sự cân bằng của chúng phụ thuộc vào lượng oxy có sẵn. Vì carbon dioxide chứa nhiều oxy hơn carbon monoxide, nên một hành tinh có nồng độ carbon dioxide cao có thể có nhiều nguyên tố "nặng" hơn như carbon, oxy, magiê và sắt. Các nguyên tố này đến từ các vật liệu ban đầu hình thành nên hành tinh.
"Vì cường độ của đặc điểm carbon dioxide trong bầu khí quyển của các hành tinh HR 8799 rất mạnh, nên chúng tôi khá tự tin rằng chúng có tỷ lệ nguyên tố nặng lớn hơn so với ngôi sao chủ của nó, điều đó có nghĩa là chúng phải thu thập các nguyên tố nặng đó từ đâu đó", Balmer cho biết.
Giải thích có khả năng nhất là các hành tinh này hình thành thông qua một quá trình gọi là bồi tụ lõi — trong đó các lõi đá và băng phát triển đủ lớn để thu được bầu khí quyển dày của hydro và các loại khí khác bằng lực hấp dẫn của chúng.
Các quan sát của nghiên cứu cũng tiết lộ sự đa dạng bất ngờ về "màu sắc" của các hành tinh bên trong hệ thống HR 8799. Balmer cho biết: "Những điểm khác biệt giữa các hành tinh HR 8799 khá thú vị vì trước đây các hành tinh này trông tương đối giống nhau trong vùng hồng ngoại gần", đồng thời chỉ ra ví dụ này. "Hồng ngoại trung bình gợi ý cho chúng ta về các phân tử khác nhau, vì vậy có thể màu sắc khác nhau của các hành tinh trong hình ảnh của chúng ta là do sự khác biệt trong quá trình trộn theo chiều dọc hoặc thành phần."
Ví dụ, quá trình trộn theo chiều dọc, là quá trình khí di chuyển lên và xuống bầu khí quyển của một hành tinh, có thể khiến các phân tử kết thúc ở những nơi mà các nhà khoa học có thể không ngờ tới.
"Ví dụ, dựa trên nhiệt độ của các hành tinh HR 8799, chúng sẽ có rất nhiều mêtan trong bầu khí quyển phía trên của chúng, vì vậy chúng ta sẽ thấy các đặc điểm hấp thụ mêtan lớn", Balmer cho biết. "Thay vào đó, chúng ta thấy rất ít mêtan và nhiều carbon monoxide hơn. Điều này là do quá trình trộn theo chiều dọc đã di chuyển khí ấm, giàu CO từ các lớp sâu hơn của bầu khí quyển lên các lớp ngoài, nơi nó đã 'vượt trội' so với mêtan vốn có ở đó."
Một quá trình khí quyển tương tự có thể diễn ra ở 51 Eridani b, nơi phát hiện của JWST ở 4,1 micron cho thấy hóa học carbon không cân bằng. Hành tinh này mờ hơn nhiều so với dự kiến, có thể là do nồng độ carbon dioxide và carbon monoxide cao ở tầng khí quyển trên của nó. "Điều này chỉ ra rằng hành tinh này có thể giàu kim loại, giống như HR 8799, nhưng cụ thể hơn là các khí nóng, giàu carbon monoxide và carbon dioxide từ tầng khí quyển thấp hơn của hành tinh được đối lưu lên tầng khí quyển cao hơn, nơi chúng hấp thụ nhiều ánh sáng đi ra hơn."
Một quá trình tương tự, để hiểu rõ hơn, cũng xảy ra trên Trái đất.
— Kính viễn vọng không gian James Webb phát hiện bốn hành tinh khổng lồ ngoài hành tinh quay quanh ngôi sao gần đó (hình ảnh)
— Nhà thiên văn học này đã tìm thấy một ngôi sao bí ẩn trong dữ liệu của Kính viễn vọng không gian James Webb
— Kính viễn vọng không gian James Webb điều tra nguồn gốc của 'những ngôi sao thất bại' trong Tinh vân Ngọn lửa
Balmer hy vọng các mô hình trong tương lai sẽ cải thiện cách chúng tính toán các đám mây và trộn theo chiều dọc, cho phép giải thích tốt hơn dữ liệu có độ chính xác cao. Nhóm của họ đã được trao thêm 23 giờ thời gian của JWST để nghiên cứu bốn hệ hành tinh bổ sung, nhằm xác định xem các hành tinh khí khổng lồ của chúng có hình thành thông qua sự bồi tụ lõi hay không. Hiểu được quá trình này có thể tiết lộ cách các hành tinh khổng lồ ảnh hưởng đến sự ổn định và khả năng sinh sống của các thế giới trên cạn nhỏ hơn, vô hình.