Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) đã phát hiện ra rằng bầu trời mù sương trên sao Diêm Vương đóng băng đang giúp làm mát bầu khí quyển của hành tinh lùn này, đồng thời cung cấp khí mê-tan và các phân tử hữu cơ khác từ bầu khí quyển của sao Diêm Vương, nơi một số sau đó được người bạn đồng hành gần của sao Diêm Vương là Charon thu thập.
Phát hiện về lớp sương mù đã được nhà khoa học hành tinh Xi Zhang thuộc Đại học California, Santa Cruz dự đoán vào năm 2017 để giải thích lý do tại sao bầu khí quyển mỏng của sao Diêm Vương lại bị rò rỉ nhiều như vậy. Dựa trên các phép đo từ tàu vũ trụ New Horizons của NASA, đã bay qua sao Diêm Vương và Charon vào năm 2015, nhà khoa học hành tinh Will Grundy tại Đài quan sát Lowell ở Arizona đã tính toán rằng bầu khí quyển của sao Diêm Vương đang mất 1,3 kg (2,9 pound) khí mê-tan vào không gian mỗi giây và khoảng 2,5% lượng khí mê-tan này đang bị Charon chặn lại, nhuộm đỏ các cực của nó bằng hóa học hữu cơ. Không nơi nào khác trong hệ mặt trời mà chúng ta thấy khí quyển rò rỉ vào một thiên thể lân cận.
Nguyên nhân của sự thoát khí quyển này vẫn chưa được biết, nhưng Zhang lý luận rằng nếu khí quyển của Sao Diêm Vương chứa một lớp sương mù, thì lớp sương mù này sẽ hấp thụ một lượng nhỏ ánh sáng cực tím từ mặt trời xa xôi chiếu tới Sao Diêm Vương, cung cấp năng lượng để thúc đẩy các phân tử thoát vào không gian.
Bên cạnh việc sương mù làm nóng các phân tử khí quyển để chúng có thể thoát ra, Zhang cũng nhận ra rằng sương mù có thể có tác dụng làm mát khí quyển của Sao Diêm Vương — một tác động trước đây đã được phát hiện trong Tầng trung lưu của Sao Diêm Vương, là lớp thứ ba của khí quyển nằm trên tầng đối lưu hầu như không tồn tại và tầng bình lưu dày đặc hơn.
Tầng trung lưu của Sao Diêm Vương nằm ở độ cao từ 20 km đến 40 km (12,4 đến 24,9 dặm) và đạt nhiệt độ tối đa là âm 163 độ C (110 Kelvin/âm 262 độ F) trước khi nguội đi với tốc độ 0,2 độ C trên mỗi km, xuống mức tối thiểu là âm 203 độ C (70 Kelvin/âm 334 độ F).
Vấn đề là cho đến nay, người ta vẫn chưa phát hiện thấy sương mù trên Sao Diêm Vương. Sau đó, JWST xuất hiện.
Zhang đã dự đoán rằng bất kỳ sự làm mát nào của khí quyển do lớp sương mù gây ra cũng sẽ dẫn đến phát xạ nhiệt ở bước sóng hồng ngoại trung bình. Phát xạ hồng ngoại giữa đã được phát hiện đến từ hệ thống Pluto-Charon trước đây, quay ngược về Đài quan sát không gian hồng ngoại của châu Âu năm 1997, Kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA năm 2004 và Đài quan sát không gian Herschel của châu Âu năm 2012. Tuy nhiên, trong mỗi lần, kính viễn vọng đều thiếu độ phân giải để phân biệt giữa Pluto và Charon và xác định phát xạ đến từ đâu. Nhưng JWST, với gương chính 6,5 mét (21,4 feet) và Thiết bị hồng ngoại giữa (MIRI), có thể phân biệt giữa Pluto và Charon. Vì vậy, Zhang, với tư cách là một phần của nhóm do Tanguy Bertrand của Đài quan sát Paris dẫn đầu, đã có thể sử dụng JWST để phát hiện phát xạ hồng ngoại giữa nhiệt từ lớp sương mù khó nắm bắt từ lâu.
"Chúng tôi sử dụng thuật ngữ 'sương mù' để mô tả các lớp khí dung rắn lơ lửng trên cao trong bầu khí quyển", Bertrand nói với Space.com. "Những khí dung này phân tán ánh sáng và làm giảm tầm nhìn, tạo thành một lớp khuếch tán và bán trong suốt."
Bầu khí quyển của Sao Diêm Vương chủ yếu là nitơ, với một ít carbon dioxide và hydrocarbon như methane, benzen, diacetylene và hydrogen cyanide. Bầu khí quyển này cực kỳ mỏng; áp suất bề mặt chỉ là 13 microbar, so với áp suất bề mặt của Trái Đất là khoảng 1 bar. (Một bar tương đương với một triệu microbar.) Và do lực hấp dẫn thấp của Sao Diêm Vương, bầu khí quyển trên kéo dài khá xa so với bề mặt, bằng vài bán kính Sao Diêm Vương (bán kính của Sao Diêm Vương là 1.188,3 km hoặc 737 dặm). Tất cả những gì các phân tử cần là một cú hích nhẹ để đẩy chúng ra khỏi bầu khí quyển, và năng lượng để cung cấp cho chúng cú hích đó đến từ mặt trời.
"Một phần đáng kể bức xạ cực tím cực mạnh của mặt trời chiếu tới được bầu khí quyển trên hấp thụ, dẫn đến sự gia nhiệt làm mất khối lượng khí quyển", Bertrand cho biết. "Các khí trong khí quyển như nitơ và mêtan có tác dụng hấp thụ bức xạ ở các bước sóng này."
Nhưng làm sao sương mù có thể vừa làm nóng vừa làm lạnh khí quyển?
"Làm mát hay làm nóng phụ thuộc vào các đặc tính của sương mù, chẳng hạn như kích thước, hình dạng và thành phần của hạt — tức là băng giá với băng hydrocarbon, hoặc không băng giá — mà chúng ta chưa biết rõ", Bertrand cho biết. "Chúng tôi hiện đang nghiên cứu điều này bằng các mô hình vi mô hiện đại [tức là ở quy mô nguyên tử và phân tử]".
Khả năng làm mát hoặc làm nóng khí quyển của sương mù có nghĩa là do đó nó kiểm soát sự cân bằng năng lượng trong khí quyển của Sao Diêm Vương, ảnh hưởng đến nhiệt độ toàn cầu, sự lưu thông khí quyển và những gì được coi là khí hậu trên hành tinh lùn lạnh giá này. Hệ thống khí hậu này bị chi phối bởi các chu kỳ thăng hoa và đóng băng của nitơ phân tử, mêtan và cacbon monoxit, phần lớn trong số đó đến từ sông băng sâu trong Sputnik Planitia, đây là đặc điểm hình trái tim trên bề mặt hành tinh lùn này.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Sao Diêm Vương đã chiếm giữ vệ tinh lớn nhất Charon của mình bằng một 'nụ hôn' băng giá kéo dài 10 giờ như thế nào
— Tại sao Sao Diêm Vương không phải là một hành tinh?
— Kính viễn vọng không gian James Webb giải mã nguồn gốc của vệ tinh băng giá Charon của Sao Diêm Vương
Zhang đã mô tả chi tiết về sự cân bằng năng lượng này cho Space.com. Ông cho biết: "Dựa trên các quan sát nhiệt độ của New Horizon từ năm 2015, chúng tôi thấy rằng quá trình làm nóng khí vượt xa quá trình làm mát khí". "Vì vậy, có một sự làm nóng bức xạ ròng của khí quyển. Để duy trì sự cân bằng năng lượng trong những điều kiện này, sương mù phải cung cấp sự làm mát bức xạ ròng cần thiết. Nhưng vẫn chưa rõ liệu sương mù có tác dụng làm mát ròng trong các mùa khác hay không, vì các mùa của Sao Diêm Vương thay đổi rất nhiều!"
Những "mùa" đó rất khác nhau vì quỹ đạo kéo dài của Sao Diêm Vương, khiến nó từ gần Mặt Trời hơn Sao Hải Vương đến xa gấp đôi. Ngay cả ở ngoài đây, trong sâu thẳm của hệ mặt trời, sự khác biệt về khoảng cách này ảnh hưởng đáng kể đến lượng nhiệt mà Sao Diêm Vương nhận được.
Mây mù của Sao Diêm Vương tương tự như sương mù giàu hydrocarbon được tìm thấy trên vệ tinh Titan của Sao Thổ. Cả hai loại sương mù đều là kết quả của quá trình quang hóa của ánh sáng cực tím cực mạnh của Mặt Trời phản ứng với các phân tử như nitơ và mêtan. Ngay cả Trái Đất sơ khai, trước khi bầu khí quyển giàu oxy xuất hiện cách đây hơn 2,4 tỷ năm, có thể đã chứa một lớp sương mù hydrocarbon trong bầu khí quyển của nó tương tự như Sao Diêm Vương, mặc dù dày đặc hơn nhiều. Do đó, việc hiểu về bầu khí quyển của sao Diêm Vương có thể giúp chúng ta biết được đôi điều về sự khởi đầu của chính hành tinh của chúng ta.
nghiên cứu mới đã được công bố trên tạp chí Nature Astronomy vào ngày 2 tháng 6
Phát hiện về lớp sương mù đã được nhà khoa học hành tinh Xi Zhang thuộc Đại học California, Santa Cruz dự đoán vào năm 2017 để giải thích lý do tại sao bầu khí quyển mỏng của sao Diêm Vương lại bị rò rỉ nhiều như vậy. Dựa trên các phép đo từ tàu vũ trụ New Horizons của NASA, đã bay qua sao Diêm Vương và Charon vào năm 2015, nhà khoa học hành tinh Will Grundy tại Đài quan sát Lowell ở Arizona đã tính toán rằng bầu khí quyển của sao Diêm Vương đang mất 1,3 kg (2,9 pound) khí mê-tan vào không gian mỗi giây và khoảng 2,5% lượng khí mê-tan này đang bị Charon chặn lại, nhuộm đỏ các cực của nó bằng hóa học hữu cơ. Không nơi nào khác trong hệ mặt trời mà chúng ta thấy khí quyển rò rỉ vào một thiên thể lân cận.
Nguyên nhân của sự thoát khí quyển này vẫn chưa được biết, nhưng Zhang lý luận rằng nếu khí quyển của Sao Diêm Vương chứa một lớp sương mù, thì lớp sương mù này sẽ hấp thụ một lượng nhỏ ánh sáng cực tím từ mặt trời xa xôi chiếu tới Sao Diêm Vương, cung cấp năng lượng để thúc đẩy các phân tử thoát vào không gian.
Bên cạnh việc sương mù làm nóng các phân tử khí quyển để chúng có thể thoát ra, Zhang cũng nhận ra rằng sương mù có thể có tác dụng làm mát khí quyển của Sao Diêm Vương — một tác động trước đây đã được phát hiện trong Tầng trung lưu của Sao Diêm Vương, là lớp thứ ba của khí quyển nằm trên tầng đối lưu hầu như không tồn tại và tầng bình lưu dày đặc hơn.
Tầng trung lưu của Sao Diêm Vương nằm ở độ cao từ 20 km đến 40 km (12,4 đến 24,9 dặm) và đạt nhiệt độ tối đa là âm 163 độ C (110 Kelvin/âm 262 độ F) trước khi nguội đi với tốc độ 0,2 độ C trên mỗi km, xuống mức tối thiểu là âm 203 độ C (70 Kelvin/âm 334 độ F).
Vấn đề là cho đến nay, người ta vẫn chưa phát hiện thấy sương mù trên Sao Diêm Vương. Sau đó, JWST xuất hiện.
Zhang đã dự đoán rằng bất kỳ sự làm mát nào của khí quyển do lớp sương mù gây ra cũng sẽ dẫn đến phát xạ nhiệt ở bước sóng hồng ngoại trung bình. Phát xạ hồng ngoại giữa đã được phát hiện đến từ hệ thống Pluto-Charon trước đây, quay ngược về Đài quan sát không gian hồng ngoại của châu Âu năm 1997, Kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA năm 2004 và Đài quan sát không gian Herschel của châu Âu năm 2012. Tuy nhiên, trong mỗi lần, kính viễn vọng đều thiếu độ phân giải để phân biệt giữa Pluto và Charon và xác định phát xạ đến từ đâu. Nhưng JWST, với gương chính 6,5 mét (21,4 feet) và Thiết bị hồng ngoại giữa (MIRI), có thể phân biệt giữa Pluto và Charon. Vì vậy, Zhang, với tư cách là một phần của nhóm do Tanguy Bertrand của Đài quan sát Paris dẫn đầu, đã có thể sử dụng JWST để phát hiện phát xạ hồng ngoại giữa nhiệt từ lớp sương mù khó nắm bắt từ lâu.
"Chúng tôi sử dụng thuật ngữ 'sương mù' để mô tả các lớp khí dung rắn lơ lửng trên cao trong bầu khí quyển", Bertrand nói với Space.com. "Những khí dung này phân tán ánh sáng và làm giảm tầm nhìn, tạo thành một lớp khuếch tán và bán trong suốt."
Bầu khí quyển của Sao Diêm Vương chủ yếu là nitơ, với một ít carbon dioxide và hydrocarbon như methane, benzen, diacetylene và hydrogen cyanide. Bầu khí quyển này cực kỳ mỏng; áp suất bề mặt chỉ là 13 microbar, so với áp suất bề mặt của Trái Đất là khoảng 1 bar. (Một bar tương đương với một triệu microbar.) Và do lực hấp dẫn thấp của Sao Diêm Vương, bầu khí quyển trên kéo dài khá xa so với bề mặt, bằng vài bán kính Sao Diêm Vương (bán kính của Sao Diêm Vương là 1.188,3 km hoặc 737 dặm). Tất cả những gì các phân tử cần là một cú hích nhẹ để đẩy chúng ra khỏi bầu khí quyển, và năng lượng để cung cấp cho chúng cú hích đó đến từ mặt trời.
"Một phần đáng kể bức xạ cực tím cực mạnh của mặt trời chiếu tới được bầu khí quyển trên hấp thụ, dẫn đến sự gia nhiệt làm mất khối lượng khí quyển", Bertrand cho biết. "Các khí trong khí quyển như nitơ và mêtan có tác dụng hấp thụ bức xạ ở các bước sóng này."
Nhưng làm sao sương mù có thể vừa làm nóng vừa làm lạnh khí quyển?
"Làm mát hay làm nóng phụ thuộc vào các đặc tính của sương mù, chẳng hạn như kích thước, hình dạng và thành phần của hạt — tức là băng giá với băng hydrocarbon, hoặc không băng giá — mà chúng ta chưa biết rõ", Bertrand cho biết. "Chúng tôi hiện đang nghiên cứu điều này bằng các mô hình vi mô hiện đại [tức là ở quy mô nguyên tử và phân tử]".
Khả năng làm mát hoặc làm nóng khí quyển của sương mù có nghĩa là do đó nó kiểm soát sự cân bằng năng lượng trong khí quyển của Sao Diêm Vương, ảnh hưởng đến nhiệt độ toàn cầu, sự lưu thông khí quyển và những gì được coi là khí hậu trên hành tinh lùn lạnh giá này. Hệ thống khí hậu này bị chi phối bởi các chu kỳ thăng hoa và đóng băng của nitơ phân tử, mêtan và cacbon monoxit, phần lớn trong số đó đến từ sông băng sâu trong Sputnik Planitia, đây là đặc điểm hình trái tim trên bề mặt hành tinh lùn này.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Sao Diêm Vương đã chiếm giữ vệ tinh lớn nhất Charon của mình bằng một 'nụ hôn' băng giá kéo dài 10 giờ như thế nào
— Tại sao Sao Diêm Vương không phải là một hành tinh?
— Kính viễn vọng không gian James Webb giải mã nguồn gốc của vệ tinh băng giá Charon của Sao Diêm Vương
Zhang đã mô tả chi tiết về sự cân bằng năng lượng này cho Space.com. Ông cho biết: "Dựa trên các quan sát nhiệt độ của New Horizon từ năm 2015, chúng tôi thấy rằng quá trình làm nóng khí vượt xa quá trình làm mát khí". "Vì vậy, có một sự làm nóng bức xạ ròng của khí quyển. Để duy trì sự cân bằng năng lượng trong những điều kiện này, sương mù phải cung cấp sự làm mát bức xạ ròng cần thiết. Nhưng vẫn chưa rõ liệu sương mù có tác dụng làm mát ròng trong các mùa khác hay không, vì các mùa của Sao Diêm Vương thay đổi rất nhiều!"
Những "mùa" đó rất khác nhau vì quỹ đạo kéo dài của Sao Diêm Vương, khiến nó từ gần Mặt Trời hơn Sao Hải Vương đến xa gấp đôi. Ngay cả ở ngoài đây, trong sâu thẳm của hệ mặt trời, sự khác biệt về khoảng cách này ảnh hưởng đáng kể đến lượng nhiệt mà Sao Diêm Vương nhận được.
Mây mù của Sao Diêm Vương tương tự như sương mù giàu hydrocarbon được tìm thấy trên vệ tinh Titan của Sao Thổ. Cả hai loại sương mù đều là kết quả của quá trình quang hóa của ánh sáng cực tím cực mạnh của Mặt Trời phản ứng với các phân tử như nitơ và mêtan. Ngay cả Trái Đất sơ khai, trước khi bầu khí quyển giàu oxy xuất hiện cách đây hơn 2,4 tỷ năm, có thể đã chứa một lớp sương mù hydrocarbon trong bầu khí quyển của nó tương tự như Sao Diêm Vương, mặc dù dày đặc hơn nhiều. Do đó, việc hiểu về bầu khí quyển của sao Diêm Vương có thể giúp chúng ta biết được đôi điều về sự khởi đầu của chính hành tinh của chúng ta.
nghiên cứu mới đã được công bố trên tạp chí Nature Astronomy vào ngày 2 tháng 6
