Kính viễn vọng James Webb lần đầu phát hiện 'nước bán nặng' trên ngoại hành tinh WASP-39b – đòn bẩy mới cho cuộc săn tìm thế giới có thể sống được

Lần đầu tiên phát hiện HDO trên ngoại hành tinh

Một nhóm nhà thiên văn học quốc tế đã phân tích quang phổ truyền dẫn từ nhiều thiết bị của JWST – bao gồm NIRISS, NIRCam, NIRSpec và MIRI – tập trung vào WASP-39b, một 'Sao Mộc nóng' nằm cách Trái Đất khoảng 700 năm ánh sáng . Lần đầu tiên, họ phát hiện dấu hiệu quang phổ của nước bán nặng (HDO) trong khí quyển của nó .

HDO là một phân tử nước (H₂O) mà một trong hai nguyên tử hydro đã được thay thế bằng deuterium, một đồng vị nặng hơn của hydro (chứa thêm một neutron) . Bản thân tín hiệu phát hiện này có độ tin cậy thống kê cao, với mức ý nghĩa 4,81 sigma (4,81σ) .

Một tỷ lệ deuterium-hydro đầy bất ngờ

Tín hiệu này cho phép các nhà nghiên cứu tính toán tỷ lệ deuterium so với hydro (D/H) trong hơi nước trên WASP-39b. Kết quả thu được là 4,0 +1,3 −1,1 × 10⁻³ . Giá trị này cao hơn đáng kể so với các hành tinh khí khổng lồ trong Hệ Mặt Trời của chúng ta (như Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương). Nó trùng khớp về mặt số học với các giá trị D/H được ghi nhận ở một số môi trường tiền sao và các vật thể trong Hệ Mặt Trời .

Hai giả thuyết hàng đầu giải thích sự giàu deuterium

Bản in trước (preprint) của nghiên cứu đưa ra hai kịch bản khả dĩ để giải thích tại sao khí quyển của WASP-39b lại giàu deuterium đến vậy :

1. Thừa hưởng từ vùng hình thành lạnh giá (Phía ngoài 'đường băng tuyết')
WASP-39b có thể đã hình thành ở xa ngôi sao của nó, trong vùng ngoài lạnh giá của đĩa tiền hành tinh, nằm ngoài 'đường băng tuyết' (snow line – ranh giới mà nước đóng băng). Trong những vùng lạnh giá này, các tảng băng nước giàu deuterium sẽ ngưng tụ ưu tiên và được kết hợp vào các khối vật chất xây dựng nên hành tinh. Sau đó, hành tinh di chuyển vào trong quỹ đạo gần ngôi sao như hiện nay, bảo tồn dấu hiệu deuterium nguyên thủy này .

2. Xử lý đồng vị trong khí quyển qua thời gian
Một khả năng khác là sự giàu deuterium có thể là kết quả của các quá trình trong khí quyển diễn ra trong suốt lịch sử của hành tinh. Các phản ứng quang hóa ở tầng khí quyển trên, kết hợp với sự xáo trộn theo chiều thẳng đứng và sự thoát ra ưu tiên của hydro nhẹ hơn vào không gian, có thể dần dần làm tăng sự phong phú của đồng vị deuterium nặng hơn trong khí quyển mà JWST quan sát được ngày nay .

Bằng chứng về khái niệm cho việc tìm kiếm thế giới có thể sống được

Điều quan trọng cần lưu ý là WASP-39b là một hành tinh khí nóng bỏng, không thể sinh sống được theo bất kỳ định nghĩa nào đã biết . Tuy nhiên, phát hiện này là một cột mốc quan trọng cho tương lai của khoa học ngoại hành tinh .

Phương pháp được sử dụng để phát hiện HDO và đo tỷ lệ D/H không chỉ giới hạn ở các hành tinh khí khổng lồ. Tỷ lệ D/H là một chất đánh dấu mạnh mẽ để truy tìm lịch sử nước của một hành tinh. Trên Trái Đất, tỷ lệ D/H của đại dương cung cấp bằng chứng quan trọng về cách nước của chúng ta được đưa đến, phân biệt giữa các nguồn như tiểu hành tinh và sao chổi .

Bằng cách áp dụng cùng một kỹ thuật cho một ngoại hành tinh đá ôn hòa trong tương lai, các nhà thiên văn học có thể trả lời những câu hỏi cơ bản:

• Nguồn gốc của nước: Nước đến từ các khối vật chất giàu băng được thừa hưởng từ vùng ngoài của hệ hành tinh?
• Xử lý bởi sao chủ: Bức xạ của ngôi sao chủ đã làm thay đổi nước trong suốt thời gian tồn tại của hành tinh?
• Mất khí quyển: Hành tinh đã mất một lượng đáng kể hydro nhẹ vào không gian?

Những manh mối này rất cần thiết để đánh giá liệu một thế giới đá có thể duy trì nước lỏng trên bề mặt của nó và từ đó có khả năng hỗ trợ sự sống hay không . Phát hiện HDO trên WASP-39b chứng minh rằng JWST có độ nhạy để theo dõi dấu hiệu đồng vị quan trọng này, đưa chúng ta tiến một bước gần hơn đến việc nhận biết khả năng sinh sống của những thế giới ngoài Hệ Mặt Trời.