Kính viễn vọng Webb phát hiện ngoại hành tinh có nhiệt độ tăng vọt hơn 600°C chỉ trong vài giờ

Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) của NASA vừa ghi lại một trong những sự kiện thời tiết khắc nghiệt nhất từng được quan sát trong vũ trụ: một ngoại hành tinh bị 'nung' nóng tới hơn 600°C chỉ trong vài giờ khi lao sát ngôi sao của nó. Hành tinh khí khổng lồ mang tên HD 80606 b, nằm cách Trái đất 217 năm ánh sáng trong chòm Đại Hùng (Ursa Major), sở hữu quỹ đạo elip kỳ dị giống như sao chổi. Webb đã quan sát toàn bộ cú lao tới gần ngôi sao, ghi nhận nhiệt độ tăng vọt tới 1.100 độ Fahrenheit (khoảng 600 độ C) trong thời gian thực .

Phát hiện này là một cột mốc quan trọng trong lĩnh vực khoa học ngoại hành tinh, chứng minh khả năng của Webb trong việc theo dõi sự phát triển nhanh chóng của khí quyển dưới những điều kiện khắc nghiệt nhất.

Hành tinh trên quỹ đạo 'như sao chổi'

Không giống những 'Sao Mộc nóng' (hot Jupiter) thông thường – vốn bay quanh ngôi sao trên quỹ đạo tròn tương đối ổn định – HD 80606 b có một trong những quỹ đạo elip nhất từng được phát hiện, với độ lệch tâm lên tới 0,93 . Độ lệch tâm này có nghĩa là khoảng cách giữa hành tinh và ngôi sao biến thiên dữ dội: khi ở điểm gần nhất (periastron), nó chỉ cách ngôi sao 0,03 AU (khoảng 4,5 triệu km); nhưng khi ở điểm xa nhất (apoastron), khoảng cách lên tới 0,88 AU, xa hơn cả quỹ đạo của Sao Kim so với Mặt Trời .

Kết quả là hành tinh này phải trải qua một sự thay đổi về bức xạ sao gần như gấp 1.000 lần chỉ trong một chu kỳ quỹ đạo 111 ngày . Trước Webb, kính viễn vọng không gian Spitzer của NASA đã nghiên cứu hệ thống này vào năm 2007 và 2009, gọi cú đốt nóng cận sao này là 'một ngày hè siêu hạng' . Spitzer đã đo được sự thay đổi nhiệt qua ánh sáng hồng ngoại trong 30 giờ liên tục, tiết lộ một cơn bão toàn cầu hình thành sau đợt nung nóng . Tuy nhiên, khả năng siêu nhạy và dải phổ siêu rộng của Webb mới cho phép các nhà khoa học 'nhìn sâu' vào hóa học khí quyển trong chính sự kiện nhiệt hoành tráng này.

Hóa học 'tức thời': CO, Methane và Hơi nước

Để ghi lại sự biến hình của hành tinh, các nhà thiên văn đã sử dụng thiết bị NIRSpec (Quang phổ kế cận hồng ngoại) của Webb ở chế độ G395H, quan sát hành tinh trong suốt 21 giờ trung tâm vào thời điểm diễn ra hiện tượng che khuất – một nhật thực nhỏ xảy ra ngay trước khi hành tinh lao tới gần ngôi sao . Kết quả đã thách thức các mô hình dự đoán trước đó.

Trước 'periastron' (điểm gần sao nhất), khi hành tinh còn tương đối mát, phổ phát xạ của nó là một 'vật đen tuyệt đối' (blackbody) không có đặc điểm rõ ràng, tức khí quyển gần như mờ đục và trơ về mặt hóa học. Nhưng ngay khi ngôi sao lớn dần lên trên bầu trời và nhiệt độ tăng vọt, khí quyển bỗng trở nên trong suốt về mặt quang phổ. Phổ phát xạ chuyển đổi, lộ ra những 'dấu vân tay' phân tử riêng biệt .

Phân tích của nhóm nghiên cứu cho thấy, các vạch hấp thụ của CO (carbon monoxide) và CH₄ (methane) hiện ra rõ rệt khi hành tinh đi qua periastron. Cụ thể, methane được phát hiện sau pha tiếp cận gần với độ tin cậy 3,7-4,8 sigma, trong khi carbon monoxide và hơi nước cũng được phát hiện lần lượt ở mức 3,4 và 3,1 sigma . Chuỗi phát hiện này vẽ nên một bức tranh hóa học khí quyển năng động, thay đổi theo thời gian, được kích hoạt bởi xung nhiệt đột ngột.

Đáng chú ý, JWST cũng cho phép các nhà khoa học loại trừ sự tồn tại của một lớp đảo nhiệt mạnh (thermal inversion) – một lớp khí quyển mà nhiệt độ tăng theo độ cao – vốn được dự đoán bởi một số mô hình trước đó . Các lớp đảo nhiệt như vậy thường thấy trên những 'Sao Mộc nóng' bị chiếu xạ mạnh khác, nhưng trường hợp của HD 80606 b dường như là độc nhất: cú đốt nóng dữ dội nhưng quá ngắn ngủi đến nỗi không đủ thời gian để hình thành một lớp đảo nhiệt ổn định, hoặc có thể động lực học khí quyển phân phối nhiệt quá hiệu quả.

Từ Spitzer tới Webb: Một góc nhìn đa thế hệ

Câu chuyện về HD 80606 b là minh chứng cho sự tiến hóa của các kính viễn vọng không gian. Những quan sát hồng ngoại của Spitzer vào năm 2007 và 2009 là lần đầu tiên phát hiện sự thay đổi nhiệt độ toàn cầu và mô hình hóa các cơn bão do sóng xung kích . Các nhà khoa học mô tả một cơn bão khổng lồ hình thành để đáp ứng xung nhiệt, tạo ra các kiểu thời tiết cực đoan.

Đóng góp then chốt của nhóm Webb là chuyển từ đo nhiệt độ sang đo hóa học. Bằng quang phổ truyền dẫn và phát xạ (transmission and emission spectroscopy), Webb hoạt động như một công cụ mạnh mẽ có khả năng xác định đặc điểm của các phân tử cụ thể trong khí quyển . Việc phát hiện một quang phổ chuyển từ 'trơn' sang 'giàu hóa chất' xác nhận rằng bản thân thành phần khí quyển đang bị định hình lại bởi vũ điệu quỹ đạo chỉ trong vài giờ, cung cấp một phòng thí nghiệm không gì sánh kịp để kiểm tra các lý thuyết về động lực học và hóa học khí quyển .

Tại sao điều này quan trọng với khoa học ngoại hành tinh?

HD 80606 b không chỉ là một sự tò mò; nó là một phòng thí nghiệm tự nhiên để nghiên cứu vật lý khí quyển cực đoan. Nhiệt độ hiệu dụng của hành tinh được mô hình hóa có thể tăng vọt từ khoảng 400 K (127°C) lên hơn 1.400 K (1.127°C) chỉ trong vài giờ . Những thay đổi nhiệt nhanh chóng này được dự đoán sẽ tạo ra sóng xung kích và nhiễu loạn cực độc trong khí quyển, những hiện tượng rất khó mô hình hóa và chưa từng được quan sát chi tiết như vậy trước khi có Webb .

Phát hiện này đóng góp vào sứ mệnh rộng lớn hơn của Webb trong việc mô tả đặc điểm khí quyển ngoại hành tinh trên nhiều điều kiện khác nhau. Trong khi Webb đã quan sát những thế giới cực đoan khác như WASP-121 b, một 'Sao Mộc siêu nóng' đang mất đi bầu khí quyển thành hai chùm khí heli, hay TOI-199 b, một hành tinh khối lượng Sao Thổ có bầu khí quyển giàu methane , thì HD 80606 b đứng riêng biệt ở chỗ nó cho thấy một sự 'đảo mùa' hóa học hoàn toàn do một quỹ đạo có độ lệch tâm cực cao gây ra.

Bằng cách ghi lại khoảnh khắc trước, trong và sau mùa hè địa ngục này, Webb đã tặng các nhà thiên văn một 'thước phim' theo thời gian về một khí hậu thay đổi nhiều hơn trong một ngày so với Trái đất trong hàng triệu năm. Thời gian chính xác của các quan sát này là nhờ một mạng lưới kính viễn vọng toàn cầu giúp tính toán cực kỳ chính xác quỹ đạo của hành tinh, đảm bảo Webb không bỏ lỡ khoảnh khắc cận sao ngắn ngủi nhưng quan trọng .

Chiến dịch thành công này minh họa cho sự kết hợp tuyệt vời giữa sự chuẩn bị mặt đất tỉ mỉ và sức mạnh không gian của Webb, đẩy lùi ranh giới kiến thức của chúng ta vào những hệ thống thời tiết khắc nghiệt nhất trong Ngân Hà.