Lần đầu quan sát hành tinh giống Trái đất ngoài hệ Mặt trời, giới khoa học đã thấy 'ác mộng'

Đối với nhiều người, khi hướng mắt lên trời, chúng ta nên tưởng tượng ra nhiều thứ hơn là các vì sao, các thiên hà và khoảng không gian sâu thẳm giữa chúng. Thay vào đó, chúng ta hướng suy nghĩ của mình đến các thế giới quay quanh mỗi ngôi sao đó: các hành tinh khí khổng lồ với hệ thống vệ tinh phong phú của riêng chúng, các hành tinh có bề mặt rắn như Trái đất, sao Kim, sao Hỏa và sao Thủy... Mỗi thế giới trong vũ trụ là duy nhất, có thành phần, lịch sử hình thành và khả năng xảy ra loại phản ứng hóa học hoặc thậm chí sinh học nào ở đó.

Lần đầu tiên, một trong những ngoại hành tinh (để phân biệt với nội hành tinh là các hành tinh thuộc hệ Mặt trời) trong vũ trụ của chúng ta được Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) phát hiện: LHS 475 b. Hành tinh này có kích thước gần giống với Trái đất, với bán kính được xác định là lớn bằng 99% so với hành tinh xanh của chúng ta. Mặc dù nó ở một quỹ đạo khá gần với sao chủ nhưng rất may là ngôi sao chủ đó tương đối mát mẻ: một ngôi sao lùn đỏ, già, ổn định.

Khi hành tinh - tình cờ thẳng hàng với ngôi sao chủ theo quan sát của chúng ta - đi qua bề mặt của ngôi sao chủ thì JWST có cơ hội quan sát nó, sử dụng kỹ thuật quang phổ chuyển tiếp để đo hàm lượng khí quyển của nó. Nhưng những gì JWST tìm thấy thay vì kỳ vọng lại là một sự thất vọng, với các thông số phù hợp với việc không có bầu không khí nào cả. Nhưng dù sao đó cũng là một bước tiến đáng chú ý đối với khoa học, đồng thời cũng là một bước gợi ý rằng "kịch bản ác mộng" của JWST đối với việc khám phá ngoại hành tinh có thể trở thành sự thật.

Hãy tạm dừng một chút để nói về “kịch bản trong mơ” cho JWST sẽ như thế nào. Ngoài kia trong vũ trụ, có nhiều hành tinh hơn các ngôi sao, với hầu hết mọi ngôi sao hình thành đủ muộn - từ vật chất đã được làm giàu đầy đủ, tức là có đủ nguyên tố nặng được tổng hợp bởi các thế hệ sao trước - chứa nhiều hành tinh có kích thước và khoảng cách quỹ đạo khác nhau xung quanh nó. Khi những hành tinh đó quay đến vị trí ngay phía trước ngôi sao (theo quan sát của chúng ta), một phần ánh sáng của ngôi sao bị chặn lại, khiến ngôi sao tạm thời trở nên mờ hơn như trong những lần “nhật thực”.

Nhưng trong khi phần lõi rắn của hành tinh chỉ đơn giản là che khuất ánh sáng sao chiếu vào nó, thì các hành tinh cũng có thể sở hữu bầu khí quyển: một phần mờ đục nhưng một phần trong suốt đối với ánh sáng sao chiếu tới. Khi ánh sáng của các vì sao lọc qua bầu khí quyển của hành tinh đó, các phân tử và nguyên tử có mặt sẽ hấp thụ ánh sáng có bước sóng cụ thể: bước sóng kích thích các electron trong các nguyên tử và phân tử đó. Kết quả là, khi chúng ta chia nhỏ ánh sáng mà chúng ta nhận được bằng phương pháp quang phổ - thành các bước sóng riêng lẻ của nó. Từ đó, chúng ta có thể phát hiện các vạch hấp thụ, cho ta biết những thành phần gì có trong khí quyển nhờ kỹ thuật quang phổ chuyển tiếp.

Với phương pháp này, lần đầu tiên, JWST là đài quan sát trong trường hợp này, kiểm tra ngôi sao có tên LHS 475 và phát hiện hiệu ứng làm mờ nghiêm trọng đó. Mặc dù chỉ có khoảng 0,1% ánh sáng của ngôi sao mẹ bị chặn, nhưng JWST vẫn có thể phát hiện tín hiệu đó một cách rõ ràng, phát hiện hai lần che mờ kéo dài khoảng 40 phút, quan sát sự sụt giảm rõ ràng.

Đó thực sự là một tín hiệu rõ ràng; không còn nghi ngờ gì nữa, LHS 475 có hành tinh xoay quanh. Điều này đánh dấu ngoại hành tinh đầu tiên được JWST chính thức phát hiện và các số liệu thống kê về những gì nó phát hiện ra thực sự cho thấy sức mạnh của JWST để thực hiện nhiều hành tinh tìm kiếm và mô tả hành tinh hơn nữa trong tương lai. Ngoại hành tinh mới, có tên chính thức là LHS 475 b, là: 99% bán kính Trái đất, với sai số chỉ 0,5%; nằm cách xa 40,7 năm ánh sáng; quay xung quanh một ngôi sao lùn đỏ có nhiệt độ vừa phải, ở độ tuổi trung niên, không lóa và ổn định về độ sáng; có khả năng thực hiện quang phổ chuyển tiếp trên nó bằng thiết bị NIRSpec của JWST.

Có thể thực hiện quang phổ chuyển tiếp dẫn đến một loạt các khả năng hấp dẫn. Khi ánh sáng lọc qua một vùng giống như chiếc nhẫn bao quanh hành tinh, nó có thể kích thích cả tính năng phát xạ và hấp thụ tùy thuộc vào loại vật liệu nào có mặt và đặc tính của nó là gì. Sao Kim, Trái đất, Titan (vệ tinh của sao Thổ) và sao Hỏa - nếu chúng đi ngang qua bề mặt của một ngôi sao như LHS 475 - tất cả sẽ dẫn đến các tín hiệu khác nhau. Về nguyên tắc, tất cả các tín hiệu này sẽ được tiết lộ cho một đài quan sát đủ nhạy cảm.

Bầu khí quyển của sao Kim rất giàu mây, chúng sẽ đóng vai trò là một môi trường cực kỳ mờ đục, có lẽ không thể phân biệt được với một hành tinh rắn. Tín hiệu của Trái đất sẽ hiển thị màu đỏ cũng như dấu hiệu của oxy, nitơ và hơi nước, trong khi khí mê-tan và khói mù của titan sẽ cực kỳ dễ nhìn thấy. Tuy nhiên, sao Hỏa với bầu khí quyển carbon dioxide mỏng và một chút nitơ nhỏ sẽ tạo ra tín hiệu nhận dạng rất nhỏ, đòi hỏi thời gian quan sát rất lớn và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cao.

Nhưng nếu thay vào hành tinh đi qua ngôi sao đó là vật thể giống như Mặt trăng hoặc sao Thủy - hoàn toàn không có bầu khí quyển - thì việc thực hiện phép đo quang phổ quá cảnh sẽ dẫn đến quang phổ nhàm chán nhất trong tất cả: một quang phổ hoàn toàn bằng phẳng. Và khi quang phổ của LHS 475 b được thiết bị NIRSpec của JWST lấy, đó chính xác là những gì nó quan sát được: một quang phổ nhất quán 100% là hoàn toàn phẳng.

Mặc dù các nhà khoa học hy vọng rằng các hành tinh có kích thước bằng Trái đất mà họ đang tìm kiếm với JWST sẽ sở hữu bầu khí quyển phong phú và đa dạng, nhưng hành tinh đầu tiên này đã mang lại kết quả hoàn toàn ngược lại: đó có thể chỉ là một quả cầu vật chất rắn quay quanh ngôi sao LHS 475. Các quan sát loại trừ khả năng tồn tại bầu khí quyển xung quanh hành tinh này và nếu có thì chỉ có thể tồn tại bầu khí quyển giống như sao Hỏa, mỏng và rất nhiều carbon dioxide.

Về mặt kỹ thuật, đây là một kết quả rất tốt đẹp. Trước JWST, chỉ những hành tinh lớn, khổng lồ với một lượng lớn khí xung quanh chúng mới có thể thực hiện quang phổ chuyển tiếp. Các tính năng đáng kinh ngạc của JWST cho phép chúng ta khám phá hết từ các thế giới có kích thước bằng sao Mộc đến các thế giới có kích thước bằng Trái đất trong nhiệm vụ đo lường nội dung của bầu khí quyển ngoại hành tinh và đã thực hiện thành công. Việc hành tinh đầu tiên được JWST phát hiện không có bầu khí quyển không phải là lỗi của kính thiên văn hay của các nhà nghiên cứu.

Có một số khả năng giải thích tại sao điều này có thể xảy ra, và trong khi một số khả năng khá tầm thường, thì khả năng cao nhất thực sự có thể là kịch bản ác mộng. Tuy nhiên, viễn cảnh trong mơ là tất cả các hành tinh có kích thước bằng Trái đất đều có bầu khí quyển đa dạng, phong phú giống như hai thế giới có kích thước bằng Trái đất trong Hệ Mặt trời của chúng ta (sao Kim và Trái đất) đã thành ác mộng.

Khả năng lạc quan nhất còn lại đáng được xem xét là hành tinh mới được phát hiện này, LHS 475 b, thực sự có bầu khí quyển và JWST sẽ có thể phát hiện ra nó. Quang phổ mà nó có thể thu được chỉ có thể thu được trong những khoảnh khắc ngắn ngủi mà hành tinh đi qua ngôi sao của nó và với hai lần đi qua trong khoảng 40 phút, đơn giản là không có nhiều thời gian để thu được tín hiệu cần thiết. Trong quá trình thu thập dữ liệu này, JWST vẫn chưa thấy mức độ ồn của nó xuất hiện, vì vậy có thể thu thập thêm dữ liệu từ các lần chuyển tiếp được quan sát sau đó có thể tiết lộ bầu khí quyển và thậm chí một bầu khí quyển gần như chỉ có carbon dioxide sẽ là một cuộc cách mạng trong việc thông báo cho chúng ta hiểu biết về các hành tinh.

Ít lạc quan hơn, có thể trường hợp ngoại hành tinh đặc biệt này không có bầu khí quyển, nhưng có nhiều hoặc thậm chí hầu hết các thế giới có kích thước bằng Trái đất ngoài kia (phần lớn trong số đó sẽ được tìm thấy xung quanh các ngôi sao lùn đỏ có khối lượng thấp) thực sự như vậy. Trong kịch bản này, chỉ vì những lý do tương tự như tại sao sao Thủy không có bầu khí quyển mà LHS 475 b không có bầu khí quyển: bởi vì hành tinh này quá gần với ngôi sao chủ và lại có khối lượng quá thấp nên không thể giữ lại bầu khí quyển sau hàng tỷ năm bị bắn phá bởi các hạt bức xạ và gió từ ngôi sao chủ.

Chúng ta có mọi lý do để mong đợi rằng các hành tinh cỡ Trái đất quay xung quanh các ngôi sao giống Mặt trời sẽ có thể tạo ra và duy trì bầu khí quyển, nhưng có một câu hỏi lớn là liệu điều này cũng có thể xảy ra xung quanh các ngôi sao lùn đỏ hay không. Các sao lùn đỏ có khối lượng thường thấp hơn ~40% khối lượng Mặt trời, có xu hướng quay nhanh, bùng phát thường xuyên và chắc chắn sẽ khóa thủy triều bất kỳ hành tinh nào nằm bên trong quỹ đạo có khả năng tồn tại sự sống. Đáng buồn là phần lớn các hành tinh có kích thước Trái đất trong thiên hà và vũ trụ lại có sao chủ dạng lùn đỏ.

Đó là lý do tại sao kịch bản ác mộng, thật không may, lại có khả năng xảy ra một cách đáng sợ. JWST, dù tuyệt vời như thế nào, vẫn có một số khả năng hạn chế. Nó có khả năng phát hiện các hành tinh có kích thước bằng Trái đất đi qua bề mặt của các ngôi sao nhỏ như sao lùn đỏ, bởi vì hành tinh này chặn một phần đáng kể ánh sáng của ngôi sao: khoảng 0,1%. Nhưng nếu ngôi sao lớn hơn Mặt trời thì tỷ lệ ánh sáng mà một hành tinh có kích thước bằng Trái đất có thể chặn sẽ thấp hơn nhiều và JWST sẽ không thể phân giải. Nói cách khác, các hành tinh có kích thước bằng Trái đất xung quanh các ngôi sao có kích thước bằng Mặt trời là vô hình đối với JWST.

Và do đó, có khả năng đáng sợ này là JWST có thể chỉ đủ khả năng xem xét các thế giới có kích thước bằng Trái đất chỉ xung quanh các ngôi sao lùn đỏ và trên các quỹ đạo tương đối chặt chẽ, và các hành tinh đó hầu như đều là các thế giới không có không khí. Người ta vẫn chưa biết liệu một hành tinh có kích thước bằng Trái đất có quỹ đạo tương đối gần với một ngôi sao lùn đỏ có thể giữ bầu khí quyển trong khi bị khóa thủy triều và liên tục bị bắn phá bởi gió và bức xạ của sao lùn đỏ hay không.

Nói cách khác, các hành tinh đá duy nhất mà JWST có thể thực hiện thành công phép đo quang phổ chuyển tiếp có thể thuộc cùng loại: ấm áp, xung quanh một sao lùn đỏ, bị khóa thủy triều và hoàn toàn không có không khí. Trong kịch bản ác mộng này, JWST sẽ không bao giờ phát hiện thành công bầu khí quyển của một hành tinh có kích thước bằng Trái đất.

Thực ra, chúng ta vẫn đang ở giai đoạn đầu của khoa học về quang phổ chuyển tiếp xung quanh các thế giới có kích thước bằng Trái đất. Nhiều ngoại hành tinh đi qua xung quanh các sao lùn đỏ rất mát mẻ và ở xa, vì vậy ngay cả khi viễn cảnh ác mộng là đúng với các hành tinh nóng, thì những hành tinh lạnh hơn vẫn có thể sở hữu bầu khí quyển. Khi chúng ta có JWST mạnh hơn thì chúng ta có thể khám phá ra thành phần những hành tinh lạnh quay quanh sao lùn đỏ hay cả những hành tinh có kích thước như Trái đất quay quanh những ngôi sao có kích thước lớn hơn Mặt trời.

Anh Tú (dịch)