Phát hiện hành tinh nặng gấp 23 lần Trái Đất thách thức các định luật vũ trụ

Theo lý thuyết hình thành hành tinh truyền thống, khi một mầm bản thể vũ trụ tích tụ khối lượng đạt khoảng 20 lần Trái Đất, lực hấp dẫn khổng lồ của nó sẽ nhanh chóng hút khí hydro và heli từ đĩa bụi khí xung quanh để biến thành một hành tinh khí khổng lồ tương tự Sao Mộc hay Sao Thổ. 

Tuy nhiên, một ngoại hành tinh mới được phát hiện mang tên ký hiệu GJ 523b đã hoàn toàn phá vỡ quy luật lâu đời này.

Nằm cách Trái Đất khoảng 87 năm ánh sáng và xoay quanh một ngôi sao lùn K màu cam, GJ 523b sở hữu khối lượng gấp 23,5 lần Trái Đất nhưng bán kính chỉ lớn hơn khoảng 2,55 lần. Kích thước này đưa GJ 523b vào nhóm "tiểu Hải Vương" - những hành tinh được bao bọc bởi lớp khí quyển hydro và heli rất dày. 

Dù vậy, khối lượng cực lớn nén trong một thể tích tương đối nhỏ khiến khối lượng riêng của GJ 523b đạt khoảng 7,8 g/cm khối, lớn hơn Trái Đất khoảng 40%. Điều này chứng tỏ đây là một thế giới đặc quạnh, cấu tạo chủ yếu từ đá và kim loại thay vì sở hữu lớp vỏ khí mênh mông như dự đoán.

GJ 523b sở hữu khối lượng gấp 23,5 lần Trái Đất nhưng bán kính chỉ lớn hơn khoảng 2,55 lần. Hình minh họa: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

Phát hiện bất ngờ này là kết quả nghiên cứu của nhóm khoa học do nhà thiên văn Max Kroft tại Đại học Wisconsin-Madison (Mỹ) dẫn đầu. Để thu thập dữ liệu về thiên thể đặc biệt này, các chuyên gia đã kết hợp phương pháp quan sát từ vệ tinh TESS của Cơ quan Hàng không & Vũ trụ Mỹ (NASA) cùng kính viễn vọng mặt đất WIYN rộng 3,5 m tại Đài quan sát Quốc gia Mỹ Kitt Peak ở bang Arizona. 

Vệ tinh TESS ghi nhận hiện tượng giảm độ sáng định kỳ của sao chủ mỗi khi GJ 523b đi ngang qua sau mỗi 17,75 ngày để đo bán kính, trong khi thiết bị quang phổ NEID trên kính WIYN đo chuyển động lắc lư do lực hấp dẫn của hành tinh tác động lên sao chủ để xác định chính xác khối lượng.

Điều khiến các nhà thiên văn bối rối nhất không chỉ nằm ở mật độ vật chất dày đặc mà còn ở độ tuổi của hệ sao này. Hệ thống chứa GJ 523b ước tính hành tinh mới chỉ đạt khoảng 169 triệu năm tuổi, khoảng thời gian rất ngắn trong quy mô vũ trụ. 

Nếu GJ 523b từng tích tụ một lớp khí nguyên thủy khổng lồ theo mô hình bồi tụ lõi, thời gian 169 triệu năm là hoàn toàn không đủ để bức xạ từ sao chủ thổi bay hay làm thoát đi lượng khí khổng lồ đó.

Các mô hình máy tính giả lập cấu trúc bên trong cho thấy GJ 523b nhiều khả năng gồm một lõi sắt chiếm khoảng 37% khối lượng, lớp bao silicat chiếm 40% và thủy quyển giàu nước chiếm khoảng 21%, trong khi tỷ lệ khí hydro và heli là cực kỳ nhỏ. 

Bổ sung vào danh sách những điểm bất thường, các phép đo cho thấy quỹ đạo của GJ 523b bị lệch ít nhất 71 độ so với xích đạo sao chủ. Hành tinh này chuyển động theo quỹ đạo gần như đi qua 2 cực của sao chủ chứ không nằm trên mặt phẳng xích đạo như các hành tinh trong Hệ Mặt Trời.

GJ 523b chuyển động theo quỹ đạo gần như đi qua 2 cực của sao chủ chứ không nằm trên mặt phẳng xích đạo như các hành tinh trong Hệ Mặt Trời. Hình minh họa: ua.news

Để giải thích cho sự tồn tại của thế giới kỳ lạ này, các nhà khoa học đã đưa ra 3 kịch bản chính. Kịch bản đầu tiên cho rằng 2 tiền hành tinh lớn đã xảy ra va chạm nảy lửa, hợp nhất phần lõi rắn và nhiệt lượng khủng khiếp từ cú va chạm đã thổi bay gần như toàn bộ lớp khí quyển vào không gian. 

Kịch bản thứ hai là hành tinh ban đầu hình thành ở xa với quỹ đạo hình elip dẹp, sau đó di chuyển lại gần sao chủ và bị lực triều cùng nhiệt độ cao tước đi lớp khí, dù quá trình này đòi hỏi thời gian dài hơn và sự xuất hiện của một hành tinh đồng hành chưa được phát hiện. 

Kịch bản thứ ba gợi ý rằng, quá trình bồi tụ liên tục các va chạm đá đã giữ cho lớp vỏ của GJ 523b luôn nóng, ngăn khí co lại để hút thêm khí quyển cho đến khi đĩa khí nguyên thủy biến mất.

Sự xuất hiện của GJ 523b thúc đẩy các nhà nghiên cứu đề xuất một phân loại mới mang tên "siêu Trái Đất khổng lồ" để chỉ những hành tinh có bán kính gấp ít nhất 2,1 lần Trái Đất và khối lượng riêng từ 5,5 g/cm khối trở lên. 

Công trình nghiên cứu này đã được nộp cho tạp chí The Astronomical Journal và đăng tải bản thảo trên máy chủ arXiv. Nhà thiên văn Max Kroft cho biết, việc tìm kiếm thêm những thiên thể tương tự trong tương lai sẽ giúp giới thiên văn xác định xem GJ 523b là một ngoại lệ hiếm hoi hay đại diện cho một quần thể hành tinh đá khổng lồ chưa từng được biết đến.