Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Khi các nhà thiên văn học tăng cường nghiên cứu về bầu khí quyển của các hành tinh nóng, giống như Sao Mộc xung quanh các ngôi sao khác, chúng gặp phải những đám mây che khuất nghiên cứu về khí quyển. Một mô hình máy tính mới xem xét các đề xuất về thành phần đám mây – từ sương khói đến hồng ngọc – và thấy rằng rất có thể, trong một phạm vi nhiệt độ lớn, là các đám mây silicat: aerosol của silic và oxy, như thạch anh nóng chảy hoặc cát. Các ngoại hành tinh nóng nhất có bầu trời rõ ràng; mát nhất có mối nguy hydrocarbon.
Các hành tinh khổng lồ trong hệ mặt trời của chúng ta và các ngôi sao khác bao quanh có những đám mây kỳ lạ không giống bất cứ thứ gì trên Trái đất và những “người” khổng lồ khí quay quanh các ngôi sao của chúng – cái gọi là Sao Mộc nóng – tự hào nhất.
Một nhóm các nhà thiên văn học đến từ Hoa Kỳ, Canada và Vương quốc Anh hiện đã đưa ra một mô hình dự đoán loại nào trong số nhiều loại mây được đề xuất từ sapphire đến sương mù mêtan, để mong đợi các sao Mộc nóng ở nhiệt độ khác nhau, lên đến hàng ngàn độ Kelvin.
Đáng ngạc nhiên, loại đám mây phổ biến nhất dự kiến trong một phạm vi nhiệt độ lớn nên bao gồm các giọt chất lỏng hoặc rắn của silic và oxy, như thạch anh nóng chảy hoặc cát nóng chảy. Trên các sao Mộc nóng lạnh, dưới khoảng 950 Kelvin (1.250 độ F), bầu trời bị chi phối bởi một đám mây hydrocarbon, về cơ bản là sương mù.
Mô hình này sẽ giúp các nhà thiên văn học nghiên cứu các loại khí trong khí quyển của những thế giới xa lạ và xa xôi này, vì các đám mây cản trở các phép đo thành phần khí quyển. Nó cũng có thể giúp các nhà khoa học hành tinh hiểu được bầu khí quyển của các hành tinh khổng lồ lạnh hơn và các mặt trăng của chúng, như sao Mộc và mặt trăng Titan của sao Thổ trong hệ mặt trời của chúng ta.
“Các loại mây có thể tồn tại trong những bầu khí quyển nóng này là những thứ mà chúng ta không thực sự nghĩ là các đám mây trong hệ mặt trời”, Peter Gao, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học California, Berkeley, tác giả đầu tiên của một bài báo mô tả mô hình xuất hiện ngày 25 tháng 5 trên tạp chí Thiên văn học thiên nhiên (Nature Astronomy) chia sẻ. “Đã có những mô hình dự đoán các tác phẩm khác nhau, nhưng quan điểm của nghiên cứu này là đánh giá thành phần nào trong số các tác phẩm này thực sự quan trọng và so sánh mô hình với dữ liệu có sẵn mà chúng tôi có.”
Nghiên cứu tận dụng sự bùng nổ trong thập kỷ qua trong nghiên cứu về khí quyển ngoại hành tinh. Mặc dù các ngoại hành tinh quá xa và mờ không nhìn thấy được, nhiều kính viễn vọng – đặc biệt là Kính viễn vọng Không gian Hubble – có thể tập trung vào các ngôi sao và chụp ánh sáng sao đi qua bầu khí quyển của các hành tinh khi chúng đi qua phía trước các ngôi sao của chúng. Các bước sóng ánh sáng được hấp thụ, được tiết lộ bằng các phép đo phổ, cho các nhà thiên văn học biết các yếu tố nào tạo nên bầu khí quyển. Cho đến nay, kỹ thuật này và các kỹ thuật khác đã tìm thấy hoặc suy ra sự hiện diện của nước, metan, carbon monoxide và carbon dioxide, kali và khí natri và, trong các hành tinh nóng nhất, oxit nhôm, sắt và titan bốc hơi.
Nhưng trong khi một số hành tinh dường như có bầu khí quyển rõ ràng và các đặc điểm quang phổ rõ ràng, nhiều hành tinh có các đám mây ngăn chặn hoàn toàn quá trình lọc ánh sao qua, ngăn cản việc nghiên cứu các loại khí bên dưới các tầng mây phía trên. Các thành phần của khí có thể cho các nhà thiên văn học biết các ngoại hành tinh hình thành như thế nào và liệu các khối xây dựng của sự sống có hiện diện xung quanh các ngôi sao khác hay không.
Gao nói thêm: “Chúng tôi đã tìm thấy rất nhiều đám mây: một số loại hạt – không phải phân tử, mà là những giọt nhỏ – đang lơ lửng trong những bầu khí quyển này. Chúng tôi không thực sự biết chúng được làm từ gì, nhưng chúng làm ô nhiễm các quan sát của chúng tôi, về cơ bản khiến chúng tôi khó đánh giá thành phần và sự phong phú của các phân tử quan trọng, như nước và metan.”
Mây mây
Để giải thích những quan sát này, các nhà thiên văn học đã đề xuất nhiều loại đám mây kỳ lạ bao gồm các oxit nhôm, chẳng hạn như corundum, thứ của hồng ngọc và saphia; muối nóng chảy, chẳng hạn như kali clorua; các oxit silic, hoặc silicat, như thạch anh, thành phần chính của cát; sunfua của mangan hoặc kẽm tồn tại dưới dạng đá trên Trái đất; và các hợp chất hydrocarbon hữu cơ. Những đám mây có thể là aerosol lỏng hoặc rắn.
Các mô hình máy tính thích nghi Gao ban đầu được tạo ra cho các đám mây nước của Trái đất và sau đó mở rộng đến bầu khí quyển của các hành tinh như Sao Mộc, nơi có các đám mây amoniac và metan. Ông đã mở rộng mô hình hơn nữa đến nhiệt độ cao hơn nhiều trên các hành tinh khí nóng khổng lồ – lên tới 2.800 Kelvin, hoặc 4.600 độ F (2.500 độ C) – và các yếu tố có khả năng ngưng tụ thành mây ở những nhiệt độ này.
Mô hình tính đến cách các khí của các nguyên tử hoặc phân tử khác nhau ngưng tụ thành các giọt, cách các giọt này phát triển hoặc bay hơi và liệu chúng có khả năng được vận chuyển trong khí quyển bởi gió hoặc cập nhật, hoặc chìm vì trọng lực.
Ý tưởng là các nguyên tắc vật lý tương tự hướng dẫn sự hình thành của tất cả các loại đám mây. Những gì Gao đã làm là đưa mô hình này và đưa nó ra phần còn lại của thiên hà, khiến nó có thể mô phỏng các đám mây silicat và mây sắt và mây muối.
Sau đó, ông so sánh dự đoán của mình với dữ liệu có sẵn trên 30 ngoại hành tinh trong tổng số khoảng 70 ngoại hành tinh chuyển tiếp với phổ truyền được ghi lại cho đến nay.
Mô hình tiết lộ rằng nhiều đám mây kỳ lạ được đề xuất trong nhiều năm qua rất khó hình thành vì năng lượng cần thiết để ngưng tụ khí quá cao. Tuy nhiên, các đám mây silicat ngưng tụ dễ dàng và chiếm ưu thế trong phạm vi nhiệt độ 1.200 độ Kelvin: từ khoảng 900 đến 2.000 Kelvin. Đó là một phạm vi khoảng 2.000 độ Fahrenheit.
Theo mô hình, trong khí quyển nóng nhất, các oxit nhôm và oxit titan ngưng tụ thành các đám mây cấp cao. Trong các ngoại hành tinh có bầu khí quyển mát hơn, những đám mây đó hình thành sâu hơn trong hành tinh và bị che khuất bởi những đám mây silicat cao hơn. Trên các ngoại hành tinh thậm chí mát hơn, những đám mây silicat này cũng hình thành sâu hơn trong bầu khí quyển, để lại bầu khí quyển phía trên rõ ràng. Ở nhiệt độ thậm chí mát hơn, ánh sáng cực tím từ ngôi sao của ngoại hành tinh chuyển đổi các phân tử hữu cơ như metan thành chuỗi hydrocarbon cực dài tạo thành khói mù cao cấp giống như khói bụi. Sương khói này có thể che khuất những đám mây muối thấp hơn kali hoặc natri clorua.
Đối với những nhà thiên văn học đang tìm kiếm một hành tinh không mây để dễ dàng nghiên cứu các loại khí trong khí quyển, Gao đề nghị tập trung vào các hành tinh trong khoảng 900 đến 1.400 Kelvin, hoặc những nơi nóng hơn khoảng 2.200 Kelvin.
Đồng tác giả Hannah Wakeford, một nhà vật lý thiên văn tại Đại học Bristol ở Anh cho biết: “Sự hiện diện của các đám mây đã được đo trong một số bầu khí quyển ngoài hành tinh trước đây, nhưng đó là khi chúng ta nhìn chung vào một mẫu lớn mà chúng ta có thể tách rời vật lý và hóa học trong bầu khí quyển của các thế giới này. Loài mây chiếm ưu thế cũng phổ biến như cát – về cơ bản là cát – và sẽ rất thú vị khi lần đầu tiên có thể đo được chữ ký quang phổ của các đám mây thời gian với Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) sắp tới. “
Các quan sát trong tương lai, chẳng hạn như những quan sát của JWST của NASA, dự kiến ra mắt trong vòng một vài năm, sẽ có thể xác nhận những dự đoán này và có thể làm sáng tỏ các lớp hành tinh đám mây ẩn gần nhà hơn. Gao nói rằng những đám mây kỳ lạ tương tự có thể tồn tại ở độ sâu trong Sao Mộc hoặc Sao Thổ, nơi nhiệt độ gần với nhiệt độ được tìm thấy trên Sao Mộc nóng.
Bởi vì có hàng ngàn ngoại hành tinh so với chỉ một sao Mộc, các nhà khoa học có thể nghiên cứu một loạt chúng và xem mức trung bình là bao nhiêu và so sánh với sao Mộc.
Ông và các đồng nghiệp của mình có kế hoạch thử nghiệm mô hình dựa trên dữ liệu quan sát từ các ngoại hành tinh khác và cả từ các sao lùn nâu, về cơ bản là các hành tinh khí khổng lồ, chúng gần như là những ngôi sao. Chúng cũng vậy, có những đám mây.
Trong nghiên cứu bầu khí quyển hành tinh trong hệ mặt trời, chúng ta thường có bối cảnh của hình ảnh. Chúng ta không có may mắn như vậy với các ngoại hành tinh. Chúng chỉ là những chấm hoặc bóng. Đó là một sự mất mát lớn về thông tin. Nhưng cái chúng ta phải bù cho đó là cỡ mẫu lớn hơn nhiều. Và điều đó cho phép chúng ta tìm kiếm xu hướng – ở đây, một xu hướng trong mây – với nhiệt độ hành tinh, thứ gì đó mà chúng ta chỉ không có sự sang trọng trong hệ mặt trời của chúng ta.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học California – Berkeley . Bản gốc được viết bởi Robert Sanders. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :