Các nhà thiên văn học có thể đã vô tình làm phức tạp thêm bí ẩn về cách hình thành các hành tinh "kẹo dẻo nướng" kỳ lạ. Sử dụng kính viễn vọng Gemini South, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hành tinh Sao Mộc cực nóng WASP-121b "nóng và phồng" có thể đã hình thành gần ngôi sao của nó hơn so với suy nghĩ trước đây, thách thức những gì chúng ta biết về cách các hành tinh hình thành.
Kể từ khi phát hiện ra hành tinh đầu tiên bên ngoài hệ mặt trời vào giữa những năm 1990, danh mục các hành tinh ngoài hệ mặt trời, hay "hành tinh ngoài hệ mặt trời", đã tăng lên hơn 5.000 mục. Nhiều hành tinh ngoài hệ mặt trời này không giống bất kỳ hành tinh nào trong hệ mặt trời của chúng ta. Các hành tinh Sao Mộc nóng và cực nóng là những ví dụ điển hình về điều này, là các hành tinh khí khổng lồ có khối lượng và kích thước gấp nhiều lần Sao Mộc, rất gần các ngôi sao của chúng đến mức chúng có thể hoàn thành một quỹ đạo chỉ trong vài giờ.
Có tới một phần ba các hành tinh ngoài hệ mặt trời được phát hiện cho đến nay là Sao Mộc nóng. Những thế giới nóng bỏng này chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, khiến chúng có biệt danh rất phù hợp là "kẹo dẻo nướng". Người ta cho rằng những hành tinh này hình thành xa các ngôi sao của chúng hơn theo quỹ đạo tương tự như Sao Mộc và Sao Thổ trong hệ mặt trời của chúng ta, trước khi di chuyển vào bên trong. Tuy nhiên, nghiên cứu mới về WASP-121b đã đặt ra nghi vấn về những ý tưởng về nguồn gốc đó.
Nhóm nghiên cứu mới đã đi đến kết luận này khi họ bắt đầu nghiên cứu về hóa học của các đĩa tiền hành tinh, những đám mây khí và bụi dẹt xung quanh các ngôi sao trẻ mà từ đó các hành tinh xuất hiện, bằng cách sử dụng thiết bị Quang phổ hồng ngoại GRating nhúng (IGRINS) trên kính viễn vọng Gemini South ở Chile.
Với IGRINS, nhóm nghiên cứu đã có thể đo tỷ lệ đá trên băng của một hành tinh quá cảnh bằng một thiết bị duy nhất lần đầu tiên. Phép đo của họ đã loại bỏ được những lỗi có thể phát sinh ở các thiết bị khác, chứng minh đây là một phương pháp mới mạnh mẽ để thực hiện phân tích hóa học các ngoại hành tinh.
"Dữ liệu mặt đất từ Gemini South sử dụng IGRINS thực sự đã thực hiện các phép đo chính xác hơn về độ phong phú hóa học riêng lẻ so với những gì kính viễn vọng trên không gian có thể đạt được", Peter Smith của Chương trình Roasting Marshmallows cho biết trong một tuyên bố.
"Độ nhạy của thiết bị của chúng tôi đang tiến triển đến mức chúng tôi có thể sử dụng các yếu tố này để thăm dò các vùng, độ cao và kinh độ khác nhau để xem các chi tiết tinh tế như tốc độ gió, cho thấy hành tinh này năng động như thế nào."
Mặt ban ngày của WASP-121b nóng đến mức khoảng 4.500 độ F (2.500 độ C) khiến kim loại trên hành tinh này có thể bốc hơi và trôi lên bầu khí quyển. Những kim loại này sau đó bị gió mạnh thổi đến mặt ban đêm của hành tinh, nơi chúng nguội đi và rơi xuống dưới dạng mưa kim loại lỏng, hồng ngọc và sapphire.
Các mô hình hình thành hành tinh tiêu chuẩn cho thấy WASP-121b phải hình thành xa hơn trong đĩa tiền hành tinh từng bao quanh ngôi sao của nó so với vị trí mà nó chiếm giữ ngày nay trước khi di chuyển vào bên trong. Nhưng hóa học của hành tinh này dường như không ủng hộ ý tưởng này.
Một gradient phải tồn tại trong đĩa tiền hành tinh của hệ thống này (và tất cả các hệ thống khác) chứng kiến các vật liệu đá và băng chuyển từ dạng hơi sang dạng rắn khi khoảng cách từ ngôi sao tăng lên.
Các nhà thiên văn học có thể săn lùng các dấu hiệu của các nguyên tố trong các hành tinh và bầu khí quyển của chúng và xác định tỷ lệ vật chất đá so với vật chất khí băng có mặt khi hành tinh đã được sinh ra. Điều đó sẽcho họ biết hành tinh được hình thành cách ngôi sao bao xa.
Để xác định tỷ lệ này, các nhà thiên văn học thường phải thực hiện các quan sát lặp đi lặp lại bằng các thiết bị khác nhau: một thiết bị ánh sáng khả kiến để phát hiện vật liệu đá rắn và một thiết bị hồng ngoại để phát hiện vật chất khí.
Thực tế là WASP-121b rất nóng có nghĩa là cả hai loại nguyên tố này đều bốc hơi trong khí quyển của nó và có thể được phát hiện bằng IGRINS khi hành tinh này đi qua hoặc "đi qua" bề mặt của ngôi sao của nó.
"Khí hậu của hành tinh này rất khắc nghiệt và không giống với Trái đất", Smith cho biết. "Mặt ban ngày của hành tinh này rất nóng đến nỗi các nguyên tố thường được coi là 'kim loại' bị bốc hơi vào khí quyển, khiến chúng có thể được phát hiện thông qua quang phổ học".
Do đó, với IGRINS, nhóm nghiên cứu này đã có thể phát hiện ra tỷ lệ đá trên băng của WASP-121b, đặc biệt cao. Điều này cho thấy rằng trong giai đoạn đầu của hành tinh, nó có thể tích tụ một lượng lớn vật chất đá khi nó đang hình thành. Điều đó chỉ ra rằng nó được sinh ra trong một khu vực của đĩa tiền hành tinh quá nóng để băng có thể ngưng tụ. Đây là một điều bất ngờ đối với các nhà khoa học vì mô hình hiện tại cho thấy các hành tinh khí khổng lồ cần băng rắn để hình thành.
"Phép đo của chúng tôi có nghĩa là có lẽ quan điểm điển hình này cần được xem xét lại và các mô hình hình thành hành tinh của chúng ta cần được xem xét lại", Smith nói thêm.
Các câu chuyện liên quan:
— 3 năm dữ liệu của Kính viễn vọng không gian James Webb về các thế giới ngoài hành tinh hiện đã có trực tuyến
— Ngoại hành tinh 'Sao Mộc nóng' cực độ bốc 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
Smith và các đồng nghiệp hiện có ý định mở rộng cuộc điều tra của họ về các Sao Mộc cực nóng trong các hệ hành tinh khác bằng cách sử dụng các thiết bị IGRINS-2 đã nâng cấp hiện đang được hiệu chuẩn và sẵn sàng sử dụng.
Điều này sẽ cho phép các nhà khoa học xây dựng một mẫu lớn hơn về bầu khí quyển của các ngoại hành tinh nóng của Sao Mộc và khám phá những bí mật của những thế giới cực đoan này không giống bất kỳ thứ gì từng thấy trong hệ mặt trời.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 2 tháng 12 trên Tạp chí Thiên văn học.
Kể từ khi phát hiện ra hành tinh đầu tiên bên ngoài hệ mặt trời vào giữa những năm 1990, danh mục các hành tinh ngoài hệ mặt trời, hay "hành tinh ngoài hệ mặt trời", đã tăng lên hơn 5.000 mục. Nhiều hành tinh ngoài hệ mặt trời này không giống bất kỳ hành tinh nào trong hệ mặt trời của chúng ta. Các hành tinh Sao Mộc nóng và cực nóng là những ví dụ điển hình về điều này, là các hành tinh khí khổng lồ có khối lượng và kích thước gấp nhiều lần Sao Mộc, rất gần các ngôi sao của chúng đến mức chúng có thể hoàn thành một quỹ đạo chỉ trong vài giờ.
Có tới một phần ba các hành tinh ngoài hệ mặt trời được phát hiện cho đến nay là Sao Mộc nóng. Những thế giới nóng bỏng này chịu được nhiệt độ khắc nghiệt, khiến chúng có biệt danh rất phù hợp là "kẹo dẻo nướng". Người ta cho rằng những hành tinh này hình thành xa các ngôi sao của chúng hơn theo quỹ đạo tương tự như Sao Mộc và Sao Thổ trong hệ mặt trời của chúng ta, trước khi di chuyển vào bên trong. Tuy nhiên, nghiên cứu mới về WASP-121b đã đặt ra nghi vấn về những ý tưởng về nguồn gốc đó.
Nhóm nghiên cứu mới đã đi đến kết luận này khi họ bắt đầu nghiên cứu về hóa học của các đĩa tiền hành tinh, những đám mây khí và bụi dẹt xung quanh các ngôi sao trẻ mà từ đó các hành tinh xuất hiện, bằng cách sử dụng thiết bị Quang phổ hồng ngoại GRating nhúng (IGRINS) trên kính viễn vọng Gemini South ở Chile.
Với IGRINS, nhóm nghiên cứu đã có thể đo tỷ lệ đá trên băng của một hành tinh quá cảnh bằng một thiết bị duy nhất lần đầu tiên. Phép đo của họ đã loại bỏ được những lỗi có thể phát sinh ở các thiết bị khác, chứng minh đây là một phương pháp mới mạnh mẽ để thực hiện phân tích hóa học các ngoại hành tinh.
"Dữ liệu mặt đất từ Gemini South sử dụng IGRINS thực sự đã thực hiện các phép đo chính xác hơn về độ phong phú hóa học riêng lẻ so với những gì kính viễn vọng trên không gian có thể đạt được", Peter Smith của Chương trình Roasting Marshmallows cho biết trong một tuyên bố.
"Độ nhạy của thiết bị của chúng tôi đang tiến triển đến mức chúng tôi có thể sử dụng các yếu tố này để thăm dò các vùng, độ cao và kinh độ khác nhau để xem các chi tiết tinh tế như tốc độ gió, cho thấy hành tinh này năng động như thế nào."
WASP-121b có hình thành bên cạnh ngôi sao của nó không?
Nằm cách Trái đất khoảng 858 năm ánh sáng, WASP-121b có khối lượng gấp 1,2 lần Sao Mộc nhưng lại phồng ra, khiến nó rộng gấp 1,9 lần hành tinh lớn nhất trong hệ mặt trời. Nó gần ngôi sao của mình đến mức chỉ mất 1,3 ngày Trái đất để hoàn thành một quỹ đạo. WASP-121b bị khóa thủy triều, nghĩa là hành tinh này có "mặt ban ngày" nóng như thiêu đốt luôn hướng về ngôi sao mẹ và mặt ban đêm mát hơn luôn hướng ra ngoài không gian.Mặt ban ngày của WASP-121b nóng đến mức khoảng 4.500 độ F (2.500 độ C) khiến kim loại trên hành tinh này có thể bốc hơi và trôi lên bầu khí quyển. Những kim loại này sau đó bị gió mạnh thổi đến mặt ban đêm của hành tinh, nơi chúng nguội đi và rơi xuống dưới dạng mưa kim loại lỏng, hồng ngọc và sapphire.
Các mô hình hình thành hành tinh tiêu chuẩn cho thấy WASP-121b phải hình thành xa hơn trong đĩa tiền hành tinh từng bao quanh ngôi sao của nó so với vị trí mà nó chiếm giữ ngày nay trước khi di chuyển vào bên trong. Nhưng hóa học của hành tinh này dường như không ủng hộ ý tưởng này.
Một gradient phải tồn tại trong đĩa tiền hành tinh của hệ thống này (và tất cả các hệ thống khác) chứng kiến các vật liệu đá và băng chuyển từ dạng hơi sang dạng rắn khi khoảng cách từ ngôi sao tăng lên.
Các nhà thiên văn học có thể săn lùng các dấu hiệu của các nguyên tố trong các hành tinh và bầu khí quyển của chúng và xác định tỷ lệ vật chất đá so với vật chất khí băng có mặt khi hành tinh đã được sinh ra. Điều đó sẽcho họ biết hành tinh được hình thành cách ngôi sao bao xa.
Để xác định tỷ lệ này, các nhà thiên văn học thường phải thực hiện các quan sát lặp đi lặp lại bằng các thiết bị khác nhau: một thiết bị ánh sáng khả kiến để phát hiện vật liệu đá rắn và một thiết bị hồng ngoại để phát hiện vật chất khí.
Thực tế là WASP-121b rất nóng có nghĩa là cả hai loại nguyên tố này đều bốc hơi trong khí quyển của nó và có thể được phát hiện bằng IGRINS khi hành tinh này đi qua hoặc "đi qua" bề mặt của ngôi sao của nó.
"Khí hậu của hành tinh này rất khắc nghiệt và không giống với Trái đất", Smith cho biết. "Mặt ban ngày của hành tinh này rất nóng đến nỗi các nguyên tố thường được coi là 'kim loại' bị bốc hơi vào khí quyển, khiến chúng có thể được phát hiện thông qua quang phổ học".
Do đó, với IGRINS, nhóm nghiên cứu này đã có thể phát hiện ra tỷ lệ đá trên băng của WASP-121b, đặc biệt cao. Điều này cho thấy rằng trong giai đoạn đầu của hành tinh, nó có thể tích tụ một lượng lớn vật chất đá khi nó đang hình thành. Điều đó chỉ ra rằng nó được sinh ra trong một khu vực của đĩa tiền hành tinh quá nóng để băng có thể ngưng tụ. Đây là một điều bất ngờ đối với các nhà khoa học vì mô hình hiện tại cho thấy các hành tinh khí khổng lồ cần băng rắn để hình thành.
"Phép đo của chúng tôi có nghĩa là có lẽ quan điểm điển hình này cần được xem xét lại và các mô hình hình thành hành tinh của chúng ta cần được xem xét lại", Smith nói thêm.
Các câu chuyện liên quan:
— 3 năm dữ liệu của Kính viễn vọng không gian James Webb về các thế giới ngoài hành tinh hiện đã có trực tuyến
— Ngoại hành tinh 'Sao Mộc nóng' cực độ bốc 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
Smith và các đồng nghiệp hiện có ý định mở rộng cuộc điều tra của họ về các Sao Mộc cực nóng trong các hệ hành tinh khác bằng cách sử dụng các thiết bị IGRINS-2 đã nâng cấp hiện đang được hiệu chuẩn và sẵn sàng sử dụng.
Điều này sẽ cho phép các nhà khoa học xây dựng một mẫu lớn hơn về bầu khí quyển của các ngoại hành tinh nóng của Sao Mộc và khám phá những bí mật của những thế giới cực đoan này không giống bất kỳ thứ gì từng thấy trong hệ mặt trời.
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào ngày 2 tháng 12 trên Tạp chí Thiên văn học.
