Nghiên cứu về các hành tinh ngoài hệ mặt trời đã thực sự bùng nổ trong những năm gần đây. Hiện tại, các nhà thiên văn học đã có thể xác nhận sự tồn tại của 4.1104 hành tinh ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta, với 4900 người khác đang chờ xác nhận. Nghiên cứu về nhiều hành tinh này đã tiết lộ những điều về phạm vi các hành tinh có thể có trong Vũ trụ của chúng ta và dạy chúng ta rằng có rất nhiều hành tinh không có tương tự trong Hệ Mặt trời của chúng ta.
Ví dụ, nhờ dữ liệu mới thu được từ Kính thiên văn vũ trụ Hubble, các nhà thiên văn học đã tìm hiểu thêm về một lớp ngoại hành tinh mới được gọi là các hành tinh siêu phàm. Các hành tinh trong lớp này về cơ bản là những người khổng lồ khí trẻ có kích thước tương đương Sao Mộc nhưng có khối lượng lớn hơn Trái đất vài lần. Điều này dẫn đến bầu khí quyển của họ có mật độ kẹo bông, do đó có biệt danh thú vị!
Các ví dụ duy nhất được biết đến của hành tinh này nằm trong hệ thống Kepler 51, một ngôi sao trẻ giống như Mặt trời nằm cách chúng ta khoảng 2.615 năm ánh sáng trong chòm sao Cygnus. Trong hệ thống này, ba ngoại hành tinh đã được xác nhận (Kepler-51 b, c và d) lần đầu tiên được phát hiện bởi Kính thiên văn vũ trụ Kepler vào năm 2012. Tuy nhiên, mãi đến năm 2014, mật độ của các hành tinh này mới được xác nhận và điều này khá bất ngờ.
Trong khi những người khổng lồ khí này có bầu khí quyển bao gồm hydro và heli và có cùng kích thước với Sao Mộc, chúng cũng nhẹ hơn khoảng một trăm lần về khối lượng. Làm thế nào và tại sao bầu khí quyển của họ sẽ bay theo cách họ làm vẫn còn là một bí ẩn, nhưng thực tế là bản chất của bầu khí quyển làm cho các hành tinh siêu phồng trở thành ứng cử viên chính cho phân tích khí quyển.
Đó chính xác là điều mà một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế - do Jessica Libby-Roberts dẫn đầu từ Trung tâm Vật lý thiên văn và Vũ trụ học (CASA) tại Đại học Colorado, Boulder - tìm cách làm. Sử dụng dữ liệu từ Hubble, Libby-Roberts và nhóm của cô đã phân tích quang phổ thu được từ bầu khí quyển của Kepler-51 b và d để xem thành phần nào (bao gồm cả nước) ở đó.
Khi các hành tinh này đi qua phía trước ngôi sao của chúng, ánh sáng được hấp thụ bởi khí quyển của chúng được kiểm tra theo bước sóng hồng ngoại. Trước sự ngạc nhiên của nhóm, họ phát hiện ra rằng quang phổ của cả hai hành tinh không có bất kỳ chữ ký hóa học nào. Điều này được cho là do sự hiện diện của các đám mây của tinh thể muối hoặc các mối nguy quang hóa trong khí quyển của chúng.
Do đó, nhóm nghiên cứu đã dựa vào mô phỏng máy tính và các công cụ khác để đưa ra giả thuyết rằng các hành tinh Kepler-51 chủ yếu là hydro và helium theo khối lượng, được bao phủ bởi một đám mây dày được tạo thành từ metan. Điều này tương tự với những gì diễn ra trong bầu khí quyển Titan (mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ), nơi khí quyển chủ yếu là nitơ chứa các đám mây khí metan che khuất bề mặt.
Đây là điều hoàn toàn bất ngờ, Libby-Roberts nói. Chúng tôi đã lên kế hoạch quan sát các tính năng hấp thụ nước lớn, nhưng chúng chỉ có ở đó. Chúng tôi đã bị che mờ! Tuy nhiên, những đám mây này cung cấp cho nhóm nghiên cứu cái nhìn sâu sắc có giá trị về cách Kepler-51 b và d so với các ngoại hành tinh có khối lượng thấp, giàu khí khác được quan sát bởi các nhà thiên văn học. Như Libby-Roberts đã giải thích trong một thông cáo báo chí CU Boulder:
Chúng tôi biết họ có mật độ thấp. Nhưng khi bạn hình dung ra một quả bóng kẹo bông có kích thước sao Mộc - mật độ rất thấp, nó đã khiến chúng tôi phải vật lộn để tìm ra những gì có thể xảy ra ở đây. Chúng tôi dự kiến sẽ tìm thấy nước, nhưng chúng tôi không thể quan sát chữ ký của bất kỳ phân tử nào.
Nhóm nghiên cứu cũng có thể hạn chế tốt hơn kích thước và khối lượng của các hành tinh này bằng cách đo hiệu ứng thời gian của chúng. Trong tất cả các hệ thống, những thay đổi nhỏ xảy ra trong một thời kỳ quỹ đạo hành tinh do lực hút của chúng, có thể được sử dụng để lấy được khối lượng hành tinh. Các kết quả của nhóm đã đồng ý với các ước tính trước đó cho Kepler-51 b trong khi các ước tính cho Kepler-51 d chỉ ra rằng nó hơi lớn hơn (hay còn gọi là Puffier) so với suy nghĩ trước đây.
Nhóm nghiên cứu cũng so sánh quang phổ của hai siêu phồng với các hành tinh khác và thu được kết quả chỉ ra rằng sự hình thành đám mây / khói mù có liên quan đến nhiệt độ của một hành tinh. Điều này ủng hộ giả thuyết rằng một hành tinh càng lạnh thì sẽ càng nhiều mây, đó là điều mà các nhà thiên văn học đã suy ngẫm nhờ vào những khám phá gần đây của exoplanet.
Cuối cùng, nhưng không kém phần quan trọng, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy cả Kepler-51 b và d dường như bị mất khí nhanh chóng. Trên thực tế, nhóm nghiên cứu ước tính rằng hành tinh cũ (gần nhất với ngôi sao mẹ của nó) đang thải hàng chục tỷ tấn vật chất vào không gian mỗi giây. Nếu xu hướng này tiếp tục, các hành tinh sẽ co lại đáng kể trong vài tỷ năm tới và có thể trở thành sao Hải Vương mini.
Về mặt này, điều này sẽ gợi ý rằng các ngoại hành tinh không phải là quá phổ biến, cho rằng các sao Hải Vương nhỏ dường như rất phổ biến. Nó cũng gợi ý rằng mật độ thấp của các hành tinh siêu phồng được quy cho tuổi của hệ thống. Trong khi Hệ mặt trời có khoảng 4,6 tỷ năm tuổi, Kepler-51 đã tồn tại được khoảng 500 triệu năm.
Các mô hình hành tinh được nhóm nghiên cứu sử dụng chỉ ra rằng các hành tinh có khả năng hình thành ngoài Dòng băng Kepler-51 - ranh giới mà các yếu tố dễ bay hơi sẽ đóng băng - và sau đó di chuyển vào bên trong. Thay vì là các hành tinh kỳ quặc, sau đó, Kepler-51 b và d có thể là những ví dụ đầu tiên các nhà thiên văn học đã nhìn thấy một trong những loại hành tinh phổ biến nhất trong Vũ trụ của chúng ta trong giai đoạn phát triển ban đầu.
Như Zach Berta-Thompson (một trợ lý giáo sư APS và đồng tác giả của nghiên cứu mới) đã giải thích, điều này làm cho Kepler-51 trở thành một phòng thí nghiệm độc đáo của Vương quốc Hồi giáo để thử nghiệm các lý thuyết về sự tiến hóa của hành tinh sớm:
Đây là một ví dụ cực đoan về những gì mà Viking rất tuyệt vời về các ngoại hành tinh nói chung. Chúng cho chúng ta cơ hội nghiên cứu những thế giới rất khác so với chúng ta, nhưng chúng cũng đặt các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta vào một bối cảnh lớn hơn.
Trong tương lai, việc triển khai các công cụ thế hệ tiếp theo như Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) sẽ giúp các nhà thiên văn học kiểm tra bầu khí quyển của các hành tinh Kepler-51 và các siêu phồng khác. Nhờ độ nhạy của JWST đối với các bước sóng hồng ngoại dài hơn, chúng ta có thể nhìn xuyên qua các đám mây dày đặc của chúng và xác định những hành tinh kẹo bông này thực sự bao gồm những gì.
Nó cũng là một chiếc lông khác trong mũ của người được tôn kính Hubble, đã hoạt động liên tục trong khoảng ba mươi năm nay (kể từ tháng 5 năm 1990) và tiếp tục làm sáng tỏ những bí ẩn vũ trụ! Nó chỉ phù hợp rằng nó vẫn đang được tìm thấy sẽ rất sớm trở thành chủ đề của các cuộc điều tra tiếp theo bởi James Webb, người kế vị tinh thần của nó.
Nghiên cứu chi tiết về nghiên cứu của nhóm gần đây đã xuất hiện trực tuyến và sẽ xuất hiện trong Tạp chí Vật lý thiên văn.
