Sử dụng Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), các nhà thiên văn học đã nhìn vào bầu khí quyển của một thiên thể vũ trụ có thể là một hành tinh lang thang hoặc một "ngôi sao thất bại". Dù thế nào đi nữa, thế giới này vẫn lang thang trong vũ trụ mà không có cha mẹ.
Vật thể mồ côi vũ trụ, hay "vật thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do", được gọi là SIMP 0136 trôi dạt trong vũ trụ cách Trái đất khoảng 20 năm ánh sáng — và nó trôi dạt mà không có mỏ neo sao. SIMP 0136 có khối lượng gấp khoảng 13 lần khối lượng của Sao Mộc, nhưng có kích thước gần bằng hành tinh khí khổng lồ trong hệ mặt trời. Được phát hiện vào năm 2003, SIMP 0136 quay nhanh đến mức một ngày trên hành tinh bất ổn này chỉ kéo dài khoảng 2,4 giờ Trái đất.
Có khả năng SIMP 0136 không phải là một hành tinh mà là một vật thể được gọi là "sao lùn nâu", một thiên thể hình thành giống như một ngôi sao nhưng không thu thập đủ khối lượng để kích hoạt phản ứng tổng hợp hạt nhân của hydro thành heli trong lõi của nó. Sự nhầm lẫn phát sinh từ thực tế là những "ngôi sao hỏng" này có giới hạn khối lượng dưới khoảng 13 lần khối lượng của Sao Mộc — thực tế là xấp xỉ khối lượng của SIMP 0136.
Vì SIMP 0136 tương đối sáng đối với một vật thể có khối lượng hành tinh biệt lập và ánh sáng của nó không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng của một ngôi sao mẹ, nên nó đã trở thành mục tiêu phổ biến của các nhà thiên văn học.
Do đó, ngay cả trước khi JWST kiểm tra vật thể này, một loạt các thiết bị trên mặt đất cũng như kính viễn vọng không gian Hubble và Spitzer đã nghiên cứu nó. Tuy nhiên, những cuộc điều tra này khiến các nhà thiên văn học phải đối mặt với một số câu đố xung quanh SIMP 0136.
Các nhà thiên văn học trước đó đã phát hiện ra rằng SIMP 0136 dao động về độ sáng. Người ta lý giải rằng những thay đổi này không chỉ đơn thuần là kết quả của các đám mây trên hành tinh có kích thước bằng Sao Mộc này, mà còn liên quan đến sự kết hợp phức tạp của các yếu tố khí quyển.
Sử dụng JWST, nhóm nghiên cứu có thể theo dõi ánh sáng hồng ngoại từ SIMP 0136 trong hai vòng quay đầy đủ, quan sát các biến thể trong các lớp mây, nhiệt độ và thậm chí cả thành phần hóa học của hành tinh này. Nhiều chi tiết mà các nhà khoa học quan sát được trước đây đã bị ẩn khỏi tầm nhìn.
"Chúng tôi đã biết rằng độ sáng của nó thay đổi và chúng tôi tin chắc rằng có những lớp mây không đồng đều luân phiên xuất hiện và biến mất khỏi tầm nhìn và phát triển theo thời gian", Allison McCarthy, trưởng nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Boston, cho biết trong một tuyên bố. "Chúng tôi cũng nghĩ rằng có thể có sự thay đổi nhiệt độ, phản ứng hóa học và có thể là một số tác động của hoạt động cực quang ảnh hưởng đến độ sáng, nhưng chúng tôi không chắc chắn."
Kết quả là hàng trăm đường cong ánh sáng cực kỳ chi tiết cho thấy từng bước sóng ánh sáng hồng ngoại thay đổi độ sáng như thế nào khi SIMP 0136 quay.
"Thật không thể tin được khi chứng kiến toàn bộ quang phổ của vật thể này thay đổi trong vài phút", Johanna Vos, nhà nghiên cứu chính của nhóm và là nhà nghiên cứu tại Trinity College Dublin, cho biết trong tuyên bố. "Cho đến nay, chúng ta chỉ có một phần nhỏ quang phổ cận hồng ngoại từ Hubble và một vài phép đo độ sáng từ Spitzer."
Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng ánh sáng hồng ngoại từ SIMP 0136 có hình dạng đường cong ánh sáng riêng biệt, với một số bước sóng sáng hơn trong khi những bước sóng khác mờ đi; phần còn lại không thay đổi chút nào.
Họ lý luận rằng phải có nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến những biến thể này.
"Hãy tưởng tượng bạn đang quan sát Trái Đất từ xa. Nếu bạn nhìn từng màu riêng biệt, bạn sẽ thấy các mẫu khác nhau cho bạn biết điều gì đó về bề mặt và bầu khí quyển của nó, ngay cả khi bạn không thể phân biệt được các đặc điểm riêng lẻ", Philip Muirhead, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Boston, cho biết trong tuyên bố. "Màu xanh lam sẽ tăng lên khi các đại dương quay vào tầm nhìn. Sự thay đổi của màu nâu và xanh lá cây sẽ cho bạn biết điều gì đó về đất và thảm thực vật".
Để đánh giá nguyên nhân gây ra các biến thể ánh sáng của SIMP 0136, nhóm đã phát triển các mô hình khí quyển để xác định vùng nào của khí quyển chịu trách nhiệm cho bước sóng ánh sáng nào.
"Các bước sóng khác nhau cung cấp thông tin về các độ sâu khác nhau trong khí quyển", McCarthy cho biết. "Chúng tôi bắt đầu nhận ra rằng các bước sóng có hình dạng đường cong ánh sáng giống nhau nhất cũng thăm dò cùng độ sâu, điều này củng cố ý tưởng rằng chúng phải được gây ra bởi cùng một cơ chế."
Một dải bước sóng hồng ngoại có nguồn gốc từ sâu trong bầu khí quyển của SIMP 0136, nơi nhóm nghiên cứu nghi ngờ có những đám mây hạt sắt loang lổ ẩn núp. Một nhóm bước sóng khác được cho là đến từ cao hơn trong bầu khí quyển và các đám mây silicat loang lổ.
Bộ bước sóng cuối cùng được lý thuyết hóa là bắt nguồn từ phía trên các đám mây này liên quan đến nhiệt độ của SIMP 0136. Các khu vực sáng hơn có thể tương ứng với cực quang được phát hiện xung quanh SIMP 0136 trong sóng vô tuyến.
Ngoài ra, các mảng sáng này có thể là kết quả của khí nóng di chuyển lên trên qua bầu khí quyển của SIMP 0136.
Các câu chuyện liên quan:
— Ngoại hành tinh 'Kẹo dẻo nướng' nóng đến mức mưa kim loại. Nó hình thành như thế nào?
— Ngoại hành tinh 'Sao Mộc nóng' cực độ có mùi như trứng thối và có những cơn bão thủy tinh dữ dội
— Gió sắt và mưa kim loại nóng chảy tàn phá một ngoại hành tinh Sao Mộc nóng khủng khiếp
Có những đường cong ánh sáng mà JWST nhìn thấy từ SIMP 0136 mà không thể giải thích được bằng các đám mây hoặc nhiệt độ của vật thể.
Những đường cong này có thể bị ảnh hưởng bởi thành phần hóa học cacbon trong khí quyển của SIMP 0136, vì các túi khí cacbon dioxide và cacbon monoxide quay ra vào trong tầm nhìn của JWST. Một lời giải thích khác có thể là các phản ứng hóa học gây ra những thay đổi trong bầu khí quyển của SIMP 0136.
"Chúng tôi vẫn chưa thực sự hiểu được phần hóa học của câu đố này, nhưng những kết quả này thực sự thú vị vì chúng cho chúng ta thấy rằng sự phong phú của các phân tử như mêtan và carbon dioxide có thể thay đổi tùy theo nơi và theo thời gian", Vos cho biết. "Nếu chúng ta đang quan sát một ngoại hành tinh và chỉ có thể có được một phép đo, chúng ta cần cân nhắc rằng nó có thể không đại diện cho toàn bộ hành tinh đó."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Hai (ngày 3 tháng 3) trên Astrophysical Journal Letters.
Vật thể mồ côi vũ trụ, hay "vật thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do", được gọi là SIMP 0136 trôi dạt trong vũ trụ cách Trái đất khoảng 20 năm ánh sáng — và nó trôi dạt mà không có mỏ neo sao. SIMP 0136 có khối lượng gấp khoảng 13 lần khối lượng của Sao Mộc, nhưng có kích thước gần bằng hành tinh khí khổng lồ trong hệ mặt trời. Được phát hiện vào năm 2003, SIMP 0136 quay nhanh đến mức một ngày trên hành tinh bất ổn này chỉ kéo dài khoảng 2,4 giờ Trái đất.
Có khả năng SIMP 0136 không phải là một hành tinh mà là một vật thể được gọi là "sao lùn nâu", một thiên thể hình thành giống như một ngôi sao nhưng không thu thập đủ khối lượng để kích hoạt phản ứng tổng hợp hạt nhân của hydro thành heli trong lõi của nó. Sự nhầm lẫn phát sinh từ thực tế là những "ngôi sao hỏng" này có giới hạn khối lượng dưới khoảng 13 lần khối lượng của Sao Mộc — thực tế là xấp xỉ khối lượng của SIMP 0136.
Vì SIMP 0136 tương đối sáng đối với một vật thể có khối lượng hành tinh biệt lập và ánh sáng của nó không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng của một ngôi sao mẹ, nên nó đã trở thành mục tiêu phổ biến của các nhà thiên văn học.
Do đó, ngay cả trước khi JWST kiểm tra vật thể này, một loạt các thiết bị trên mặt đất cũng như kính viễn vọng không gian Hubble và Spitzer đã nghiên cứu nó. Tuy nhiên, những cuộc điều tra này khiến các nhà thiên văn học phải đối mặt với một số câu đố xung quanh SIMP 0136.
Các nhà thiên văn học trước đó đã phát hiện ra rằng SIMP 0136 dao động về độ sáng. Người ta lý giải rằng những thay đổi này không chỉ đơn thuần là kết quả của các đám mây trên hành tinh có kích thước bằng Sao Mộc này, mà còn liên quan đến sự kết hợp phức tạp của các yếu tố khí quyển.
Sử dụng JWST, nhóm nghiên cứu có thể theo dõi ánh sáng hồng ngoại từ SIMP 0136 trong hai vòng quay đầy đủ, quan sát các biến thể trong các lớp mây, nhiệt độ và thậm chí cả thành phần hóa học của hành tinh này. Nhiều chi tiết mà các nhà khoa học quan sát được trước đây đã bị ẩn khỏi tầm nhìn.
"Chúng tôi đã biết rằng độ sáng của nó thay đổi và chúng tôi tin chắc rằng có những lớp mây không đồng đều luân phiên xuất hiện và biến mất khỏi tầm nhìn và phát triển theo thời gian", Allison McCarthy, trưởng nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Boston, cho biết trong một tuyên bố. "Chúng tôi cũng nghĩ rằng có thể có sự thay đổi nhiệt độ, phản ứng hóa học và có thể là một số tác động của hoạt động cực quang ảnh hưởng đến độ sáng, nhưng chúng tôi không chắc chắn."
Hàng nghìn cầu vồng vô hình
Việc quan sát SIMP 0136 bằng JWST trong hai vòng quay cho phép nhóm sử dụng Máy quang phổ cận hồng ngoại (NIRSpec) của kính thiên văn cũng như Thiết bị hồng ngoại trung bình (MIRI) của kính thiên văn. Điều này có nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể thu thập dữ liệu trong nhiều bước sóng ánh sáng hồng ngoại.Kết quả là hàng trăm đường cong ánh sáng cực kỳ chi tiết cho thấy từng bước sóng ánh sáng hồng ngoại thay đổi độ sáng như thế nào khi SIMP 0136 quay.
"Thật không thể tin được khi chứng kiến toàn bộ quang phổ của vật thể này thay đổi trong vài phút", Johanna Vos, nhà nghiên cứu chính của nhóm và là nhà nghiên cứu tại Trinity College Dublin, cho biết trong tuyên bố. "Cho đến nay, chúng ta chỉ có một phần nhỏ quang phổ cận hồng ngoại từ Hubble và một vài phép đo độ sáng từ Spitzer."
Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng ánh sáng hồng ngoại từ SIMP 0136 có hình dạng đường cong ánh sáng riêng biệt, với một số bước sóng sáng hơn trong khi những bước sóng khác mờ đi; phần còn lại không thay đổi chút nào.
Họ lý luận rằng phải có nhiều yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến những biến thể này.
"Hãy tưởng tượng bạn đang quan sát Trái Đất từ xa. Nếu bạn nhìn từng màu riêng biệt, bạn sẽ thấy các mẫu khác nhau cho bạn biết điều gì đó về bề mặt và bầu khí quyển của nó, ngay cả khi bạn không thể phân biệt được các đặc điểm riêng lẻ", Philip Muirhead, thành viên nhóm nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đại học Boston, cho biết trong tuyên bố. "Màu xanh lam sẽ tăng lên khi các đại dương quay vào tầm nhìn. Sự thay đổi của màu nâu và xanh lá cây sẽ cho bạn biết điều gì đó về đất và thảm thực vật".
Để đánh giá nguyên nhân gây ra các biến thể ánh sáng của SIMP 0136, nhóm đã phát triển các mô hình khí quyển để xác định vùng nào của khí quyển chịu trách nhiệm cho bước sóng ánh sáng nào.
"Các bước sóng khác nhau cung cấp thông tin về các độ sâu khác nhau trong khí quyển", McCarthy cho biết. "Chúng tôi bắt đầu nhận ra rằng các bước sóng có hình dạng đường cong ánh sáng giống nhau nhất cũng thăm dò cùng độ sâu, điều này củng cố ý tưởng rằng chúng phải được gây ra bởi cùng một cơ chế."
Một dải bước sóng hồng ngoại có nguồn gốc từ sâu trong bầu khí quyển của SIMP 0136, nơi nhóm nghiên cứu nghi ngờ có những đám mây hạt sắt loang lổ ẩn núp. Một nhóm bước sóng khác được cho là đến từ cao hơn trong bầu khí quyển và các đám mây silicat loang lổ.
Bộ bước sóng cuối cùng được lý thuyết hóa là bắt nguồn từ phía trên các đám mây này liên quan đến nhiệt độ của SIMP 0136. Các khu vực sáng hơn có thể tương ứng với cực quang được phát hiện xung quanh SIMP 0136 trong sóng vô tuyến.
Ngoài ra, các mảng sáng này có thể là kết quả của khí nóng di chuyển lên trên qua bầu khí quyển của SIMP 0136.
Các câu chuyện liên quan:
— Ngoại hành tinh 'Kẹo dẻo nướng' nóng đến mức mưa kim loại. Nó hình thành như thế nào?
— Ngoại hành tinh 'Sao Mộc nóng' cực độ có mùi như trứng thối và có những cơn bão thủy tinh dữ dội
— Gió sắt và mưa kim loại nóng chảy tàn phá một ngoại hành tinh Sao Mộc nóng khủng khiếp
Có những đường cong ánh sáng mà JWST nhìn thấy từ SIMP 0136 mà không thể giải thích được bằng các đám mây hoặc nhiệt độ của vật thể.
Những đường cong này có thể bị ảnh hưởng bởi thành phần hóa học cacbon trong khí quyển của SIMP 0136, vì các túi khí cacbon dioxide và cacbon monoxide quay ra vào trong tầm nhìn của JWST. Một lời giải thích khác có thể là các phản ứng hóa học gây ra những thay đổi trong bầu khí quyển của SIMP 0136.
"Chúng tôi vẫn chưa thực sự hiểu được phần hóa học của câu đố này, nhưng những kết quả này thực sự thú vị vì chúng cho chúng ta thấy rằng sự phong phú của các phân tử như mêtan và carbon dioxide có thể thay đổi tùy theo nơi và theo thời gian", Vos cho biết. "Nếu chúng ta đang quan sát một ngoại hành tinh và chỉ có thể có được một phép đo, chúng ta cần cân nhắc rằng nó có thể không đại diện cho toàn bộ hành tinh đó."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Hai (ngày 3 tháng 3) trên Astrophysical Journal Letters.
