Phát hiện hành tinh có mây nước biến đổi như trên Trái Đất

Một thế giới lạnh giá trôi dạt giữa không gian, không có ngôi sao chủ quản và cũng chẳng có bình minh, vẫn sở hữu bầu khí quyển biến đổi theo thời gian.

Nhờ kính viễn vọng không gian James Webb (JWST), các nhà thiên văn học lần đầu xác nhận trực tiếp những đám mây nước trên một thiên thể ngoài Hệ Mặt Trời có thể dày lên rồi mỏng đi, hé lộ những diễn biến thời tiết đáng kinh ngạc trên một thế giới cách Trái Đất chỉ 7,5 năm ánh sáng.

Hình ảnh mô phỏng một sao lùn nâu. Các sao lùn nâu khởi đầu giống như những ngôi sao bình thường, nhưng chúng không bao giờ tích tụ đủ khối lượng để duy trì quá trình hợp hạch hạt nhân ổn định tại lõi và tỏa sáng như một ngôi sao thực thụ. (Nguồn: NASA/JPL-Caltech)

Phát hiện mới về thời tiết trên thiên thể lạnh nhất từng được biết đến

Các nhà khoa học đã theo dõi thời tiết trên WISE 0855, thiên thể thuộc nhóm sao lùn nâu lạnh nhất từng được biết đến, bằng kính viễn vọng không gian James Webb của NASA.

Nhóm nghiên cứu do Brittany Miles, nhà nghiên cứu tại Đài thiên văn Steward thuộc Đại học Arizona (Mỹ), dẫn đầu đã quan sát vật thể có kích thước tương đương sao Mộc này trong 11 giờ liên tục.

Cứ mỗi 15 phút, kính James Webb lại ghi nhận một phổ ánh sáng từ WISE 0855. Nhờ đó, các nhà khoa học có thể phân biệt những biến đổi của các đám mây nước với tín hiệu từ những loại khí được nhiệt lượng bên trong khí quyển đưa lên các tầng cao hơn.

Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal, cung cấp cái nhìn chi tiết nhất từ trước đến nay về sự thay đổi của thiên thể lạnh giá này theo thời gian.

Đặc biệt, đây là lần đầu tiên các nhà khoa học trực tiếp xác nhận những đám mây nước trên một thế giới khác có thể thay đổi độ dày, một hiện tượng quen thuộc trong hệ thống thời tiết của Trái Đất.

“Đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể xác nhận rằng những đám mây nước đang mỏng đi và dày lên trên một thế giới ở gần chúng ta”, Miles cho biết.

Theo nhà nghiên cứu này, trước khi James Webb đi vào hoạt động, các nhà khoa học chủ yếu dựa vào phép đo quang học để nghiên cứu những thiên thể tương tự.

Tuy nhiên, phương pháp đó khó phân biệt ảnh hưởng riêng biệt của mây, thành phần hóa học và nhiệt độ. Với khả năng phân tích quang phổ tiên tiến, James Webb đã giúp nhóm nghiên cứu tách các yếu tố này rõ ràng hơn.

WISE 0855: Thế giới lạnh giá nằm giữa ranh giới hành tinh và sao

Sao lùn nâu là những thiên thể có khối lượng không đủ lớn để duy trì phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hydro trong lõi như các ngôi sao thông thường.

Thay vì liên tục tạo ra năng lượng thông qua phản ứng nhiệt hạch, chúng dần phát ra lượng nhiệt còn sót lại từ quá trình hình thành.

Sao lùn nâu thường có khối lượng lớn hơn các hành tinh, nhưng những vật thể nhỏ nhất thuộc nhóm này lại khiến ranh giới giữa sao và hành tinh trở nên khó xác định. WISE 0855 là một ví dụ tiêu biểu cho vùng ranh giới đó.

Thiên thể này có khối lượng xấp xỉ hai lần sao Mộc, trong khi kích thước gần tương đương hành tinh khí khổng lồ của Hệ Mặt Trời.

Nó giống một hành tinh khổng lồ đang trôi dạt trong không gian mà không có ngôi sao chủ cung cấp ánh sáng.

Nhiệt độ của WISE 0855 vào khoảng âm 8 độ C. Mức nhiệt này thấp hơn nhiệt độ trung bình trên bề mặt Trái Đất, khiến nó trở thành một trong những môi trường khí quyển lạnh giá nhất mà giới thiên văn có thể nghiên cứu chi tiết.

Không có ánh sáng từ một ngôi sao gần đó, bầu khí quyển của WISE 0855 vẫn vận động nhờ nhiệt lượng thoát ra từ bên trong thiên thể.

Nhiệt lượng này tạo ra hiện tượng đối lưu, trong đó vật chất nóng chuyển động lên trên, còn vật chất lạnh hơn dịch chuyển xuống dưới.

Chính cơ chế đó mang đến cơ hội đặc biệt để các nhà khoa học tìm hiểu cách nhiệt lượng bên trong một thế giới khổng lồ chi phối sự hình thành mây và các hiện tượng thời tiết.

Tuy nhiên, việc giải mã bầu khí quyển này không hề đơn giản. Ánh sáng mà kính viễn vọng thu nhận phải đi qua nhiều lớp khí và mây trước khi thoát ra ngoài không gian.

Những lớp vật chất này hấp thụ hoặc làm biến đổi một phần ánh sáng, khiến tín hiệu quan sát được không hoàn toàn phản ánh trực tiếp điều kiện bên dưới.

Mark Marley, đồng tác giả nghiên cứu, đồng thời là giám đốc Phòng thí nghiệm Mặt Trăng và Hành tinh thuộc Đại học Arizona, ví quá trình này giống như quan sát thế giới qua một tấm lưới chắn cửa.

Các nhà khoa học vừa phải tìm hiểu vật thể nằm phía sau, vừa phải hiểu chính lớp lưới đang lọc ánh sáng mà họ nhìn thấy.

James Webb phân biệt được mây nước và biến đổi hóa học

Khi WISE 0855 tự quay, những khu vực có nhiệt độ và độ che phủ của mây khác nhau lần lượt xuất hiện trong tầm quan sát. Sự thay đổi này khiến độ sáng của thiên thể biến động, mang theo những manh mối về thời tiết.

Tuy nhiên, chỉ dựa vào độ sáng, các nhà khoa học khó xác định nguyên nhân thực sự là sự thay đổi của mây, nhiệt độ hay thành phần hóa học trong khí quyển.

Thiết bị quang phổ phân giải trung bình trên kính James Webb đã giúp giải quyết vấn đề đó bằng cách tách ánh sáng thành các bước sóng khác nhau, tương ứng với dấu hiệu đặc trưng của từng phân tử.

Khả năng quan sát nhạy bén của thiết bị cho phép nhóm nghiên cứu theo dõi những thay đổi nhỏ trong tín hiệu hóa học của một thiên thể quá lạnh và mờ để các đài quan sát trước đây nghiên cứu theo cách tương tự.

Kết quả cho thấy những đám mây nước ở tầng khí quyển cao của WISE 0855 liên tục dày lên rồi mỏng đi.

Đồng thời, nhiệt độ của các vùng khí quyển cũng thay đổi theo chu kỳ quay của thiên thể.

Một tín hiệu dạng sóng khác, lặp lại theo thời gian, xuất hiện trong các đặc trưng quang phổ liên quan đến carbon monoxide và phosphine.

Phát hiện này cho thấy những loại khí có nguồn gốc từ các tầng sâu, nóng hơn đang được vận chuyển lên phía trên.

Quá trình đó tương tự hiện tượng đối lưu trong một nồi súp đang được đun nóng: chất lỏng nóng ở đáy nổi lên trên, mang theo vật chất và năng lượng.

Trên WISE 0855, dòng khí đi lên đưa các hợp chất hóa học vào những vùng khí quyển lạnh hơn.

Các nhà khoa học gọi hiện tượng này là hóa học phi cân bằng. Nó xảy ra khi sự vận chuyển vật chất diễn ra nhanh đến mức thành phần hóa học của khí quyển chưa kịp đạt trạng thái cân bằng với nhiệt độ và áp suất tại khu vực đó.

Thời tiết trên WISE 0855 có điểm tương đồng với sao Mộc

Những quá trình tương tự đã được phát hiện trong khí quyển sao Mộc và một số sao lùn nâu khác. Tuy nhiên, điểm đột phá của nghiên cứu mới nằm ở khả năng theo dõi sự thay đổi theo thời gian của từng phân tử, đồng thời phân biệt hoạt động của các dòng khí sâu với biến đổi của những đám mây nước.

“Chúng tôi đang quan sát những đám mây nước dày lên rồi mỏng đi, những dòng khí từ tầng sâu đi lên rồi hạ xuống và thực sự có thể theo dõi các quá trình này diễn ra theo thời gian thực”, Miles cho biết.

Phát hiện này có ý nghĩa vượt ra ngoài việc nghiên cứu riêng WISE 0855. Những hiểu biết thu được có thể giúp giới khoa học giải mã các ngoại hành tinh khí khổng lồ mà kính James Webb đang ngày càng có khả năng quan sát chi tiết hơn.

Dù khác biệt đáng kể về nhiệt độ, môi trường và diện mạo, các thế giới này vẫn có thể chia sẻ những quy luật vật lý cơ bản chi phối sự vận chuyển nhiệt, hình thành mây và phân bố các hợp chất hóa học trong khí quyển.

Theo Miles, dù sao lùn nâu không phải là những hành tinh thực thụ, chúng vẫn thể hiện nhiều đặc điểm giống hành tinh.

Ranh giới giữa hai nhóm thiên thể không phải lúc nào cũng rõ ràng, bởi nhiều quá trình vật lý và hóa học có thể xuất hiện ở cả hai.

Sao Mộc và WISE 0855 trông rất khác nhau, nhưng những mô hình thời tiết của chúng lại có các điểm tương đồng đáng chú ý. Điều đó cho thấy các nguyên lý cơ bản có thể được áp dụng để nghiên cứu nhiều thế giới khác nhau trong vũ trụ.

WISE 0855 không có bình minh hay hoàng hôn như Trái Đất, nhưng bầu trời của nó vẫn không ngừng biến đổi. Nhờ James Webb, những đám mây nước và dòng khí vô hình trong thế giới lạnh giá cách chúng ta 7,5 năm ánh sáng đang dần hé lộ các quy luật vận hành của những môi trường xa lạ, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới về thời tiết trên các hành tinh khổng lồ trong vũ trụ.

(Theo Space, SciTechDaily, Earthsky)