Kính viễn vọng không gian James Webb đáng gờm của NASA lại một lần nữa gây ấn tượng: lần đầu tiên, kính này đã chụp được cực quang của sao Hải Vương.
Các nhà thiên văn học từ lâu đã nghi ngờ rằng hành tinh khí này ở rìa hệ mặt trời của chúng ta thỉnh thoảng có cực quang đi qua, đây là hiện tượng phát sáng hùng vĩ xảy ra khi các hạt tích điện bị mắc kẹt trong từ trường của một hành tinh. Một số tàu vũ trụ, bắt đầu với tàu thăm dò Voyager 2 đáng kính, thực sự đã quan sát được một vài bằng chứng chỉ ra theo hướng này.
Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có kính viễn vọng không gian nào có thể chụp ảnh chúng trực tiếp. Điều này hiện đã đạt được nhờ vào thiên tài thiên văn học mới được các nhà thiên văn học yêu thích, những người gần đây đã chuyển các cảm biến siêu nhạy của họ sang hành tinh băng khổng lồ này.
Trên tất cả các hành tinh này, những luồng sáng đa dạng này thường chỉ giới hạn ở các cực, ngoại trừ một số trường hợp hiếm hoi xảy ra sau các đợt bùng phát năng lượng mặt trời đặc biệt dữ dội. Sự phân bố này là do hình dạng của từ trường của chúng, tương đối thẳng hàng với trục quay của chúng. Nhưng trường hợp của sao Hải Vương thì không như vậy. Từ trường của nó thực sự có độ nghiêng mạnh, có tác dụng chuyển hướng nhiều hạt tích điện về phía các vùng xích đạo hơn.
Một điểm thú vị khác là không giống như cực quang trên Trái Đất, cực quang trên Sao Hải Vương không thể nhìn thấy được ở dải ánh sáng khả kiến. Để hình dung chúng, các tác giả của tác phẩm này đã dựa vào một trong những công cụ mạnh nhất của Webb, NIRSpec.
Đây là máy quang phổ, một công cụ phân tích ánh sáng phát ra và hấp thụ bởi các vật thể để xác định thành phần hóa học của chúng. Khi được đào tạo trên Sao Hải Vương, nó nhanh chóng tiết lộ rằng tầng điện ly của nó (lớp tích điện của tầng khí quyển phía trên nơi xảy ra cực quang) chứa một lượng lớn cation trihydrogen (hay H₃⁺). Một khám phá vô cùng quan trọng, vì chúng ta biết rằng chúng đóng vai trò chính trong hiện tượng cực quang của các hành tinh khí khổng lồ. Tuy nhiên, cho đến nay, không có kính viễn vọng không gian nào tìm thấy dấu vết của nó trên Sao Hải Vương.
"Trên tất cả các hành tinh khí khổng lồ—Sao Mộc, Sao Thổ và Sao Thiên Vương—H₃⁺ là một chỉ báo rõ ràng về hoạt động cực quang. "Chúng tôi mong đợi quan sát thấy điều tương tự trên Sao Hải Vương, vì chúng tôi đã nghiên cứu hành tinh này trong nhiều năm với các cơ sở mặt đất tốt nhất hiện có", nhà thiên văn học Heidi cho biết. "Chỉ với một cỗ máy như Webb, chúng tôi mới có được sự xác nhận này".
"Tôi đã rất ngạc nhiên", nhà thiên văn học Henrik Melin giải thích trong một thông cáo báo chí kèm theo các bức ảnh. "Lớp khí quyển phía trên của Sao Hải Vương đã lạnh đi vài trăm độ. Trên thực tế, nhiệt độ vào năm 2023 chỉ bằng hơn một nửa so với năm 1989!", ông nói.
Sự thay đổi này có thể giải thích tại sao cực quang của Sao Hải Vương lại khó nắm bắt cho đến tận bây giờ. Nhưng trên hết, chúng đặt ra một câu hỏi hoàn toàn mới và đặc biệt hóc búa: làm thế nào mà bầu khí quyển của hành tinh này có thể nguội đi nhiều đến vậy trong khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi trên quy mô thiên văn?
Hoàn toàn có thể câu trả lời nằm ở một hiện tượng mới mà cho đến ngày nay vẫn chưa được biết đến. Đây là một triển vọng rất thú vị đối với các nhà thiên văn học vì nó có khả năng mở ra cơ hội tuyệt vời để hiểu rõ hơn về động lực học độc đáo của hành tinh thứ tám trong hệ mặt trời. Do đó, họ cam kết thực hiện một cuộc điều tra đúng đắn về nguồn gốc của cơ chế này - và để làm được điều này, họ sẽ một lần nữa có thể dựa vào hiệu suất mang tính cách mạng của Webb.
"[Webb] cuối cùng đã mở ra cánh cửa đến tầng điện ly của Sao Hải Vương, tầng duy nhất còn ẩn giấu khỏi chúng ta trong số các hành tinh khổng lồ," Leigh Fletcher, đồng tác giả của bài báo kết luận. "Khi chúng ta hướng tới tương lai và mơ về các sứ mệnh tương lai tới Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, giờ đây chúng ta biết được tầm quan trọng của việc có các thiết bị hồng ngoại chuyên dụng để tiếp tục nghiên cứu chúng."
Các nhà thiên văn học từ lâu đã nghi ngờ rằng hành tinh khí này ở rìa hệ mặt trời của chúng ta thỉnh thoảng có cực quang đi qua, đây là hiện tượng phát sáng hùng vĩ xảy ra khi các hạt tích điện bị mắc kẹt trong từ trường của một hành tinh. Một số tàu vũ trụ, bắt đầu với tàu thăm dò Voyager 2 đáng kính, thực sự đã quan sát được một vài bằng chứng chỉ ra theo hướng này.
Tuy nhiên, cho đến nay, chưa có kính viễn vọng không gian nào có thể chụp ảnh chúng trực tiếp. Điều này hiện đã đạt được nhờ vào thiên tài thiên văn học mới được các nhà thiên văn học yêu thích, những người gần đây đã chuyển các cảm biến siêu nhạy của họ sang hành tinh băng khổng lồ này.
Cực quang độc đáo trong thể loại của chúng
Nhờ những hình ảnh mới này, nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi thấy cực quang của Sao Hải Vương khá khác so với cực quang thường xuất hiện trên Trái Đất, mà còn xuất hiện trên Sao Mộc hoặc Sao Thổ.Trên tất cả các hành tinh này, những luồng sáng đa dạng này thường chỉ giới hạn ở các cực, ngoại trừ một số trường hợp hiếm hoi xảy ra sau các đợt bùng phát năng lượng mặt trời đặc biệt dữ dội. Sự phân bố này là do hình dạng của từ trường của chúng, tương đối thẳng hàng với trục quay của chúng. Nhưng trường hợp của sao Hải Vương thì không như vậy. Từ trường của nó thực sự có độ nghiêng mạnh, có tác dụng chuyển hướng nhiều hạt tích điện về phía các vùng xích đạo hơn.
Một điểm thú vị khác là không giống như cực quang trên Trái Đất, cực quang trên Sao Hải Vương không thể nhìn thấy được ở dải ánh sáng khả kiến. Để hình dung chúng, các tác giả của tác phẩm này đã dựa vào một trong những công cụ mạnh nhất của Webb, NIRSpec.
Đây là máy quang phổ, một công cụ phân tích ánh sáng phát ra và hấp thụ bởi các vật thể để xác định thành phần hóa học của chúng. Khi được đào tạo trên Sao Hải Vương, nó nhanh chóng tiết lộ rằng tầng điện ly của nó (lớp tích điện của tầng khí quyển phía trên nơi xảy ra cực quang) chứa một lượng lớn cation trihydrogen (hay H₃⁺). Một khám phá vô cùng quan trọng, vì chúng ta biết rằng chúng đóng vai trò chính trong hiện tượng cực quang của các hành tinh khí khổng lồ. Tuy nhiên, cho đến nay, không có kính viễn vọng không gian nào tìm thấy dấu vết của nó trên Sao Hải Vương.
"Trên tất cả các hành tinh khí khổng lồ—Sao Mộc, Sao Thổ và Sao Thiên Vương—H₃⁺ là một chỉ báo rõ ràng về hoạt động cực quang. "Chúng tôi mong đợi quan sát thấy điều tương tự trên Sao Hải Vương, vì chúng tôi đã nghiên cứu hành tinh này trong nhiều năm với các cơ sở mặt đất tốt nhất hiện có", nhà thiên văn học Heidi cho biết. "Chỉ với một cỗ máy như Webb, chúng tôi mới có được sự xác nhận này".
Nhiệt độ giảm mạnh
Nhóm nghiên cứu cũng đã sử dụng máy quang phổ để đo nhiệt độ trên Sao Hải Vương. Đây là dữ liệu có giá trị và hiếm; Lần cuối cùng một tàu vũ trụ thực hiện được điều này là vào năm… năm 1989, khi Voyager 2 đi qua. Và dữ liệu này chứa đựng một điều bất ngờ lớn: Bầu khí quyển của Sao Hải Vương dường như đã lạnh đi đáng kể kể từ đó!"Tôi đã rất ngạc nhiên", nhà thiên văn học Henrik Melin giải thích trong một thông cáo báo chí kèm theo các bức ảnh. "Lớp khí quyển phía trên của Sao Hải Vương đã lạnh đi vài trăm độ. Trên thực tế, nhiệt độ vào năm 2023 chỉ bằng hơn một nửa so với năm 1989!", ông nói.
Sự thay đổi này có thể giải thích tại sao cực quang của Sao Hải Vương lại khó nắm bắt cho đến tận bây giờ. Nhưng trên hết, chúng đặt ra một câu hỏi hoàn toàn mới và đặc biệt hóc búa: làm thế nào mà bầu khí quyển của hành tinh này có thể nguội đi nhiều đến vậy trong khoảng thời gian cực kỳ ngắn ngủi trên quy mô thiên văn?
Hoàn toàn có thể câu trả lời nằm ở một hiện tượng mới mà cho đến ngày nay vẫn chưa được biết đến. Đây là một triển vọng rất thú vị đối với các nhà thiên văn học vì nó có khả năng mở ra cơ hội tuyệt vời để hiểu rõ hơn về động lực học độc đáo của hành tinh thứ tám trong hệ mặt trời. Do đó, họ cam kết thực hiện một cuộc điều tra đúng đắn về nguồn gốc của cơ chế này - và để làm được điều này, họ sẽ một lần nữa có thể dựa vào hiệu suất mang tính cách mạng của Webb.
"[Webb] cuối cùng đã mở ra cánh cửa đến tầng điện ly của Sao Hải Vương, tầng duy nhất còn ẩn giấu khỏi chúng ta trong số các hành tinh khổng lồ," Leigh Fletcher, đồng tác giả của bài báo kết luận. "Khi chúng ta hướng tới tương lai và mơ về các sứ mệnh tương lai tới Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, giờ đây chúng ta biết được tầm quan trọng của việc có các thiết bị hồng ngoại chuyên dụng để tiếp tục nghiên cứu chúng."
