JWST tìm thấy một hành tinh có khí quyển toàn carbon trong một hệ sao 'góa phụ đen'

Khoa học tiến bộ nhờ những dữ liệu không phù hợp với hiểu biết hiện tại của chúng ta. Ít nhất đó là lý thuyết của Thomas Kuhn trong tác phẩm nổi tiếng "Cấu trúc của các cuộc cách mạng khoa học". Vì vậy, các nhà khoa học luôn chào đón những dữ liệu mới thách thức hiểu biết của chúng ta về cách mà vũ trụ vận hành. Một nghiên cứu gần đây - hiện có bản đợi in trên arXiv - sử dụng dữ liệu từ Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) có thể đã phát hiện được chính xác những dữ liệu như vậy. Nghiên cứu này tập trung vào một ngoại hành tinh quay quanh một pulsar mili-giây, và phát hiện rằng bầu khí quyển của nó gần như hoàn toàn được tạo nên từ carbon tinh khiết.

Pulsar được quan sát có tên là PSR J2322-2650, nó thuộc loại được gọi là một hệ "góa phụ đen" (black widow), vì nó tạo ra những vụ bùng phát năng lượng cao bằng cách hút vật chất từ sao láng giềng. Trong trường hợp này, ngôi sao lân cận đó có thể đã bị bào mòn đến mức trở thành một hành tinh đồng hành kiểu "Sao Mộc nóng", quay quanh sao neutron mẹ theo chu kỳ 7,8 giờ. Quá trình hình thành "góa phụ đen" điển hình gồm hai bước: đầu tiên là sao neutron (trong trường hợp này cũng chính là một pulsar) hút vật chất từ sao đồng hành, và tiếp theo là bức xạ gamma năng lượng cao từ sao neutron thiêu đốt các lớp ngoài của người bạn này, để lại một hành tinh có kích thước tương đương Sao Mộc với cấu tạo chủ yếu là heli.

Ngoại hành tinh quay quanh PSR J2322-2650, được đặt tên là PSR J2322-2650b, có kích thước tương đương Sao Mộc và có mật độ giống như một hành tinh chủ yếu được cấu tạo từ heli, đúng như mô hình dự đoán. Tuy nhiên, bầu khí quyển của nó lại hoàn toàn khác biệt so với bất kỳ hành tinh đồng hành nào từng được phát hiện trong các hệ "góa phụ đen". Theo dữ liệu quang phổ từ JWST, bầu khí quyển của hành tinh này chủ yếu chứa carbon nguyên tố, tồn tại dưới dạng tricarbon (C3) hoặc dicarbon (C2).

Thông thường, các dạng phân tử này chỉ được tìm thấy trong đuôi sao chổi hoặc trong các ngọn lửa trên Trái Đất. Sự hiện diện của chúng trong khí quyển một hành tinh, đặc biệt là với nồng độ cao như vậy, là điều hoàn toàn mới mẻ.

Một điểm thú vị khác của khí quyển hành tinh là sự khác biệt giữa mặt ngày và mặt đêm. Ở mặt ngày (mặt luôn hướng về pulsar do hành tinh bị khóa triều), nhiệt độ có thể vượt quá 2000°C và có nhiều dấu hiệu hóa học rõ rệt. Trong khi đó, mặt đêm hầu như không có đặc điểm gì đáng chú ý, cho thấy có thể nó được bao phủ bởi muội than hoặc chất gì đó tương tự, không phản chiếu hoặc hấp thụ ánh sáng một cách rõ rệt.

Để củng cố tính chất kỳ lạ của khí quyển hành tinh, nhóm nghiên cứu đã tính toán các tỷ lệ C/O (carbon/oxy) và C/N (carbon/nitơ). Tỷ lệ C/O lớn hơn 100, trong khi tỷ lệ C/N vượt quá 10.000. Để so sánh, Trái Đất chỉ có tỷ lệ C/O khoảng 0,01 và C/N khoảng 40. Rõ ràng, lượng carbon trên hành tinh này là cực kỳ lớn.

Và điều đó không phù hợp với các mô hình hình thành hành tinh hiện có. Theo lý thuyết "góa phụ đen", các lớp ngoài của hành tinh lẽ ra đã bị sao mẹ hút hết hoặc bị bức xạ thiêu đốt hoàn toàn. Việc một bầu khí quyển giàu carbon như vậy vẫn tồn tại là một bí ẩn. Một số quá trình có thể tạo ra khí quyển dạng này, chẳng hạn như sự hợp nhất giữa hai "sao carbon" dạng sao lùn trắng, nhưng ngay cả mô hình đó cũng không thể giải thích được tỷ lệ C/O cao bất thường như vậy.

Tuy nhiên, một số đặc điểm khác của hành tinh vẫn phù hợp với lý thuyết hiện tại. Các mô hình tuần hoàn khí quyển dự đoán rằng các hành tinh quay nhanh như PSR J2322-2650b sẽ có gió tây mạnh, trái ngược với gió đông thường thấy ở các "Sao Mộc nóng" bị khóa triều khác. Dữ liệu từ JWST cho thấy vùng nóng nhất của hành tinh lệch về phía tây khoảng 12 độ so với điểm chính giữa, đây là bằng chứng quan sát đầu tiên cho hiện tượng gió tây này.

Nói cách khác, PSR J2322-2650b là một nghịch lý khoa học. Nó có kích thước và hình dạng đúng với một hệ pulsar "góa phụ đen" điển hình. Mô hình tuần hoàn khí quyển cũng hoàn toàn phù hợp. Nhưng khí quyển của nó lại là điều hoàn toàn khác biệt, buộc các nhà khoa học phải quay lại lý thuyết để tìm cách giải thích với dữ liệu mới. Trong khi họ còn đang bận rộn làm điều đó, kính thiên văn JWST sẽ tiếp tục quét bầu trời để tìm ra nhiều bất thường khác có thể châm ngòi cho cuộc cách mạng khoa học tiếp theo.

R.T
Theo Livescience