Phát hiện ngoại hành tinh đầu tiên chứa heli

2.447

Bầu khí quyển của ngoại hành tinh WASP-107b chứa nhiều heli đến mức kéo dài hàng chục kilomet.

Khối lượng lõi của hành tinh WASP-107b nhỏ hơn nhiều so với tiêu chuẩn về lõi hành tinh khí khổng lồ mà các nhà khoa học từng nghĩ. Do có khối lượng riêng rất thấp, WASP-107b được gọi là hành tinh "kẹo bông" hoặc hành tinh "siêu phồng". Nghiên cứu mới xuất bản trên tạp chí The Astronomical Journal hôm 18/1.

WASP-107b cách Trái đất 212 năm ánh sáng. Hành tinh này quay quanh sao chủ với khoảng cách chỉ bằng 1/16 khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời. Nó bị nung nóng do bay quá gần sao chủ. Các nhà thiên văn ước tính WASP-107b lớn tương đương sao Mộc, hành tinh lớn nhất Hệ Mặt trời, nhưng khối lượng chỉ bằng 1/10.

WASP-107b có khối lượng riêng rất nhỏ, lõi của nó nặng gấp khoảng 4 lần Trái đất, trong khi khí quyển nặng gấp 26 lần Trái đất. Điều này nghĩa là lớp vỏ khí chiếm tới hơn 85% khối lượng của hành tinh này.

Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế, dẫn đầu bởi Tiến sĩ Jessica Spake từ trường Đại học Exeter, Anh hôm qua công bố phát hiện nguyên tố heli trên khí quyển ngoại hành tinh WASP-107b sau hơn một thập kỷ tìm kiếm. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học phát hiện heli trên một hành tinh bên ngoài Hệ Mặt trời.

Ngoại hành tinh WASP-107b.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng Kính thiên văn vũ trụ Hubble của NASA để quan sát ngoại hành tinh WASP-107b. Họ đã phát hiện ra nguyên tố heli bằng cách phân tích quang phổ hồng ngoại bầu khí quyển của ngoại hành tinh này. Theo Tiến sĩ Spake, trưởng nhóm nghiên cứu, đây là điều rất khó với công nghệ hiện tại. Kỹ thuật mới đã giúp các nhà khoa học phát hiện những tín hiệu mạnh của heli trên bầu khí quyển của ngoại hành tinh WASP-107b.

WASP-107b là một trong những hành tinh khí có mật độ khí thấp nhất từng được biết đến. Nó có kích thước tương đương sao Mộc nhưng có khối lượng chỉ bằng 12%. WASP-107b cách Trái đất khoảng 200 năm ánh sáng và mất hơn 6 ngày để quay quanh ngôi sao chủ của nó.

Lượng heli được phát hiện trên khí quyển của WASP-107b lớn đến mức bầu khí quyển của hành tinh này kéo dài hàng chục kilomet ra ngoài không gian. Đây cũng là lần đầu tiên bầu khí quyển mở rộng như vậy được phát hiện với bước sóng hống ngoại. Vì bầu khí quyển mở rộng nên hành tinh này mất đi một lượng đáng kể khí ra ngoài không gian khi di chuyển. Ước tính WASP-107b đã mất khoảng 0,1 - 4% tổng khối lượng khí quyển của nó trong hàng tỷ năm qua.

"Chúng tôi có nhiều câu hỏi liên quan đến WASP-107b. Một hành tinh có khối lượng riêng nhỏ như vậy hình thành như thế nào? Làm cách nào để nó giữ cho lớp khí khổng lồ không thất thoát, nhất là khi bay gần sao chủ như vậy? Những vấn đề này thôi thúc chúng tôi phân tích sâu hơn để tìm hiểu quá trình hình thành của nó", Caroline Piaulet, tác giả chính của nghiên cứu, chuyên gia tại Đại học Montreal, chia sẻ.

Các nhà khoa học cho rằng hành tinh khí khổng lồ như sao Mộc hay sao Thổ hình thành khi một lõi rắn khối lượng lớn, gấp khoảng 10 lần Trái đất, gom góp thật nhiều khí từ đĩa vật chất bao quanh một ngôi sao mới chào đời. Lõi khối lượng lớn từng được coi là một điều kiện bắt buộc. Tuy nhiên, WASP-107b cho thấy có thể điều này không chính xác.

Kết hợp các quan sát từ Camera cận hồng ngoại (NIRCam) và Thiết bị hồng ngoại trung bình (MIRI) của James Webb và Camera trường rộng 3 (WFC3) của Hubble, 2 kính viễn vọng không gian mạnh nhất hiện tại, họ đã đo được hàm lượng của vô số phân tử trong bầu khí quyển WASP-107b.

Các phân tử này bao gồm hơi nước, methane, carbon dioxide, carbon monoxide, sulfur dioxide và amoniac.

Hành tinh kẹo bông WASP-107b - (Ảnh đồ họa: TRƯỜNG NGHỆ THUẬT LUCA/NASA/ESA).

Cả hai quang phổ từ Hubble và James Webb đều cho thấy sự thiếu hụt khí methane đáng ngạc nhiên trong bầu khí quyển của WASP-107b: Một phần ngàn lượng dự kiến dựa trên nhiệt độ của nó là 500 độ C.

Chỉ có một cách giải thích: Mặc dù có nhiệt độ bề mặt rất "mát" so với các hành tinh thuộc nhóm "Sao Mộc nóng" khác được ghi nhận, hành tinh kẹo bông này sở hữu một lõi rất nóng, bởi methane là thứ không ổn định ở nhiệt độ cao.

Sức nóng từ bên trong này có thể do thủy triều nóng lên bởi quỹ đạo hình elip của nó. Lực hấp dẫn thay đổi khi hành tinh ở xa và ở gần sao mẹ kéo căng hành tinh và gây ra điều này.

Sau khi xác định được rằng hành tinh này có đủ nhiệt bên trong để khuấy động hoàn toàn bầu khí quyển, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng quang phổ cũng có thể cung cấp một phương pháp mới để ước tính kích thước của lõi.

Kết quả cho thấy lõi của hành tinh này to gấp đôi so với dự kiến ban đầu. Lõi to hơn và luôn nóng là lý do hành tinh này có lớp vỏ khí rất dày và giữ được trạng thái kẹo bông theo thời gian.

Nói cách khác, nó là một phiên bản nóng của sao Hải Vương hơn là sao Mộc.

Giờ đây, một phân tích mới tiếp tục tiết lộ sự độc đáo của hành tinh này: Nó có bầu khí quyển bất đối xứng.

Trong hình ảnh đồ họa ở trên được các nhà khoa học cung cấp - sẽ là hình ảnh thực nếu chúng ta có thể phóng to những gì quan sát được lên nhiều lần - WASP-107b giống như một quả trứng bắc thảo trôi ngang sao mẹ, với lõi đặc và các lớp trong mờ bất đối xứng bao quanh.

"Đây là lần đầu tiên sự bất đối xứng Đông - Tây của một ngoại hành tinh được quan sát thấy khi nó di chuyển qua sao mẹ, từ không gian" - nhà thiên văn học Matthew Murphy từ Đại học Arizona (Mỹ) cho biết.

Chúng ta đã biết một chút về những gì có trong bầu khí quyển của ngoại hành tinh kỳ lạ này.

Các phân tích trước đó dựa trên dữ liệu từ kính viễn vọng không gian James Webb cho thấy nó sở hữu một bầu trời đầy lưu huỳnh dioxide, hơi nước, carbon dioxide, carbon monoxide và các đám mây cát.

TS Murphy và các đồng nghiệp muốn tiến xa hơn nữa. Sử dụng các kỹ thuật phân tích mới, họ nhận thấy phải có sự khác biệt trong thành phần khí quyển giữa bán cầu Đông và Tây của hành tinh, theo bài công bố trên tạp chí khoa học Nature Astronomy.

Các nhà khoa học đã từng xác định được sự bất đối xứng trong bầu khí quyển của các ngoại hành tinh trước đây, dù chưa phải qua cái nhìn trực tiếp như lần này.

Ở các ngoại hành tinh cực nóng, người ta cho rằng nguyên nhân là do bầu khí quyển quay quanh hành tinh.

Khi đạt đến ranh giới rạng đông, nó nóng lên; khi đạt đến ranh giới hoàng hôn, nó nguội đi, ngưng tụ và thậm chí có thể có mưa.

Nhưng WASP-107b đã đem đến đột phá mới.

Không chỉ sự khác biệt về nhiệt độ ở hai bên của ngoại hành tinh, với buổi sáng mát hơn buổi tối, mà còn có sự khác biệt nhỏ về độ mờ của mây.

Điều này thật hấp dẫn, vì các mô hình cho thấy WASP-107b không nên có sự bất đối xứng như vậy.

Mặc dù sự khác biệt về thành phần hóa học là giả thuyết hợp lý nhất, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa thể chỉ ra cụ thể liệu bầu khí quyển ở nửa Đông có các hợp chất gì mà nửa Tây không có hay ngược lại.

Họ hy vọng có thể trả lời câu hỏi đó bằng nhiều giờ quan sát hơn nữa.

Cập nhật: 10/10/2024 Theo VNE/NLĐ