Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA/ESA/CSA đã ghi được điểm đầu tiên: bức chân dung phân tử và hóa học về bầu trời của một thế giới xa xôi. Trong khi Webb và các kính viễn vọng không gian khác, bao gồm cả NASA/ESA Kính viễn vọng Không gian Hubble, trước đây đã tiết lộ các thành phần riêng biệt của bầu khí quyển của hành tinh nóng lên này, các kết quả mới cung cấp một danh sách đầy đủ các nguyên tử, phân tử và thậm chí cả dấu hiệu của hoạt động hóa học và các đám mây. Dữ liệu mới nhất cũng gợi ý về cách những đám mây này có thể nhìn cận cảnh: bị chia nhỏ chứ không phải là một tấm chăn thống nhất trên hành tinh.
Các thiết bị nhạy cảm của kính thiên văn đã được huấn luyện trên bầu khí quyển của WASP-39 b, một “Sao Thổ nóng” (một hành tinh có khối lượng bằng Sao Thổ nhưng có quỹ đạo chặt hơn Sao Thủy) quay quanh một ngôi sao cách chúng ta khoảng 700 năm ánh sáng. Kích thước bằng sao Thổ này ngoại hành tinh là một trong những nghiên cứu đầu tiên được NASA/ESA/CSA kiểm tra Kính viễn vọng Không gian James Webb khi nó bắt đầu hoạt động khoa học thường xuyên. Kết quả đã làm phấn khích cộng đồng khoa học ngoại hành tinh. Các thiết bị cực kỳ nhạy cảm của Webb đã cung cấp hồ sơ về các thành phần khí quyển của WASP-39 b và xác định rất nhiều nội dung, bao gồm nước, sulfur dioxide, carbon monoxide, natri và kali.
Những phát hiện này báo hiệu tốt cho khả năng của các công cụ của Webb trong việc tiến hành một loạt nghiên cứu về các ngoại hành tinh – các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác – được cộng đồng khoa học hy vọng. Điều đó bao gồm việc thăm dò bầu khí quyển của các hành tinh đá nhỏ hơn giống như các hành tinh trong hệ thống TRAPPIST-1.
“Chúng tôi đã quan sát ngoại hành tinh bằng một số thiết bị cùng nhau bao phủ một dải phổ hồng ngoại rộng và một loạt dấu vân tay hóa học không thể tiếp cận được cho đến JWST,” Natalie Batalha, nhà thiên văn học tại Đại học California, Santa Cruz, người đã đóng góp và giúp điều phối nghiên cứu mới cho biết. “Dữ liệu như thế này có thể thay đổi cuộc chơi.”
Chuỗi khám phá này được trình bày chi tiết trong bộ năm bài báo khoa học mới, ba trong số đó đang được xuất bản và hai trong số đó đang được xem xét. Trong số những tiết lộ chưa từng có là phát hiện đầu tiên về bầu khí quyển ngoại hành tinh. lưu huỳnh đi-ô-xít, một phân tử được tạo ra từ các phản ứng hóa học được kích hoạt bởi ánh sáng năng lượng cao từ ngôi sao mẹ của hành tinh. Trên Trái đất, tầng ozone bảo vệ ở tầng trên của bầu khí quyển được tạo ra theo cách tương tự.
“Đây là lần đầu tiên chúng tôi thấy bằng chứng cụ thể về quang hóa – phản ứng hóa học được bắt đầu bởi ánh sáng sao tràn đầy năng lượng – trên các ngoại hành tinh,” Shang-Min Tsai, nhà nghiên cứu tại Đại học Oxford ở Vương quốc Anh và là tác giả chính của bài báo giải thích nguồn gốc của sulfur dioxide trong bầu khí quyển của WASP-39 b, cho biết. “Tôi thấy đây là một triển vọng thực sự đầy hứa hẹn để nâng cao hiểu biết của chúng ta về bầu khí quyển ngoại hành tinh với [nhiệm vụ này].”
Điều này dẫn đến một điều khác đầu tiên: các nhà khoa học áp dụng các mô hình quang hóa máy tính vào dữ liệu đòi hỏi phải giải thích đầy đủ các tính chất vật lý đó. Những cải tiến đạt được trong mô hình hóa sẽ giúp xây dựng bí quyết công nghệ cần thiết để giải thích các dấu hiệu tiềm năng về khả năng sinh sống trong tương lai.
“Các hành tinh được tạo hình và biến đổi bằng cách quay quanh trong bể bức xạ của ngôi sao chủ,” Batalha nói. “Trên Trái đất, những biến đổi đó cho phép sự sống phát triển.”
Khoảng cách của hành tinh này với ngôi sao chủ của nó – gần gấp 8 lần so với thủy ngân là của chúng tôi mặt trời – cũng biến nó thành phòng thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ từ các ngôi sao chủ lên các ngoại hành tinh. Kiến thức tốt hơn về mối liên hệ giữa các ngôi sao và hành tinh sẽ mang lại sự hiểu biết sâu sắc hơn về cách các quá trình này ảnh hưởng đến sự đa dạng của các hành tinh được quan sát trong thiên hà.
Các thành phần khí quyển khác được kính thiên văn Webb phát hiện bao gồm natri (Na), kali (K) và hơi nước (H2O), xác nhận các quan sát bằng kính thiên văn trên mặt đất và trong không gian trước đó cũng như tìm thấy thêm dấu vết của nước, ở những bước sóng dài hơn này, điều đó chưa từng được nhìn thấy trước đây.
Webb cũng thấy cạc-bon đi-ô-xít (CO2) ở độ phân giải cao hơn, cung cấp lượng dữ liệu gấp đôi so với báo cáo từ các quan sát trước đó. Trong khi đó, carbon monoxide (CO) đã được phát hiện, nhưng các dấu hiệu rõ ràng của cả metan (CH4) và hydro sunfua (H2S) đều không có trong dữ liệu của Webb. Nếu có, những phân tử này xảy ra ở mức rất thấp.
Để thu được phổ rộng này của bầu khí quyển WASP-39 b, một nhóm quốc tế đã đánh số hàng trăm dữ liệu được phân tích độc lập từ bốn trong số các chế độ thiết bị được hiệu chỉnh tinh vi của kính thiên văn Webb.
“Chúng tôi đã dự đoán những gì [kính thiên văn] sẽ cho chúng tôi thấy, nhưng nó chính xác hơn, đa dạng hơn và đẹp hơn những gì tôi thực sự tin tưởng,” Hannah Wakeford, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Bristol ở Vương quốc Anh, người đang nghiên cứu bầu khí quyển của các ngoại hành tinh, cho biết.
Việc có một danh sách đầy đủ các thành phần hóa học như vậy trong bầu khí quyển ngoại hành tinh cũng giúp các nhà khoa học có cái nhìn thoáng qua về sự phong phú của các nguyên tố khác nhau trong mối quan hệ với nhau, chẳng hạn như tỷ lệ cacbon-oxy hoặc kali-oxy. Điều đó lần lượt cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách hành tinh này – và có lẽ cả những hành tinh khác – hình thành từ đĩa khí và bụi bao quanh ngôi sao mẹ trong những năm còn trẻ.
Kho hóa chất của WASP-39 b gợi ý về lịch sử của những vụ va chạm và sáp nhập của các vật thể nhỏ hơn được gọi là vi thể hành tinh để tạo ra một hành tinh khổng lồ cuối cùng.
“Sự dồi dào của lưu huỳnh [so với] hydro cho thấy rằng hành tinh này có lẽ đã trải qua sự bồi tụ đáng kể các vi thể hành tinh có thể đưa [những thành phần này] vào khí quyển,” cho biết Kazumasa Ohno, nhà nghiên cứu ngoại hành tinh UC Santa Cruz, người đã làm việc trên dữ liệu Webb. “Dữ liệu cũng chỉ ra rằng lượng oxy dồi dào hơn rất nhiều so với lượng carbon trong khí quyển. Điều này có khả năng chỉ ra rằng WASP-39 b ban đầu được hình thành cách xa ngôi sao trung tâm.”
Bằng cách tiết lộ chính xác các chi tiết của bầu khí quyển ngoại hành tinh, các thiết bị của kính thiên văn Webb đã hoạt động vượt xa sự mong đợi của các nhà khoa học – và hứa hẹn một giai đoạn khám phá mới về nhiều loại ngoại hành tinh trong thiên hà.
“Chúng ta sẽ có thể nhìn thấy bức tranh toàn cảnh về bầu khí quyển của các ngoại hành tinh,” nói Laura Flagg, nhà nghiên cứu tại Đại học Cornell và là thành viên của nhóm nghiên cứu quốc tế. “Thật vô cùng thú vị khi biết rằng mọi thứ sẽ được viết lại. Đó là một trong những điều tuyệt vời nhất khi trở thành một nhà khoa học.”
Tài liệu tham khảo Tạp chí:
- Lili Alderson và cộng sự. Khoa học phát hành sớm về ngoại hành tinh WASP-39b với JWST NIRSpec G395H. DOI: 10.48550 / arXiv.2211.10488
- Z. Rustamkulov và cộng sự. Khoa học phát hành sớm về ngoại hành tinh WASP-39b với JWST NIRSpec PRISM. DOI: 10.48550 / arXiv.2211.10487
- Eva-Maria Ahrer và cộng sự. Khoa học phát hành sớm về ngoại hành tinh WASP-39b với JWST NIRCam. DOI: 10.48550 / arXiv.2211.10489
- Adina D. Feinstein và cộng sự. Khoa học phát hành sớm về ngoại hành tinh WASP-39b với JWST NIRISS. DOI: 10.48550 / arXiv.2211.10493
- Shang-Min Tsai và cộng sự. Bằng chứng trực tiếp về quang hóa trong khí quyển ngoại hành tinh. DOI: 10.48550 / arXiv.2211.10490
