Khi một hành tinh được sinh ra từ các túi khí phân tử và bụi xoáy bao quanh một ngôi sao trẻ, nó hình thành trong điều kiện trọng lực và áp suất mạnh. Quá trình này rất dữ dội, các giai đoạn đầu tiên của vòng đời hành tinh rất hỗn loạn và các thế giới mới sinh thường rất nóng.
Các nhà khoa học từ lâu đã cho rằng, trong những điều kiện khắc nghiệt này, các nguyên liệu thô liên quan đến quá trình hình thành thế giới — khí, băng, đá và hỗn hợp kim loại — thực sự không tương tác nhiều với nhau. Tuy nhiên, có lẽ đã đến lúc xem xét lại ý tưởng này. Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học California, Los Angeles và Đại học Princeton đã đặt câu hỏi về giả định đó, thay vào đó tự hỏi liệu một hành tinh đang hình thành bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta — một hành tinh ngoài hệ mặt trời — có thể đóng vai trò như một phòng thí nghiệm tự nhiên trong đó các phân tử tương tác theo những cách đáng ngạc nhiên trong sức nóng sôi sục của bầu khí quyển và lõi của nó hay không.
"Các mô hình chuẩn của hành tinh cho rằng những khối xây dựng này không tương tác với nhau", Lars Stixrude, một giáo sư tại UCLA, nói với Space.com. "Với rất nhiều hành tinh mới được phát hiện, đặc biệt là những hành tinh có khả năng có bầu khí quyển hydro dày bao quanh phần bên trong nóng chảy của nước, đá hoặc cả hai — chúng tôi đặt câu hỏi liệu giả định này có thực sự đúng hay không, đặc biệt là khi xét đến những điều kiện khắc nghiệt có thể xảy ra bên trong các hành tinh mà hiểu biết của chúng ta về vật lý vẫn chưa được xác lập rõ ràng."
Quá trình tiến hóa của các hành tinh giàu nước đã được nghiên cứu rộng rãi, mặc dù thường theo giả định này: bầu khí quyển giàu hydro của chúng không tương tác với phần bên trong giàu nước của chúng. Nhưng Stixrude và các đồng tác giả của ông, Akash Gupta và Hilke Schlichting, cho rằng một động lực độc đáo giữa nước và hydro có thể có những hàm ý sâu sắc mà chúng ta đang bỏ sót trong các mô hình phát triển hành tinh của mình.
Để tìm ra cách một hệ thống bao gồm hydro và nước có thể tương tác nếu nó tồn tại cùng nhau trên một thế giới khác, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng trên máy tính để mô hình hóa động lực của các phân tử ở cấp độ lượng tử.
"Hãy nghĩ về các thí nghiệm tính toán của chúng tôi như một phòng thí nghiệm kỹ thuật số nhỏ, nơi chúng tôi đặt hàng trăm phân tử hydro và nước vào một chiếc hộp", Gupta, một nghiên cứu sinh tiến sĩ của UCLA vào thời điểm nghiên cứu và hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Princeton, nói với Space.com.
"Sau đó, chúng tôi để cơ học lượng tử chi phối cách các phân tử này hoạt động dưới các áp suất và nhiệt độ khác nhau, tương tự như các điều kiện bên trong các hành tinh", ông tiếp tục. "Quá trình này giúp chúng tôi lập bản đồ các điều kiện hành tinh nào ủng hộ sự trộn lẫn hoặc tách biệt và ở mức độ nào".
Các nhà nghiên cứu đã xác định được một "đường cong quan trọng" trong mối quan hệ áp suất-nhiệt độ của hỗn hợp hydro-nước — một ranh giới mà hydro và nước chuyển từ trạng thái trộn lẫn hoàn toàn thành một chất lỏng duy nhất sang tách ra thành hai pha riêng biệt.
"Khi các hành tinh còn trẻ hoặc nóng, bên trong của chúng có thể ở phía ấm hơn của đường cong [áp suất-nhiệt độ] này, điều này cho chúng ta biết rằng hydro và nước sẽ được trộn lẫn hoàn toàn trong chúng", Gupta cho biết. "Khi các hành tinh nguội đi theo tuổi tác, cuối cùng phần bên trong của chúng có thể giảm xuống phía mát hơn của đường cong này và nước và hydro sẽ bắt đầu tách ra."
Có lẽ phần thú vị nhất của mô phỏng là nhóm nghiên cứu dự đoán rằng khi hành tinh nguội đi và nước tách ra, hành tinh sẽ trải qua "mưa ra" trên toàn hành tinh khi nó chìm sâu hơn vào bầu khí quyển. "Điều này sau đó có thể dẫn đến sự thay đổi trong thành phần của bầu khí quyển hành tinh: sự xuất hiện của bầu khí quyển giàu hydro và phần bên trong giàu nước, ngoài ra còn có ý nghĩa đối với ngân sách năng lượng của hành tinh", Schlichting, một giáo sư tại UCLA, nói với Space.com.
Nếu hành tinh trở nên đủ mát và hydro và nước tách ra sớm trong quá trình tiến hóa của nó, Gupta cho biết một lớp nước siêu tới hạn có thể hình thành bên dưới bầu khí quyển hydro — do đó làm sáng tỏ cách các hành tinh có đại dương nước lỏng có thể tồn tại.
Những phát hiện này cũng có thể giúp giải quyết một bí ẩn lâu đời xung quanh các trường từ lệch lạc của Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương. "Các trường từ trong các hành tinh được tạo ra bởi các vật liệu dẫn điện chảy sâu bên trong chúng", Gupta cho biết. "Ở áp suất và nhiệt độ cao, như dự kiến bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, hydro và nước có thể trở thành nguyên tử và giống kim loại, tức là chất dẫn điện tốt."
"Bản thân hỗn hợp này có thể […] giải thích các từ trường bí ẩn của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, không giống bất kỳ hành tinh nào khác trong Hệ Mặt trời của chúng ta", ông tiếp tục. "Trước đây, các từ trường này chỉ được quy cho các lớp nước hoặc băng tinh khiết, vì vật lý đằng sau các tương tác giữa hydro và nước phần lớn vẫn chưa được khám phá".
Các nghiên cứu như thế này cung cấp một nền tảng vô cùng giá trị để khám phá ranh giới của vật lý và hóa học như chúng ta biết. Lõi của các hành tinh cung cấp một bối cảnh độc đáo để đi sâu vào các lĩnh vực này, thách thức sự hiểu biết hiện tại của chúng ta và có khả năng tiết lộ các nguyên tắc mới có thể định hình lại chúng.
Các câu chuyện liên quan:
— Sự khác biệt giữa một ngoại hành tinh trẻ và một ngoại hành tinh già là gì?
— Ngoại hành tinh K2-18b có chứa sự sống ngoài hành tinh hay không? Đây là lý do tại sao cuộc tranh luận vẫn tiếp diễn
— Các nhà khoa học cố tình sử dụng các thiết bị JWST 'sai' để chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh
"Chúng ta thường cho rằng vật lý và hóa học đã được hiểu đầy đủ, nhưng khi chúng ta đi sâu vào các điều kiện khắc nghiệt sâu bên trong các hành tinh — áp suất lớn hơn hàng nghìn đến hàng triệu lần so với bầu khí quyển của Trái đất và nhiệt độ đủ nóng để làm tan chảy đá — chúng ta nhanh chóng nhận ra vẫn còn nhiều điều cần khám phá", Gupta cho biết. “Điều này đặc biệt đúng trong lĩnh vực ngoại hành tinh mới nổi, nơi mà việc kết nối những hiểu biết từ vật lý thiên văn, khoa học hành tinh, khoa học trái đất và hóa học là điều cần thiết nếu chúng ta muốn thực sự hiểu được hệ thống vô cùng phức tạp [của] các hành tinh và bầu khí quyển của chúng."
Nhóm nghiên cứu cho biết họ có kế hoạch mở rộng các mô phỏng phân tử của mình để bao gồm các phân tử hình thành đá và băng để hiểu cách chúng có thể cùng tồn tại và tương tác với bầu khí quyển dựa trên hydro của một hành tinh, bên trong của nó và các loại khí khác, như heli, có thể có mặt.
"Những hiểu biết mới này tại giao điểm của hóa học và vật lý do đó đang giúp chúng ta khám phá những vùng đất chưa được khám phá", Schlichting kết luận. "Mỗi kết quả mới có thể định hình lại sự hiểu biết của chúng ta về các hành tinh, khả năng sinh sống của chúng và vị trí của chúng ta trong vũ trụ này."
Các nhà khoa học từ lâu đã cho rằng, trong những điều kiện khắc nghiệt này, các nguyên liệu thô liên quan đến quá trình hình thành thế giới — khí, băng, đá và hỗn hợp kim loại — thực sự không tương tác nhiều với nhau. Tuy nhiên, có lẽ đã đến lúc xem xét lại ý tưởng này. Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học California, Los Angeles và Đại học Princeton đã đặt câu hỏi về giả định đó, thay vào đó tự hỏi liệu một hành tinh đang hình thành bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta — một hành tinh ngoài hệ mặt trời — có thể đóng vai trò như một phòng thí nghiệm tự nhiên trong đó các phân tử tương tác theo những cách đáng ngạc nhiên trong sức nóng sôi sục của bầu khí quyển và lõi của nó hay không.
"Các mô hình chuẩn của hành tinh cho rằng những khối xây dựng này không tương tác với nhau", Lars Stixrude, một giáo sư tại UCLA, nói với Space.com. "Với rất nhiều hành tinh mới được phát hiện, đặc biệt là những hành tinh có khả năng có bầu khí quyển hydro dày bao quanh phần bên trong nóng chảy của nước, đá hoặc cả hai — chúng tôi đặt câu hỏi liệu giả định này có thực sự đúng hay không, đặc biệt là khi xét đến những điều kiện khắc nghiệt có thể xảy ra bên trong các hành tinh mà hiểu biết của chúng ta về vật lý vẫn chưa được xác lập rõ ràng."
Quá trình tiến hóa của các hành tinh giàu nước đã được nghiên cứu rộng rãi, mặc dù thường theo giả định này: bầu khí quyển giàu hydro của chúng không tương tác với phần bên trong giàu nước của chúng. Nhưng Stixrude và các đồng tác giả của ông, Akash Gupta và Hilke Schlichting, cho rằng một động lực độc đáo giữa nước và hydro có thể có những hàm ý sâu sắc mà chúng ta đang bỏ sót trong các mô hình phát triển hành tinh của mình.
Để tìm ra cách một hệ thống bao gồm hydro và nước có thể tương tác nếu nó tồn tại cùng nhau trên một thế giới khác, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng trên máy tính để mô hình hóa động lực của các phân tử ở cấp độ lượng tử.
"Hãy nghĩ về các thí nghiệm tính toán của chúng tôi như một phòng thí nghiệm kỹ thuật số nhỏ, nơi chúng tôi đặt hàng trăm phân tử hydro và nước vào một chiếc hộp", Gupta, một nghiên cứu sinh tiến sĩ của UCLA vào thời điểm nghiên cứu và hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Princeton, nói với Space.com.
"Sau đó, chúng tôi để cơ học lượng tử chi phối cách các phân tử này hoạt động dưới các áp suất và nhiệt độ khác nhau, tương tự như các điều kiện bên trong các hành tinh", ông tiếp tục. "Quá trình này giúp chúng tôi lập bản đồ các điều kiện hành tinh nào ủng hộ sự trộn lẫn hoặc tách biệt và ở mức độ nào".
Các nhà nghiên cứu đã xác định được một "đường cong quan trọng" trong mối quan hệ áp suất-nhiệt độ của hỗn hợp hydro-nước — một ranh giới mà hydro và nước chuyển từ trạng thái trộn lẫn hoàn toàn thành một chất lỏng duy nhất sang tách ra thành hai pha riêng biệt.
"Khi các hành tinh còn trẻ hoặc nóng, bên trong của chúng có thể ở phía ấm hơn của đường cong [áp suất-nhiệt độ] này, điều này cho chúng ta biết rằng hydro và nước sẽ được trộn lẫn hoàn toàn trong chúng", Gupta cho biết. "Khi các hành tinh nguội đi theo tuổi tác, cuối cùng phần bên trong của chúng có thể giảm xuống phía mát hơn của đường cong này và nước và hydro sẽ bắt đầu tách ra."
Có lẽ phần thú vị nhất của mô phỏng là nhóm nghiên cứu dự đoán rằng khi hành tinh nguội đi và nước tách ra, hành tinh sẽ trải qua "mưa ra" trên toàn hành tinh khi nó chìm sâu hơn vào bầu khí quyển. "Điều này sau đó có thể dẫn đến sự thay đổi trong thành phần của bầu khí quyển hành tinh: sự xuất hiện của bầu khí quyển giàu hydro và phần bên trong giàu nước, ngoài ra còn có ý nghĩa đối với ngân sách năng lượng của hành tinh", Schlichting, một giáo sư tại UCLA, nói với Space.com.
Nếu hành tinh trở nên đủ mát và hydro và nước tách ra sớm trong quá trình tiến hóa của nó, Gupta cho biết một lớp nước siêu tới hạn có thể hình thành bên dưới bầu khí quyển hydro — do đó làm sáng tỏ cách các hành tinh có đại dương nước lỏng có thể tồn tại.
Những phát hiện này cũng có thể giúp giải quyết một bí ẩn lâu đời xung quanh các trường từ lệch lạc của Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương. "Các trường từ trong các hành tinh được tạo ra bởi các vật liệu dẫn điện chảy sâu bên trong chúng", Gupta cho biết. "Ở áp suất và nhiệt độ cao, như dự kiến bên trong Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, hydro và nước có thể trở thành nguyên tử và giống kim loại, tức là chất dẫn điện tốt."
"Bản thân hỗn hợp này có thể […] giải thích các từ trường bí ẩn của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, không giống bất kỳ hành tinh nào khác trong Hệ Mặt trời của chúng ta", ông tiếp tục. "Trước đây, các từ trường này chỉ được quy cho các lớp nước hoặc băng tinh khiết, vì vật lý đằng sau các tương tác giữa hydro và nước phần lớn vẫn chưa được khám phá".
Các nghiên cứu như thế này cung cấp một nền tảng vô cùng giá trị để khám phá ranh giới của vật lý và hóa học như chúng ta biết. Lõi của các hành tinh cung cấp một bối cảnh độc đáo để đi sâu vào các lĩnh vực này, thách thức sự hiểu biết hiện tại của chúng ta và có khả năng tiết lộ các nguyên tắc mới có thể định hình lại chúng.
Các câu chuyện liên quan:
— Sự khác biệt giữa một ngoại hành tinh trẻ và một ngoại hành tinh già là gì?
— Ngoại hành tinh K2-18b có chứa sự sống ngoài hành tinh hay không? Đây là lý do tại sao cuộc tranh luận vẫn tiếp diễn
— Các nhà khoa học cố tình sử dụng các thiết bị JWST 'sai' để chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh
"Chúng ta thường cho rằng vật lý và hóa học đã được hiểu đầy đủ, nhưng khi chúng ta đi sâu vào các điều kiện khắc nghiệt sâu bên trong các hành tinh — áp suất lớn hơn hàng nghìn đến hàng triệu lần so với bầu khí quyển của Trái đất và nhiệt độ đủ nóng để làm tan chảy đá — chúng ta nhanh chóng nhận ra vẫn còn nhiều điều cần khám phá", Gupta cho biết. “Điều này đặc biệt đúng trong lĩnh vực ngoại hành tinh mới nổi, nơi mà việc kết nối những hiểu biết từ vật lý thiên văn, khoa học hành tinh, khoa học trái đất và hóa học là điều cần thiết nếu chúng ta muốn thực sự hiểu được hệ thống vô cùng phức tạp [của] các hành tinh và bầu khí quyển của chúng."
Nhóm nghiên cứu cho biết họ có kế hoạch mở rộng các mô phỏng phân tử của mình để bao gồm các phân tử hình thành đá và băng để hiểu cách chúng có thể cùng tồn tại và tương tác với bầu khí quyển dựa trên hydro của một hành tinh, bên trong của nó và các loại khí khác, như heli, có thể có mặt.
"Những hiểu biết mới này tại giao điểm của hóa học và vật lý do đó đang giúp chúng ta khám phá những vùng đất chưa được khám phá", Schlichting kết luận. "Mỗi kết quả mới có thể định hình lại sự hiểu biết của chúng ta về các hành tinh, khả năng sinh sống của chúng và vị trí của chúng ta trong vũ trụ này."
