Một nhóm các nhà thiên văn học đã sử dụng những quan sát gần đây từ Kính viễn vọng Không gian James Webb để nghiên cứu bầu khí quyển của ngoại hành tinh WASP-107b gần đó. Bầu không khí nơi các hạt này tồn tại rất năng động và thể hiện sự di chuyển vật chất mạnh mẽ.
Các nhà thiên văn trên khắp thế giới đang sử dụng các khả năng tiên tiến của Thiết bị Hồng ngoại Trung (MIRI) trên Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) để tiến hành các quan sát mang tính đột phá về các ngoại hành tinh—các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác ngoài mặt trời. Ngoại hành tinh khí độc đáo WASP-107b được quan sát bởi một nhóm các nhà thiên văn học châu Âu do các nhà nghiên cứu từ Viện Thiên văn học của Đại học Leuven dẫn đầu.
Hành tinh này có khối lượng tương tự như Sao Hải Vương, nhưng thể tích của nó lớn hơn Sao Hải Vương rất nhiều, gần bằng kích thước của Sao Mộc. So với các hành tinh khí khổng lồ trong hệ mặt trời, đặc điểm này của WASP-107b khiến nó có vẻ ngoài khá "lông tơ". Độ mịn của ngoại hành tinh cho phép các nhà thiên văn học thâm nhập sâu hơn khoảng 50 lần vào bầu khí quyển của nó so với độ sâu của các hành tinh khổng lồ trong hệ mặt trời của chúng ta như Sao Mộc.
Phân tích khí quyển chuyên sâu
Một nhóm các nhà thiên văn học châu Âu đã tận dụng độ mịn phi thường của ngoại hành tinh, cho phép họ nhìn sâu vào bầu khí quyển của nó. Cơ hội này mở ra một cánh cửa nhìn vào tính chất hóa học phức tạp của bầu khí quyển của nó. Lý do đằng sau điều này rất đơn giản: trong bầu không khí ít đậm đặc hơn, tín hiệu hoặc dấu hiệu quang phổ nổi bật hơn nhiều so với trong bầu không khí đậm đặc hơn. Nghiên cứu gần đây của họ, được công bố trên tạp chí Nature, cho thấy sự hiện diện của hơi nước, sulfur dioxide (SO2) và các đám mây silicat, nhưng đáng chú ý là không có dấu vết của khí nhà kính metan (CH4).
Những kết quả phát hiện này cung cấp thông tin quan trọng về động lực học và hóa học của ngoại hành tinh hấp dẫn này. Đầu tiên, sự vắng mặt của khí mê-tan cho thấy bên trong hành tinh có thể ấm áp, cung cấp một góc nhìn thú vị về cách năng lượng nhiệt truyền qua bầu khí quyển của hành tinh. Thứ hai, việc phát hiện ra sulfur dioxide (nổi tiếng với mùi diêm cháy) cũng là một điều bất ngờ. Các mô hình trước đây đã dự đoán sự vắng mặt của sulfur dioxide, nhưng các mô hình khí hậu mới của khí quyển WASP-107b hiện cho thấy rằng chỉ riêng khối lượng lớn của WASP-107b cũng có thể tạo thành sulfur dioxide trong khí quyển của nó. Mặc dù ngôi sao chủ của nó phát ra tương đối ít photon năng lượng cao do nhiệt độ mát hơn, nhưng những photon này có thể thâm nhập sâu vào bầu khí quyển của hành tinh do tính chất mềm mại của nó. Điều này cho phép xảy ra các phản ứng hóa học cần thiết để tạo ra sulfur dioxide.
Thành phần và động lực của đám mây
Nhưng đó không phải là tất cả những gì họ quan sát được. So với trường hợp không có mây, đặc tính quang phổ của cả sulfur dioxide và hơi nước đều yếu đi đáng kể. Những đám mây ở độ cao chặn một phần hơi nước và sulfur dioxide trong khí quyển. Trong khi các đám mây đã được suy luận về các ngoại hành tinh khác, đây là lần đầu tiên các nhà thiên văn học có thể xác định rõ ràng thành phần hóa học của những đám mây này. Trong trường hợp này, các đám mây bao gồm các hạt silicat nhỏ, một chất quen thuộc với con người được tìm thấy ở nhiều nơi trên thế giới và là thành phần chính của cát.
"JWST đang cách mạng hóa việc mô tả đặc điểm của các ngoại hành tinh, cung cấp những hiểu biết sâu sắc chưa từng có với tốc độ đáng kinh ngạc", tác giả chính, Giáo sư Leen Decin của KU Leuven cho biết. "Thiết bị chụp ảnh cận hồng ngoại của JWST đã phát hiện ra những đám mây cát, nước và sulfur dioxide trên ngoại hành tinh mịn màng này, một cột mốc quan trọng. Nó định hình lại hiểu biết của chúng ta về sự hình thành và tiến hóa của hành tinh, đồng thời làm sáng tỏ hệ mặt trời của chúng ta."
Trong bầu khí quyển của Trái đất, nước ngưng tụ thành băng ở nhiệt độ thấp, trong khi ở các hành tinh khí có nhiệt độ lên tới khoảng 1.000 độ C (khoảng 1.800 độ F), các hạt silicat ngưng tụ thành mây. Tuy nhiên, bầu khí quyển bên ngoài của WASP-107b có nhiệt độ khoảng 500 độ C (khoảng 900 độ F) và các mô hình thông thường dự đoán rằng những đám mây silicat này lẽ ra đã hình thành sâu trong bầu khí quyển, nơi có nhiệt độ cao hơn nhiều. Ngoài ra, những đám mây cát sâu trong bầu khí quyển có thể gây mưa. Vậy làm sao những đám mây cát này có thể tồn tại trên bầu trời cao và tồn tại dai dẳng?
Tác giả chính, Tiến sĩ Michiel Min cho biết: "Việc chúng ta nhìn thấy những đám mây cát này ở trên cao có nghĩa là các giọt nước cát đang bốc hơi ở các lớp nhiệt độ cao sâu hơn và hơi silicat tạo thành được di chuyển trở lại bầu khí quyển phía trên nơi nó ngưng tụ lại để tạo thành các đám mây silicat một lần nữa. Điều này rất giống với chu trình của hơi nước và mây trên hành tinh của chúng ta, nhưng các giọt nước được làm từ cát." Lý do khiến các đám mây cát tồn tại trong bầu khí quyển của WASP-107b là do chu kỳ thăng hoa và ngưng tụ liên tục thông qua vận chuyển theo chiều dọc.
Những tiến bộ trong nghiên cứu ngoại hành tinh
Nghiên cứu đột phá này không chỉ tiết lộ thế giới kỳ lạ của WASP-107b mà còn nâng cao hiểu biết của chúng ta về bầu khí quyển của ngoại hành tinh. Nó đánh dấu một cột mốc quan trọng trong việc thăm dò ngoại hành tinh, tiết lộ sự tương tác phức tạp giữa hóa chất và điều kiện khí hậu trên những thế giới xa xôi này.
"JWST cho phép chúng tôi thực hiện mô tả đặc điểm khí quyển chuyên sâu của các ngoại hành tinh không có bản sao trong hệ mặt trời và chúng tôi đang tiết lộ những thế giới mới!" tác giả chính Tiến sĩ Achrène Dyrek của CEA, Paris cho biết.
Thiết kế và phát triển máy chụp ảnh cận hồng ngoại
nhờ Văn phòng Chính sách Khoa học Liên bang Bỉ BELSPO thông qua ESA PRO Với nguồn tài trợ do chương trình DEX cung cấp, các kỹ sư và nhà khoa học Bỉ đã đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế và phát triển thiết bị MIRI, bao gồm cả những người từ Trung tâm Vũ trụ Liège (CSL), Thales Alenia Space (Charleroi) và Hệ thống Cảm biến OIP (Oudenaide). Tại Viện Thiên văn học ở KU Leuven, các nhà khoa học về thiết bị đã tiến hành thử nghiệm rộng rãi thiết bị MIRI trong các buồng thử nghiệm đặc biệt mô phỏng môi trường không gian tại các phòng thí nghiệm của Vương quốc Anh, Trung tâm Goddard của NASA và Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA.
Cùng với các đồng nghiệp ở Châu Âu và Hoa Kỳ, chúng tôi đã chế tạo và thử nghiệm các thiết bị MIRI trong gần 20 năm. Chuyên gia về thiết bị, Tiến sĩ Bart Vandenbussche của Đại học Leuven cho biết: “Thật là một thành tựu tuyệt vời khi thấy các thiết bị của chúng tôi vén bức màn về bầu khí quyển của ngoại hành tinh hấp dẫn này”.
Jeroe thuộc Viện Thiên văn học Max Planck, Đức, Tiến sĩ nBouwman cho biết: "Nghiên cứu này kết hợp kết quả của nhiều phân tích độc lập về dữ liệu quan sát JWST và phản ánh nhiều năm đầu tư của chúng tôi không chỉ vào việc sản xuất thiết bị MIRI mà còn vào các công cụ hiệu chuẩn và phân tích dữ liệu quan sát MIRI."