Jupiters siêu nóng — được đặt tên như vậy vì sự tương đồng về mặt vật lý với hành tinh Jupiter — là các hành tinh ngoại vi xoay quanh các ngôi sao khác ngoài Mặt Trời với nhiệt độ cao đến mức mà các phân tử trong khí quyển của chúng bị hoàn toàn phá hủy. Chúng là môi trường cực kỳ khắc nghiệt trong dải ngân hà của chúng ta.
Chúng cũng quay quanh các ngôi sao cha của họ trong quỹ đạo chỉ kéo dài vài ngày, và các nhà thiên văn vẫn chưa chắc làm thế nào chúng có thể hình thành.
Mặc dù điều kiện khắc nghiệt này có vẻ như là tận cùng, nhưng các nhà thiên văn bắt đầu nhận ra rằng chúng có thể chỉ là phần nhỏ của tảng băng (rất nóng). Trong một nghiên cứu gần đây được xuất bản trên The Astrophysical Journal Letters, đồng nghiệp của tôi và tôi phát hiện ra rằng một trong những hành tinh ngoại vi đặc biệt này thậm chí còn khắc nghiệt hơn chúng ta từng nghĩ.
Thế giới siêu nóng
Khám phá vào năm 2016, WASP-76b có lẽ là hành tinh siêu nóng nổi tiếng nhất trong số này. Với kích thước gấp đôi hành tinh Jupiter của chúng ta, WASP-76b có nhiệt độ ở bên trời đạt đến 2,400 C, và mất không đến hai ngày để quay quanh ngôi sao cha của nó. Tuy nhiên, điều nổi tiếng của nó là một nghiên cứu năm 2020 đề xuất rằng sắt lỏng có thể thực sự đang rơi từ bầu trời của nó.
Nghiên cứu gần đây, chưa được đồng nghiệm đánh giá, đã đặt nghi vấn về kết quả này. Nhưng không có nghi ngờ gì về việc điều kiện trên WASP-76b hoàn toàn không giống với bất cứ điều gì ở Trái Đất. Do đó, WASP-76b có thể mang đến cho chúng ta cửa sổ nhìn vào những quy trình vật lý và hóa học cực kỳ khắc nghiệt trong dải ngân hà của chúng ta, và nghiên cứu về điều kiện ngoại vi khắc nghiệt của nó có thể giúp chúng ta đặt hệ Mặt Trời của chúng ta vào ngữ cảnh.
An artist’s impression of a hot Jupiter planet, similar to WASP-76b, orbiting close to one of the stars in the rich old star cluster Messier 67. (European Space Observatory/L. Calçada), CC BYKiến thức về khí quyển
Thật không may, nghiên cứu về các hành tinh ngoại vi — thậm chí là những hành tinh lớn như WASP-76b — thường dễ nói hơn làm. 4,500 hành tinh ngoại vi đã được phát hiện rất xa chúng ta, và các ngôi sao cha của chúng quá sáng đến mức ánh sáng từ chính hành tinh ngoại vi được hoàn toàn rửa trắng.
Thay vì nhìn trực tiếp vào các hành tinh ngoại vi, chúng ta thường phải tìm cách suy luận về sự hiện diện của chúng. Những phương pháp gián tiếp này thực sự đã góp phần lớn vào việc chúng ta phát hiện ra hành tinh ngoại vi. Như một phần thưởng, chúng ta có thể sử dụng những phương pháp này để nhìn sâu vào khí quyển của các hành tinh ngoại vi cũng.
Đây là ý tưởng đằng sau quang phổ chuyển tiếp. Khi một hành tinh ngoại vi đi qua phía trước, hoặc chuyển tiếp, ngôi sao cha của nó, ánh sáng từ ngôi sao sẽ được lọc qua khí quyển của hành tinh ngoại vi. Các khí quyển khác nhau để lại dấu vết hóa học độc đáo — giống như dấu vân tay — trên ánh sáng của ngôi sao, và bằng cách nghiên cứu những dấu vết này, chúng ta có thể tìm hiểu được khí quyển có những khí nào. Điều này có thể giúp chúng ta biết thêm về điều kiện thực sự của hành tinh ngoại vi.
Lý thuyết, bạn có thể làm điều này với bất kỳ hành tinh ngoại vi nào có khí quyển, nhưng dễ nhất là với những khí quyển nóng và sưng lên. Khí quyển lớn, mở rộng để lại dấu vết hóa học mạnh mẽ trên ánh sáng của ngôi sao, điều này làm cho chúng dễ quan sát hơn nhiều đối với chúng ta.
Chính vì vậy, đội ngũ của chúng tôi đã chọn WASP-76b làm một trong những hành tinh ngoại vi đầu tiên được quan sát bởi cuộc khảo sát mới của chúng tôi, ExoGemS (Exoplanets with Gemini Spectroscopy). Dưới sự dẫn dắt của Jake Turner, Ray Jayawardhana và Andrew Ridden-Harper tại Đại học Cornell, mục tiêu của cuộc khảo sát là nhìn sâu vào khí quyển của hơn 40 hành tinh ngoại vi bằng cách sử dụng kính thiên văn Gemini North ở Hawaii.
Khí quyển cực kỳ
Trong nghiên cứu cụ thể này, chúng tôi quan sát WASP-76b trong một khoảng thời gian bốn giờ khi nó chuyển tiếp phía trước ngôi sao cha của mình. Chúng tôi đang tìm kiếm dấu vết hóa học của kim loại trong khí quyển của nó, vì ở những nhiệt độ cực kỳ này, kim loại sẽ thực sự biến thành hơi.
WASP-76b đã được quan sát nhiều lần trong quá khứ, nhưng các quan sát từ kính thiên văn Gemini North đã đạt đến bước sóng đỏ hơn so với kết quả được công bố trước đây. Điều này có nghĩa là chúng tôi có thể tìm kiếm dấu vết hóa học mà các nghiên cứu trước đây không có quyền truy cập, đưa ra ánh sáng rộng rãi hơn về sự cấu trúc kỳ lạ của thế giới cực kỳ này.
Điều ngay lập tức thu hút chúng tôi trong dữ liệu của chúng tôi là một chuỗi ba đặc điểm hấp thụ rất mạnh ở bước sóng hồng ngoại của ánh sáng. Chúng tôi nhận ra chúng như là dấu vết hóa học của canxi ion hóa — các nguyên tử canxi đã mất một electron — và tín hiệu quá mạnh đến nỗi chúng tôi thực sự có thể thấy nó di chuyển xung quanh khi hành tinh ngoại vi quay quanh ngôi sao cha của nó.
\n
Việc phát hiện canxi trong khí quyển của WASP-76b không có gì đặc biệt — một tập hợp khác của tín hiệu canxi đã được phát hiện trước đó trong năm nay. Nhưng điều làm chúng tôi ngạc nhiên là chúng tôi thấy được bao nhiêu canxi ion hóa — nhiều hơn nhiều so với những gì mô hình lý thuyết của chúng tôi dự đoán.
Vậy thì có chuyện gì đang xảy ra? Một khả năng là khí quyển của WASP-76b có thể nóng hơn cả 2.400 độ C chúng tôi đã nghĩ trước đó. Những nhiệt độ cực kỳ này sẽ tách electron khỏi nguyên tử canxi thông thường và càng nóng, điều này sẽ xảy ra càng thường xuyên.
Một khả năng khác là các cơn gió mạnh đang đào lên các nguyên tử canxi ion hóa từ sâu bên trong hành tinh ngoại vi. Một nghiên cứu gần đây thậm chí đã gợi ý rằng WASP-76b có thể có gió với tốc độ lên đến 22 kilomet mỗi giây. Cho biết tham chiếu, cơn gió nhanh nhất từng được đo trên Trái Đất có tốc độ dưới một kilomet mỗi giây.
Một sự trùng hợp may mắn, một đội ngũ thiên văn gia khác sử dụng quan sát từ Đài quan sát Calar Alto ở Tây Ban Nha để phát hiện tín hiệu canxi ion hóa này trong ánh sáng hồng ngoại. Như chúng tôi, dữ liệu của họ đã cho thấy nhiều canxi ion hóa hơn so với mong đợi. Rõ ràng có nhiều điều đang diễn ra trong khí quyển của WASP-76b hơn chúng tôi đã nghĩ.
Khí quyển kỳ lạ, hoang dã
WASP-76b đã được quan sát bởi gần như mọi kính thiên văn lớn, từ kính thiên văn Gemini North ở Hawaii đến Kính thiên văn Rất Lớn ở Chile và thậm chí là Kính thiên văn Không gian Hubble. Để hoàn toàn ghép nối bức tranh về những gì đang xảy ra trong khí quyển của nó, chúng ta sẽ cần đợi các quan sát từ Kính thiên văn Không gian James Webb mạnh mẽ mới sẽ được phóng vào tháng 12 năm 2021.
Bài viết do Emily Deibert, Nghiên cứu sinh Tiên sĩ ngành Thiên văn & Thiên văn học, Đại học Toronto
Bài viết này được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.