Khi săn tìm các ngoại hành tinh có khả năng cư trú, một trong những điều quan trọng nhất mà các nhà thiên văn học tìm kiếm là liệu các ứng cử viên ngoại hành tinh có nằm trong vùng có thể ở được sao không. Điều này là cần thiết để nước lỏng tồn tại trên bề mặt hành tinh, điều này là điều kiện tiên quyết cho sự sống như chúng ta biết. Tuy nhiên, trong quá trình khám phá các ngoại hành tinh mới, các nhà khoa học đã nhận thức được một trường hợp cực đoan được gọi là thế giới nước Hồi.
Thế giới nước về cơ bản là các hành tinh có khối lượng lên tới 50%, dẫn đến các đại dương bề mặt có thể sâu hàng trăm km. Theo một nghiên cứu mới của một nhóm các nhà vật lý thiên văn từ Princeton, Đại học Michigan và Harvard, thế giới nước có thể không thể bám vào nước được lâu. Những phát hiện này có thể có ý nghĩa to lớn khi nói đến việc săn lùng các hành tinh có thể ở được trong cổ vũ trụ của chúng ta.
Nghiên cứu gần đây nhất này, có tựa đề là Sự mất nước của thế giới nước thông qua sự mất mát khí quyển, gần đây đã xuất hiện trên Tạp chí Vật lý thiên văn. Được dẫn dắt bởi Chuanfei Dong từ Khoa Khoa học Vật lý Thiên văn tại Đại học Princeton, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng máy tính có tính đến loại điều kiện nào mà thế giới nước sẽ phải chịu.
Nghiên cứu này được thúc đẩy phần lớn bởi số lượng các khám phá ngoại hành tinh đã được thực hiện xung quanh các hệ thống sao khối lượng thấp, loại M (sao lùn đỏ) trong những năm gần đây. Những hành tinh này đã được tìm thấy có kích thước tương đương Trái đất - điều này cho thấy chúng có khả năng trên mặt đất (tức là đá). Ngoài ra, nhiều hành tinh trong số đó - chẳng hạn như Proxima b và ba hành tinh trong hệ thống TRAPPIST-1 - đã được tìm thấy quay quanh trong các khu vực có thể ở được của các ngôi sao.
Tuy nhiên, các nghiên cứu tiếp theo chỉ ra rằng Proxima b và các hành tinh đá khác quay quanh các ngôi sao lùn đỏ trên thực tế có thể là thế giới nước. Điều này dựa trên các ước tính khối lượng thu được từ các cuộc khảo sát thiên văn và các giả định tích hợp rằng các hành tinh như vậy là đá trong tự nhiên và không có bầu khí quyển lớn. Đồng thời, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện khiến người ta nghi ngờ về việc liệu các hành tinh này có thể giữ được nước hay không.
Về cơ bản, tất cả đều thuộc về loại sao và các thông số quỹ đạo của các hành tinh. Mặc dù tồn tại lâu, các ngôi sao lùn đỏ được biết đến là biến thiên và không ổn định so với Mặt trời của chúng ta, điều này dẫn đến sự bùng phát định kỳ sẽ phá hủy bầu khí quyển hành tinh theo thời gian. Trên hết, các hành tinh quay quanh khu vực có thể ở của sao lùn đỏ có khả năng bị khóa chặt, có nghĩa là một bên của hành tinh sẽ liên tục tiếp xúc với bức xạ sao Star.
Bởi vì điều này, các nhà khoa học tập trung vào việc xác định các ngoại hành tinh trong các loại hệ sao khác nhau có thể giữ khí quyển của chúng tốt như thế nào. Như Tiến sĩ Dong đã nói với Tạp chí Không gian qua email:
Một cách công bằng khi nói rằng sự hiện diện của một bầu khí quyển được coi là một trong những yêu cầu đối với khả năng cư trú của một hành tinh. Phải nói rằng, khái niệm về khả năng cư trú là một vấn đề phức tạp với vô số yếu tố liên quan. Do đó, một bầu không khí tự nó sẽ không đủ để đảm bảo khả năng sinh sống, nhưng nó có thể được coi là một thành phần quan trọng để một hành tinh có thể ở được.
Để kiểm tra xem một thế giới nước có thể giữ được bầu khí quyển hay không, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng máy tính có tính đến nhiều tình huống có thể xảy ra. Chúng bao gồm các tác động của từ trường sao, phóng xạ khối vành và ion hóa và phóng khí quyển đối với các loại sao khác nhau - bao gồm các sao loại G (như Mặt trời của chúng ta) và sao loại M (như Proxima Centauri và TRAPPIST-1).
Với những hiệu ứng này, Tiến sĩ Dong và các đồng nghiệp đã tạo ra một mô hình toàn diện mô phỏng bầu khí quyển ngoại hành tinh sẽ kéo dài bao lâu. Như ông đã giải thích:
Nâng cao Chúng tôi đã phát triển một mô hình từ tính đa chất lỏng mới. Mô hình mô phỏng cả tầng điện ly và từ quyển nói chung. Do sự tồn tại của từ trường lưỡng cực, gió sao không thể quét trực tiếp bầu khí quyển (như sao Hỏa do không có từ trường lưỡng cực toàn cầu), thay vào đó, sự mất ion trong khí quyển là do gió cực gây ra.
Các điện tử có khối lượng nhỏ hơn các ion mẹ của chúng và do đó, dễ dàng tăng tốc lên và vượt quá tốc độ thoát của hành tinh. Sự phân tách điện tích này giữa các electron thoát, khối lượng thấp và nặng hơn đáng kể, các ion tích điện dương tạo ra một điện trường phân cực. Đến lượt, điện trường đó hoạt động để kéo các ion tích điện dương dọc theo phía sau các electron thoát ra khỏi bầu khí quyển trong các mũ cực.
Những gì họ tìm thấy là các mô phỏng máy tính của họ phù hợp với hệ thống Trái đất-Mặt trời hiện tại. Tuy nhiên, trong một số khả năng cực đoan - chẳng hạn như các ngoại hành tinh xung quanh các ngôi sao loại M - tình huống rất khác nhau và tỷ lệ thoát có thể cao hơn một nghìn lần hoặc hơn. Kết quả có nghĩa là ngay cả một thế giới nước, nếu nó quay quanh một ngôi sao lùn đỏ, cũng có thể mất bầu khí quyển sau khoảng một ngày (Gyr), một tỷ năm.
Xem xét rằng cuộc sống như chúng ta biết phải mất khoảng 4,5 tỷ năm để phát triển, một tỷ năm là một cửa sổ tương đối ngắn. Trên thực tế, như Tiến sĩ Dong đã giải thích, những kết quả này chỉ ra rằng các hành tinh quay quanh các ngôi sao loại M sẽ khó có thể phát triển sự sống:
Kết quả của chúng tôi chỉ ra rằng các hành tinh đại dương (quay quanh một ngôi sao giống như Mặt trời) sẽ giữ được bầu khí quyển của chúng lâu hơn thời gian Gyr vì tốc độ thoát ion quá thấp, do đó, nó cho phép thời gian tồn tại lâu hơn trên các hành tinh này và phát triển về mặt phức tạp. Ngược lại, đối với các ngoại hành tinh quay quanh các sao lùn M, họ có thể bị cạn kiệt đại dương theo thời gian Gyr do môi trường hạt và bức xạ mạnh hơn mà ngoại hành tinh trải qua trong các khu vực gần nhau. Nếu bầu khí quyển bị cạn kiệt trong khoảng thời gian ít hơn Gyr, điều này có thể chứng tỏ là có vấn đề đối với nguồn gốc của sự sống (abiogenesis) trên hành tinh.
Một lần nữa, những kết quả này đặt ra nghi ngờ về khả năng cư trú tiềm năng của các hệ sao lùn đỏ. Trước đây, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng tuổi thọ của các ngôi sao lùn đỏ, có thể tồn tại trong chuỗi chính của chúng lên tới 10 nghìn tỷ năm hoặc lâu hơn, khiến chúng trở thành ứng cử viên tốt nhất để tìm ra các ngoại hành tinh có thể ở được. Tuy nhiên, sự ổn định của những ngôi sao này và cách chúng có khả năng tước các hành tinh trong bầu khí quyển của chúng dường như cho thấy điều khác.
Do đó, các nghiên cứu như thế này rất có ý nghĩa ở chỗ chúng giúp giải quyết thời gian một hành tinh có thể ở được quanh một ngôi sao lùn đỏ có thể tồn tại được bao lâu. Đồng chỉ định:
Vì tầm quan trọng của sự mất mát khí quyển đối với khả năng cư trú của hành tinh, đã có rất nhiều sự quan tâm trong việc sử dụng các kính viễn vọng như Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) sắp tới để xác định xem các hành tinh này có khí quyển hay không, và nếu vậy, thành phần của chúng là như thế nào . Người ta hy vọng rằng JWST sẽ có khả năng đặc trưng cho các bầu khí quyển này (nếu có), nhưng việc định lượng tỷ lệ thoát chính xác đòi hỏi mức độ chính xác cao hơn nhiều và có thể không khả thi trong tương lai gần.
Nghiên cứu này cũng có ý nghĩa đối với sự hiểu biết của chúng ta về Hệ mặt trời và sự tiến hóa của nó có liên quan. Đã có lúc, các nhà khoa học mạo hiểm rằng cả Trái đất và Sao Kim có thể là thế giới nước. Làm thế nào họ thực hiện quá trình chuyển đổi từ rất nhiều nước sang ngày nay - trong trường hợp Sao Kim, khô khan và địa ngục; và trong trường hợp Trái đất, có nhiều lục địa - là một câu hỏi cực kỳ quan trọng.
Trong tương lai, các cuộc khảo sát chi tiết hơn được dự đoán có thể giúp làm sáng tỏ những lý thuyết cạnh tranh này. Khi Kính thiên văn vũ trụ James Webb (JWST) được triển khai vào mùa xuân năm 2018, nó sẽ sử dụng khả năng hồng ngoại mạnh mẽ của mình để nghiên cứu các hành tinh xung quanh các sao lùn đỏ gần đó, Proxima b là một trong số đó. Những gì chúng ta tìm hiểu về điều này và các ngoại hành tinh xa xôi khác sẽ đi một chặng đường dài hướng tới việc thông báo cho sự hiểu biết của chúng ta về cách mà Hệ mặt trời của chúng ta cũng phát triển.
