Tín hiệu khí heli rò rỉ từ ngoại hành tinh LHS 1140b mang ý nghĩa gì?

Trong cuộc truy tìm các thế giới tiềm năng ngoài Hệ Mặt Trời, ngoại hành tinh LHS 1140b đã thu hút sự chú ý đặc biệt nhờ tín hiệu khí heli rò rỉ từ khoảng không xung quanh nó. Phát hiện này mang lại cơ hội hiếm hoi để các nhà khoa học tìm hiểu cách một hành tinh đất đá có thể hình thành và duy trì lớp bao bọc khí quyển qua hàng tỷ năm. [1]

LHS 1140b nằm trong chòm sao Kình Ngư (Cetus), quay quanh một ngôi sao lùn đỏ nhỏ mờ. Mặc dù ngôi sao mẹ có khối lượng chỉ bằng khoảng 1/5 Mặt Trời và độ sáng kém tới 300 lần, LHS 1140b vẫn nhận được sự quan tâm lớn vì nó nằm trong vùng sống được — vị trí có khoảng cách thích hợp để nhiệt độ bề mặt có thể giữ nước ở dạng lỏng. Tín hiệu rò rỉ heli dù còn sơ bộ nhưng mở ra hướng đi quan trọng để giải mã bản chất thực sự của thế giới này. [1]

Manh mối về sự tồn tại của khí quyển thứ cấp

Để đánh giá tầm quan trọng của phát hiện khí heli, các nhà thiên văn thường chia khí quyển hành tinh thành hai loại cơ bản. Khi một hành tinh đá mới hình thành từ đĩa bụi khí ban đầu, lực hấp dẫn của nó nhanh chóng thu hút một lớp vỏ khí giàu hydro. Đây được gọi là khí quyển sơ cấp. Tuy nhiên, do hydro rất nhẹ, lớp khí quyển ban đầu này thường bị bức xạ khốc liệt và gió sao từ ngôi sao mẹ thổi bay trong khoảng thời gian ngắn. [1]

Trái lại, khí quyển thứ cấp được hình thành ở giai đoạn muộn hơn nhờ các hoạt động địa chất nội tại như phun trào núi lửa hoặc từ các đợt va chạm với sao chổi. Loại khí quyển này chứa các nguyên tố nặng hơn, có tính chất ổn định và tồn tại lâu dài hơn. Quan sát trước đây từ Kính thiên văn không gian James Webb đã loại trừ khả năng LHS 1140b sở hữu một khí quyển sơ cấp giàu hydro. Vì vậy, sự xuất hiện của dòng khí heli rò rỉ cho thấy hành tinh này có thể đang sở hữu một lớp khí quyển thứ cấp bền vững, tương tự như cách Trái Đất duy trì bầu khí quyển qua hàng tỷ năm. [1]

Ranh giới giữa Siêu Trái Đất và Sao Hải Vương thu nhỏ

Việc xác định chính xác bản chất của LHS 1140b vẫn là một thách thức đối với giới nghiên cứu. Khi quan sát từ Trái Đất, độ sáng của ngôi sao mẹ bị sụt giảm định kỳ mỗi 24,7 ngày do hành tinh này đi qua trước mặt. Dựa trên mức độ giảm sáng trong lần phát hiện đầu tiên vào năm 2017, các nhà khoa học ước tính kích thước của LHS 1140b gấp khoảng 1,7 lần Trái Đất. Các phân tích và đo đạc bổ sung sau đó nhận định khối lượng của nó có thể gấp hơn 5 lần Trái Đất. [1]

Trong Hệ Mặt Trời của chúng ta, có một khoảng trống lớn về kích thước giữa Trái Đất và hành tinh lớn tiếp theo là Sao Thiên Vương (gấp khoảng 14 lần khối lượng Trái Đất) cũng như Sao Hải Vương (gấp khoảng 17 lần khối lượng Trái Đất). Do thiếu các mẫu vật trung gian ở gần để đối chiếu, các nhà thiên văn gặp khó khăn trong việc phân loại những hành tinh nằm ở khoảng giữa này. [1]

LHS 1140b nằm đúng ở vùng ranh giới mờ nhạt: nó có thể là một "Siêu Trái Đất" giàu đá cặn hoặc một "Sao Hải Vương thu nhỏ" chứa nhiều băng giá và khí quyển dày. Việc phân tích thành phần khí quyển thoát ra sẽ giúp các nhà thiên văn lấp đầy khoảng trống tri thức này, đặc biệt khi các hành tinh cỡ tiểu Hải Vương xuất hiện rất phổ biến trong thiên hà. [1]

Nhiệt độ bề mặt và vai trò của hiệu ứng nhà kính

Dù LHS 1140b nằm trong vùng sống được của sao mẹ, điều kiện nhiệt độ thực tế trên bề mặt của nó lại chịu ảnh hưởng quyết định bởi mật độ và thành phần khí quyển. Nếu giả định hành tinh hấp thụ toàn bộ bức xạ chiếu tới từ ngôi sao lùn đỏ, nhiệt độ cân bằng tính toán được sẽ rơi vào khoảng -30 °C. Trong kịch bản này, một bầu khí quyển đủ dày có thể tạo ra hiệu ứng nhà kính mạnh mẽ, giúp nâng nhiệt độ bề mặt lên trên 0 °C và duy trì nước lỏng. [1]

Ngược lại, nếu sử dụng các mô hình toán học tính đến khả năng phản xạ bức xạ của bề mặt và mây, nhiệt độ trung bình của hành tinh có thể xuống thấp tới -90 °C. Mức nhiệt độ này khắc nghiệt tương đương với bề mặt Sao Hỏa hiện tại. Sự chênh lệch lớn giữa các mô hình lý thuyết cho thấy việc xác định chính xác sự tồn tại và mật độ của bầu khí quyển là chìa khóa để biết LHS 1140b là một thế giới ấm áp hay một hành tinh băng giá. [1]

Tín hiệu sơ bộ và bài học cho việc tìm kiếm sự sống

Dù phát hiện khí heli đem lại nhiều kỳ vọng, các nhà khoa học vẫn giữ thái độ thận trọng. LHS 1140b mới chỉ là trường hợp thứ hai mà các nhà thiên văn bắt gặp dấu vết khí quyển xung quanh một ngoại hành tinh đất đá tiềm năng (sau hành tinh Gliese 1214b). Đáng chú ý, trong lượt quan sát thứ hai thuộc cùng nghiên cứu, tín hiệu heli đã không xuất hiện trở lại. Sự chênh lệch này có thể do hiện tượng thoát khí biến đổi theo thời gian hoặc đòi hỏi thiết bị quan sát có độ nhạy cao hơn. [1]

Nhà nghiên cứu Jon Willis từ Đại học Victoria nhận định rằng để xác định chắc chắn các dấu hiệu sinh học trong khí quyển ngoại hành tinh, cộng đồng khoa học cần phân tích hàng nghìn hệ hành tinh khác nhau thay vì dựa vào một vài dữ liệu cá biệt. Quan sát tại LHS 1140b đánh dấu một bước tiến quan trọng trong phương pháp quang phổ khí quyển, đặt nền móng cho cuộc tìm kiếm sự sống ngoài Hệ Mặt Trời trong tương lai. [1]