Bầu khí quyển của các hành tinh mới có thể có hỗn hợp bất ngờ giữa hydro và nước
Tác giả: Holly Ober, Đại học California, Los Angeles
Hình ảnh nghệ thuật này cho thấy hành tinh K2-18b, ngôi sao chủ của nó và một hành tinh đi kèm trong hệ thống này. Nguồn: ESA/Hubble, M. Kornmesser
Tất cả các hành tinh đều được tạo thành từ khí, băng, đá và kim loại, và các mô hình về cách các hành tinh hình thành thường cho rằng các vật liệu này không phản ứng hóa học với nhau. Nhưng nếu một số trong số chúng phản ứng thì sao?
Các nhà khoa học hành tinh của UCLA và Princeton đã đặt câu hỏi đó và nhận được một câu trả lời đáng ngạc nhiên: Dưới sức nóng và áp suất dữ dội của các hành tinh mới sinh, nước và khí phản ứng với nhau, tạo ra hỗn hợp bất ngờ trong bầu khí quyển của các hành tinh trẻ có kích thước từ Trái đất đến Sao Hải Vương và một "lượng mưa" sâu bên trong bầu khí quyển.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy loại hành tinh phổ biến nhất trong thiên hà của chúng ta, những hành tinh có kích thước giữa Trái đất và Sao Hải Vương, thường hình thành với bầu khí quyển hydro, dẫn đến các điều kiện mà hydro và phần bên trong nóng chảy của hành tinh tương tác trong hàng triệu đến hàng tỷ năm. Do đó, tương tác giữa bầu khí quyển và phần bên trong đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu được sự hình thành và tiến hóa của các thiên thể này và những gì có thể nằm bên dưới bầu khí quyển này.
Nhưng nhiệt độ và áp suất liên quan quá khắc nghiệt đến mức các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu chúng gần như là không thể. Các nhà nghiên cứu đã tận dụng các siêu máy tính của UCLA và Princeton để tiến hành mô phỏng động lực học phân tử cơ học lượng tử nhằm nghiên cứu cách hydro và nước - hai trong số những thành phần quan trọng nhất của hành tinh - tương tác trong phạm vi áp suất và nhiệt độ rộng ở các hành tinh có kích thước bằng Sao Hải Vương và nhỏ hơn. Kết quả được công bố trên Tạp chí Astrophysical Journal Letters.
Đồng tác giả nghiên cứu Lars Stixrude, giáo sư khoa học Trái đất, hành tinh và không gian của UCLA, cho biết: "Chúng ta thường nghĩ rằng vật lý và hóa học cơ bản đã được biết đến". "Chúng ta biết khi nào mọi thứ sẽ tan chảy, khi nào chúng sẽ hòa tan và khi nào chúng sẽ đóng băng. Nhưng khi nói đến phần sâu bên trong của các hành tinh, chúng ta không biết. Không có sách giáo khoa nào mà chúng ta có thể tra cứu những thứ này và chúng ta phải dự đoán chúng."
Các nhà nghiên cứu đã thiết lập mô phỏng của một hệ thống phân tách thành hydro và nước, với hàng trăm nguyên tử của mỗi loại, và tính toán cách chúng tương tác với nhau ở cấp độ lượng tử. Các nguyên tử phản ứng theo cách tự nhiên, giống như trong một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm trong cùng điều kiện.
Các hành tinh có thể cực kỳ nóng khi chúng mới hình thành hoặc nếu chúng ở rất gần các ngôi sao mẹ của chúng, và các thí nghiệm tính toán này cho thấy rằng các hành tinh như vậy sẽ có bầu khí quyển bao gồm hỗn hợp đồng nhất của hydro và nước. Nhưng khi các hành tinh già đi, nhiệt độ của chúng giảm xuống và hydro và nước bắt đầu tách ra.
Mưa nước sau đó không chỉ có thể tạo ra một lượng nhiệt bất ngờ sâu bên trong các thế giới này mà còn định hình lại thành phần của bầu khí quyển và quá trình tiến hóa của các hành tinh này trong hàng tỷ năm.
"Theo thời gian, khi hành tinh nguội đi, ở các vùng ngoài của bầu khí quyển, các đám mây bắt đầu hình thành khi nước ngưng tụ", tác giả đầu tiên Akash Gupta, người đã tiến hành nghiên cứu với tư cách là nghiên cứu sinh tiến sĩ của UCLA và hiện là Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ 51 Pegasi b và Harry H. Hess tại Đại học Princeton, cho biết.
"Ngay sau đó, nước và hydro sẽ bắt đầu tách ra sâu bên trong bầu khí quyển—một sự kiện then chốt, vì phần lớn trữ lượng hydro và nước của hành tinh nằm ở độ sâu này. Sau đó, điều này sẽ dẫn đến một 'lượng mưa' sâu bên trong bầu khí quyển của hành tinh khi nước nặng hơn chìm xuống trong khi hydro nhẹ hơn nổi lên, tạo thành lớp vỏ bên ngoài giàu hydro và lớp vỏ bên trong giàu nước".
