JWST phát hiện dấu hiệu bầu khí quyển Trappist-1e trong vùng có thể chứa nước

Nghiên cứu mới sử dụng kính viễn vọng mạnh mẽ JWST của NASA đã xác định một hành tinh cách 41 năm ánh sáng có thể có bầu khí quyển. Hành tinh này nằm trong vùng sinh sống được, khu vực quanh sao nơi nhiệt độ cho phép nước lỏng tồn tại trên bề mặt thế giới đá. Điều này quan trọng vì nước là thành phần then chốt hỗ trợ sự sống.

Nếu được xác nhận qua các quan sát tiếp theo, đây sẽ là hành tinh đá đầu tiên trong vùng sinh sống được được biết đến có bầu khí quyển. Các kết quả đến từ hai nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Astrophysical Journal Letters.

"Vùng sinh sống được" được xác định một phần bởi phạm vi nhiệt độ do sao tạo ra. Vùng này nằm ở khoảng cách đủ xa để không quá nóng, không quá lạnh (do đó đôi khi còn gọi là "vùng Goldilocks").

Nhưng các ngoại hành tinh có khả năng duy trì nước lỏng thường cũng cần một bầu khí quyển với hiệu ứng nhà kính đủ mạnh. Hiệu ứng nhà kính tạo thêm nhiệt bằng cách hấp thụ và phát xạ từ các khí trong khí quyển, giúp ngăn nước bốc hơi vào không gian.

Cùng với một nhóm quốc tế, chúng tôi đã hướng kính JWST – kính thiên văn không gian lớn nhất – vào hành tinh mang tên Trappist-1e. Chúng tôi muốn xác định liệu thế giới đá này, nằm trong vùng sinh sống được của sao chủ, có bầu khí quyển hay không. Hành tinh này là một trong bảy thế giới đá được biết đến quay quanh sao lùn đỏ nhỏ, mát Trappist-1.

Các ngoại hành tinh đá rất phổ biến trong dải Ngân hà. Việc kính Kepler và TESS phát hiện nhiều ngoại hành tinh đá trong thập kỷ 2010 đã mang lại cái nhìn sâu sắc về vị trí của chúng ta trong Vũ trụ.

Hầu hết các ngoại hành tinh đá mà chúng ta tìm thấy cho đến nay đều quay quanh sao lùn đỏ, vốn mát hơn Mặt Trời (thường khoảng 2500°C so với 5600°C của Mặt Trời). Không phải vì hành tinh quanh sao giống Mặt Trời hiếm mà bởi lý do kỹ thuật, dễ tìm và nghiên cứu hơn hành tinh quanh sao nhỏ.

Sao lùn đỏ cũng có ưu thế khi đo đạc tính chất của hành tinh. Vì sao mát, vùng sinh sống được của chúng nằm rất gần sao, nên một 'năm' của hành tinh đá có nhiệt độ tương tự Trái Đất có thể chỉ kéo dài vài ngày đến một tuần thay vì 365 ngày.

Phương pháp truyền qua

Một cách để phát hiện ngoại hành tinh là đo lượng ánh sáng giảm nhẹ khi hành tinh đi ngang trước sao chủ. Vì hành tinh quanh sao lùn đỏ hoàn thành quỹ đạo nhanh hơn, các nhà thiên văn có thể quan sát nhiều lần truyền qua trong thời gian ngắn, từ đó thu thập dữ liệu dễ dàng hơn.

Trong quá trình truyền qua, các nhà khoa học đo sự hấp thụ ánh sáng của các khí trong bầu khí quyển (nếu có). Sự hấp thụ là quá trình khi một số khí chặn ánh sáng ở bước sóng nhất định, giúp phát hiện các khí hiện diện.

Quan trọng là, sao càng nhỏ, tỉ lệ ánh sáng bị hành tinh chặn càng lớn, làm cho việc phát hiện bầu khí quyển dễ hơn. Vì vậy, sao lùn đỏ là nơi lý tưởng để tìm bầu khí quyển của ngoại hành tinh đá.

Hệ Trappist-1 ở khoảng cách khá gần, 41 năm ánh sáng từ Trái Đất, đã thu hút sự chú ý kể từ khi phát hiện năm 2016. Ba trong số các hành tinh, Trappist-1d, Trappist-1e và Trappist-1f, nằm trong vùng sinh sống được.

Kể từ 2022, JWST đã tiến hành khảo sát để tìm bầu khí quyển trên các hành tinh Trappist-1. Kết quả cho ba hành tinh gần sao nhất cho thấy có lẽ chỉ là tảng đá trơ với bầu khí quyển rất mỏng. Nhưng các hành tinh ở xa hơn, chịu ít bức xạ và bão sao hơn, vẫn có khả năng có bầu khí quyển.

Chúng tôi quan sát Trappist-1e bốn lần từ tháng 6 đến tháng 10 năm 2023. Dữ liệu ngay lập tức bị ảnh hưởng bởi 'nhiễu sao', do vùng hoạt động nóng và lạnh trên bề mặt sao (tương tự vết sao), đòi hỏi phân tích cẩn thận. Cuối cùng, nhóm mất hơn một năm để tách tín hiệu của sao khỏi tín hiệu của hành tinh.

Phổ truyền qua của JWST, đã hiệu chỉnh nhiễu sao, cho thấy hai khả năng. Đường xanh lượn sóng gợi ý tín hiệu bầu khí quyển, trong khi đường cam phẳng cho thấy không có bầu khí quyển. Phần trắng hiển thị vùng chồng lấn của hai khả năng, thể hiện thách thức trong việc diễn giải quan sát đầu tiên này.

Chúng tôi đang chứng kiến hai giải thích khả dĩ cho Trappist-1e. Khả năng thú vị nhất là hành tinh có bầu khí quyển thứ cấp chứa các phân tử nặng như nitơ và méthan. Tuy nhiên, bốn quan sát hiện tại chưa đủ chính xác để loại trừ giả thuyết tảng đá trơ.

Nếu Trappist-1e thực sự có bầu khí quyển, đây sẽ là lần đầu tiên chúng ta tìm thấy bầu khí quyển trên hành tinh đá trong vùng sinh sống được của sao khác.

Vì Trappist-1e nằm chắc chắn trong vùng sinh sống được, bầu khí quyển đủ dày với hiệu ứng nhà kính thích hợp có thể cho phép nước lỏng tồn tại trên bề mặt. Để xác định tính khả sinh, chúng ta cần đo nồng độ các khí nhà kính như CO₂ và CH₄. Các quan sát ban đầu là bước quan trọng, nhưng cần thêm dữ liệu từ JWST để khẳng định bầu khí quyển và đo chính xác nồng độ khí.

Ngay lúc này, 15 lần truyền qua Trappist-1e nữa đang được tiến hành và dự kiến hoàn thành vào cuối 2025. Theo dõi sử dụng chiến lược khác, quan sát liên tiếp Trappist-1b (tảng đá trơ) và Trappist-1e. Phương pháp này giúp chúng ta dùng Trappist-1b để dò vùng hoạt động của sao, sau đó tín hiệu hấp thụ thặng dư chỉ xuất hiện khi Trappist-1e truyền qua sẽ được ghi nhận là khí quyển.

Như vậy, trong hai năm tới, chúng ta sẽ có bức tranh rõ hơn về Trappist-1e và cách nó so sánh với các hành tinh đá trong hệ Mặt Trời.

Tác động đối với cộng đồng Việt Nam

Việc JWST phát hiện dấu hiệu bầu khí quyển trên Trappist-1e mở ra những cơ hội nghiên cứu sâu về ngoại hành tinh đá và khả năng sinh sống ngoài hệ Mặt Trời. Đối với cộng đồng khoa học và giáo dục tại Việt Nam, kết quả này:

• Kích thích chương trình giảng dạy thiên văn học, thúc đẩy sinh viên và nhà nghiên cứu tìm hiểu phương pháp quang phổ truyền qua.
• Tạo đà hợp tác quốc tế, giúp các viện nghiên cứu Việt Nam tham gia dự án quan sát và phân tích dữ liệu JWST.
• Góp phần nâng cao nhận thức xã hội về tầm quan trọng của khám phá không gian và ứng dụng công nghệ vũ trụ.

Trong dài hạn, việc Việt Nam phát triển đội ngũ chuyên gia có kinh nghiệm xử lý dữ liệu JWST giúp thúc đẩy ngành công nghệ vũ trụ và có thể mở ra cơ hội hợp tác trong các sứ mệnh quốc tế tương lai.