Hành trình SPHEREx giải mã khí quyển sao lùn nâu từ không gian

Vào thập niên 1990, ngành thiên văn học đánh dấu một bước ngoặt lịch sử khi các nhà khoa học lần đầu tiên xác nhận sự tồn tại của sao lùn nâu—những thiên thể nằm ở ranh giới giữa ngôi sao tỏa sáng và hành tinh khí khổng lồ. Trong nhiều thập kỷ sau đó, nỗ lực tìm hiểu bầu khí quyển của các thế giới trôi dạt tự do này gặp phải thách thức lớn từ chính lớp hơi nước trong khí quyển Trái Đất. Câu hỏi trung tâm đặt ra là làm thế nào kính thiên văn không gian SPHEREx có thể bóc tách thành phần hóa học của các sao lùn nâu từ quỹ đạo mà các đài quan sát mặt đất không thể thực hiện? Lời giải đến từ việc SPHEREx vượt ra ngoài tầng khí quyển Trái Đất để ghi nhận ánh sáng ở 102 bước sóng riêng biệt. [1]

Thập niên 1990 và sự phát hiện những thiên thể độc hành

Sự kiện phát hiện sao lùn nâu vào những năm 1990 đã làm thay đổi góc nhìn của cộng đồng thiên văn về quá trình tiến hóa của các thiên thể trong vũ trụ. Sao lùn nâu được sinh ra từ sự sụp đổ trọng lực của các đám mây khí ngưng tụ, tương tự như con đường hình thành nên các ngôi sao thông thường. Tuy nhiên, điểm khác biệt cốt lõi nằm ở khối lượng: sao lùn nâu không đạt đủ độ đậm đặc và khối lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hydro tại lõi—cơ chế giúp Mặt Trời và các ngôi sao duy trì trạng thái phát sáng rực rỡ suốt hàng tỷ năm. [1]

Do không thể duy trì phản ứng hạt nhân ở tâm, những khối khí ấm áp này phát ra nguồn ánh sáng yếu ớt và nguội dần theo thời gian. Chúng chia sẻ nhiều đặc tính khí quyển tương tự các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc và Sao Thổ. Thế nhưng, trong khi các hành tinh quay quanh ngôi sao chủ, hầu hết sao lùn nâu lại trôi dạt cô độc trong không gian tối thẫm. Chúng không thuộc về bất kỳ hệ sao nào và duy trì nhiệt độ hoàn toàn nhờ nguồn nhiệt nội tại tích tụ từ buổi ban đầu. [1]

Bức tường hơi nước và rào cản quan sát từ mặt đất

Khi các nhà thiên văn học bắt đầu tìm cách phân tích chi tiết thành phần hóa học và cấu trúc mây của sao lùn nâu, họ đối mặt với một rào cản tự nhiên vô cùng kiên cố. Các mây trầm tích khí quyển của sao lùn nâu bức xạ năng lượng chủ yếu ở vùng ánh sáng đỏ sâu và dải hồng ngoại. Trớ trêu thay, đây lại chính là dải bước sóng mà lớp hơi nước tích tụ trong tầng khí quyển Trái Đất sẽ hấp thụ mạnh mẽ. [1]

Đối với các kính thiên văn đặt trên mặt đất, hơi nước khí quyển Trái Đất hoạt động giống như một tấm màn che sương mù dày đặc. Ánh sáng mang dấu vết hóa học phát ra từ các lớp mây sâu của sao lùn nâu bị triệt tiêu gần như hoàn toàn trước khi tới được cảm biến của thiết bị đo. Bất chấp sự phát triển của công nghệ kính thiên văn mặt đất, giới nghiên cứu nhận ra rằng cách duy nhất để thu thập đầy đủ phổ quang của các thế giới cô độc này là đưa kính thiên văn rời khỏi mặt đất và hoạt động trực tiếp trong môi trường chân không không gian. [1]

Tháng 3 năm 2025: Sứ mệnh kính thiên văn SPHEREx tiến vào quỹ đạo

Lịch sử quan sát sao lùn nâu bước sang chương mới khi NASA phóng kính thiên văn không gian SPHEREx vào tháng 3 năm 2025. Được quản lý bởi Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) tại Nam California, SPHEREx là thiết bị quan sát hồng ngoại hiện đại được thiết kế để chụp khoảng 3.600 bức ảnh độc bản mỗi ngày, ghép thành bản đồ toàn cảnh bầu trời. Mục tiêu tối cao của sứ mệnh là tái dựng phân bố của hàng trăm triệu thiên hà nhằm tìm hiểu vũ trụ ở thời điểm một phần tỷ tỷ tỷ giây sau Vụ Nổ Lớn, đồng thời tìm kiếm băng liên sao và mầm mống hóa học của sự sống. [1]

Song song với sứ mệnh vũ trụ học rộng lớn, SPHEREx mở ra cơ hội đột phá cho nghiên cứu sao lùn nâu. Trải qua nhiều năm, các đài quan sát không gian như kính thiên văn Spitzer hay kính thiên văn James Webb đã từng ghi nhận hình ảnh của một số sao lùn nâu đơn lẻ. Tuy nhiên, SPHEREx mang lại khả năng quét rộng chưa từng có, chụp ảnh hàng ngàn sao lùn nâu trên dải quang phổ trải dài từ đỏ sâu đến hồng ngoại—khu vực dải phổ mà kính thiên văn mặt đất không thể chạm tới. [1]

102 dải màu tiết lộ bầu khí quyển hóa học phong phú

Trong nghiên cứu được đăng trên tạp chí The Astrophysical Journal, nhóm tác giả do nhà khoa học Zafar Rustamkulov tại trung tâm IPAC thuộc Viện Công nghệ California (Caltech) dẫn đầu đã phân tích dữ liệu quan sát từ SPHEREx đối với 37 sao lùn nâu ở khu vực lân cận. Tập hợp mẫu quan sát này bao phủ toàn bộ dải nhiệt độ đặc trưng của sao lùn nâu, kéo dài từ mức nóng khoảng 2.200 °C cho tới môi trường giá lạnh âm 20 °C. [1]

Kính thiên văn SPHEREx tiến hành đo độ sáng của các thiên thể này ở 102 bước sóng màu sắc khác nhau, kéo dài từ sắc đỏ đậm nhất mà mắt người quan sát được cho tới bức xạ hồng ngoại vô hình. Phổ quang thu được giúp các nhà khoa học bóc tách chữ ký hóa học của từng bầu khí quyển. Dữ liệu khẳng định sự tồn tại rõ nét của hơi nước, cacbon dioxit (CO2), cacbon monoxit (CO) và mêtan (CH4). Sự phân bố của các phân tử này để lại các vạch hấp thụ đặc trưng, thay đổi tùy theo nhiệt độ và độ tuổi của từng sao lùn nâu. [1]

Thách thức mới cho các mô hình khí tượng vũ trụ

Phát hiện từ SPHEREx cho thấy các sao lùn nâu trải qua giai đoạn chuyển đổi khí quyển đầy biến động khi chúng già đi và nguội dần. Lớp mây ngoại lai dần thưa bớt, nhường chỗ cho sự gia tăng mật độ của khí mêtan trong khí quyển. Dù vậy, khi đối chiếu dữ liệu thu được với các mô hình lý thuyết tiên tiến nhất, các nhà nghiên cứu nhận thấy các mô hình chỉ mô phỏng được xu hướng hóa học tổng thể nhưng gặp rất nhiều khó khăn trước các giai đoạn chuyển tiếp mây phức tạp. [1]

Nhà khoa học J. Davy Kirkpatrick, đồng tác giả nghiên cứu tại IPAC, nhấn mạnh rằng không có hai sao lùn nâu nào hoàn toàn giống nhau; ngay cả ở cùng một mức nhiệt độ, phổ quang của chúng vẫn thể hiện tính biệt lập rõ rệt. Việc phân tích 37 thiên thể đầu tiên mới chỉ là khởi đầu trong số hàng ngàn mục tiêu mà SPHEREx đang lưu trữ. Những dữ liệu mới này đang thúc đẩy giới thiên văn điều chỉnh các mô hình khí tượng vũ trụ, nỗ lực giải mã hiện tượng thời tiết trên những thế giới lạnh lẽo và cô độc nhất vũ trụ. [1]