Các nhà thiên văn đọc khí quyển ngoại hành tinh bằng cách phân tích ánh sáng: khi hành tinh đi ngang qua mặt sao, một phần nhỏ ánh sáng sao xuyên qua rìa khí quyển của nó, và mỗi loại khí "ăn" mất những bước sóng riêng. So ánh sáng lúc có và không có hành tinh chắn, ta thấy bước sóng nào bị hụt, từ đó suy ra có khí gì. Phương pháp này gọi là quang phổ truyền qua (transmission spectroscopy), lần đầu thành công năm 2002 với kính Hubble.
Mỗi chất khí có một "vân tay" ánh sáng
Từ thế kỷ 19, các nhà vật lý đã biết mỗi nguyên tố và phân tử chỉ hấp thụ ánh sáng ở những bước sóng nhất định. Natri hấp thụ mạnh ở hai vạch vàng gần 589 nanomet. Hơi nước có nhiều dải hấp thụ trong vùng hồng ngoại gần. CO₂ có một dải rất mạnh quanh 4,3 micromet. Mê-tan có dải quanh 3,3 micromet.
Khi chia ánh sáng thành cầu vồng chi tiết (quang phổ), các bước sóng bị hấp thụ hiện ra như những chỗ tối hoặc hụt. Kết hợp nhiều dải, ta nhận ra từng chất khí như nhận dấu vân tay.
Quang phổ truyền qua: ánh sáng sao xuyên qua rìa hành tinh
Khi hành tinh đi qua trước mặt sao (nhìn từ Trái Đất), nó chắn một phần nhỏ ánh sáng. Hành tinh cỡ sao Mộc chắn khoảng 1% ánh sáng một ngôi sao giống Mặt Trời; hành tinh cỡ Trái Đất chỉ khoảng 0,01%.
Điểm mấu chốt là hành tinh có khí quyển thì trông "to hơn" ở những bước sóng mà khí quyển hấp thụ, vì ở bước sóng đó lớp khí phía trên cũng chắn sáng. Đo độ sâu của lần đi qua ở từng bước sóng, ta được một đường cong lên xuống: chỗ lồi lên là chỗ có khí hấp thụ.
Vì sao tín hiệu rất nhỏ
Khí quyển chỉ là một vành mỏng quanh hành tinh. Độ dày "hiệu dụng" của nó được đo bằng thang độ cao (scale height): quãng độ cao mà áp suất giảm khoảng 2,7 lần. Trên Trái Đất thang độ cao khoảng 8 km. Thang độ cao càng lớn khi khí nóng, khí nhẹ (nhiều hydro) và trọng lực yếu. Vì vậy hành tinh khí nóng, phồng to là đối tượng dễ đo nhất, còn hành tinh đá có khí quyển nặng như Trái Đất cho tín hiệu chỉ vài phần triệu.
Những cách đọc khác ngoài ánh sáng truyền qua
- Quang phổ phát xạ (lúc hành tinh khuất sau sao): đo tổng ánh sáng của sao cộng hành tinh, rồi đo lại khi hành tinh nấp sau sao. Phần chênh là ánh sáng và nhiệt của riêng mặt ngày hành tinh. Cách này cho biết nhiệt độ và có thể cả cấu trúc nhiệt của khí quyển.
- Đường cong pha: theo dõi độ sáng suốt một vòng quỹ đạo để biết mặt ngày nóng hơn mặt đêm bao nhiêu, gió có đẩy điểm nóng lệch đi không. Nếu mặt đêm gần như không nhận nhiệt, nhiều khả năng hành tinh không có khí quyển dày.
- Chụp ảnh trực tiếp: che ánh sáng sao bằng bộ che (coronagraph) để thấy chính hành tinh. Chỉ làm được với hành tinh trẻ, nóng, ở xa sao, như bốn hành tinh khí của hệ HR 8799.
- Quang phổ phân giải cao từ mặt đất: hành tinh chuyển động quanh sao nên vạch hấp thụ của nó bị lệch Doppler khác với vạch của sao và của khí quyển Trái Đất. Các kính lớn trên mặt đất dùng sự lệch này để tách tín hiệu, đã đo được CO, nước, sắt bốc hơi ở một số hành tinh khí nóng.
Các mốc chính
- 2002: David Charbonneau và cộng sự dùng Hubble phát hiện natri trong khí quyển hành tinh HD 209458 b. Đây là lần đầu tiên đo được thành phần khí quyển một ngoại hành tinh.
- 2005: kính Spitzer lần đầu đo trực tiếp ánh sáng hồng ngoại phát ra từ ngoại hành tinh (HD 209458 b và TrES-1), mở đường cho quang phổ phát xạ.
- Thập niên 2010: Hubble đo hơi nước ở nhiều hành tinh khí nóng. Một số hành tinh cho phổ phẳng lì, dấu hiệu của mây hoặc khói mù che mất các dải hấp thụ.
- 2014: nhóm của Laura Kreidberg công bố phổ của GJ 1214 b phẳng đến mức gần như chắc chắn hành tinh này có mây cao dày.
- 2022 trở đi: kính James Webb phát hiện CO₂ rõ ràng trong khí quyển WASP-39 b, rồi đo hàng loạt hành tinh khác với độ chính xác chưa từng có.
Những cái bẫy khi đọc phổ
Mây và khói mù
Mây cao chắn sáng như nhau ở mọi bước sóng, xoá phẳng các dải hấp thụ. Một phổ phẳng không có nghĩa là không có khí, có thể chỉ là có mây. Đây là lý do nhiều hành tinh nhỏ đo xong vẫn chưa kết luận được.
Vết đốm trên ngôi sao
Sao cũng có vết tối và vùng sáng. Nếu hành tinh đi qua một vùng khác với trung bình của sao, phổ thu được bị lẫn tín hiệu của chính ngôi sao. Ảnh hưởng này đặc biệt lớn ở sao lùn đỏ, nơi các vết đốm lạnh có thể chứa cả hơi nước. Nhóm của Benjamin Rackham gọi đây là "hiệu ứng nguồn sáng khi đi qua" (2018) và nó là một trong những nguồn nhiễu khó xử lý nhất hiện nay.
Nhiều mô hình cùng khớp một phổ
Từ phổ đến thành phần khí phải qua mô hình máy tính gọi là "truy xuất" (retrieval). Với dữ liệu ít, nhiều tổ hợp khí khác nhau có thể khớp gần như nhau. Một tín hiệu được báo ở mức "3 sigma" vẫn còn khả năng là ngẫu nhiên hoặc do cách xử lý; giới vật lý thường đòi tới 5 sigma để gọi là phát hiện chắc chắn.
Có thể đọc được hành tinh giống Trái Đất không?
Với hành tinh cỡ Trái Đất quanh sao giống Mặt Trời, tín hiệu khí quyển quá nhỏ cho kính hiện nay. Hy vọng gần hơn là hành tinh đá quanh sao lùn đỏ: sao nhỏ nên hành tinh chắn tỷ lệ sáng lớn hơn, và đi qua thường xuyên hơn nên cộng được nhiều lần quan sát. Về lâu dài, NASA đang chuẩn bị kính Habitable Worlds Observatory để chụp trực tiếp hành tinh giống Trái Đất quanh sao giống Mặt Trời; đây là dự án dự kiến cho thập niên 2040, thiết kế còn đang hình thành.
Góc nhìn hôm nay
Đọc khí quyển một hành tinh cách hàng trăm năm ánh sáng bằng những chỗ hụt sáng cỡ phần triệu là một trong những việc tinh vi nhất của thiên văn học. Vì thế mỗi tin "phát hiện khí X trên hành tinh Y" nên được đọc kèm câu hỏi: phát hiện ở mức tin cậy nào, đã có nhóm độc lập kiểm lại chưa. Dữ liệu gốc của Hubble và James Webb được công khai trên kho MAST của Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian, ai cũng có thể tải về.
Câu hỏi thường gặp
Làm sao biết một hành tinh rất xa có khí gì?
Bằng cách phân tích ánh sáng sao đi xuyên qua rìa khí quyển hành tinh khi nó đi qua trước sao. Mỗi khí hấp thụ những bước sóng riêng, nên phổ ánh sáng bị hụt ở đúng các bước sóng đó. So với phổ khi không có hành tinh chắn, ta suy ra thành phần khí.
Khí quyển ngoại hành tinh đầu tiên được đo là khi nào?
Năm 2002, nhóm David Charbonneau dùng kính Hubble phát hiện natri trong khí quyển hành tinh HD 209458 b. Đây là một hành tinh khí nóng cỡ sao Mộc, quay sát sao mẹ.
Vì sao đo khí quyển hành tinh khí to dễ hơn hành tinh đá?
Vì khí quyển hành tinh khí nóng, nhẹ, phồng to nên vành khí chắn sáng dày hơn nhiều. Hành tinh đá nhỏ có khí quyển mỏng, nặng, tín hiệu chỉ cỡ vài phần triệu. Mây và khói mù còn làm tín hiệu khó đọc hơn.
Phổ phẳng có nghĩa là hành tinh không có khí quyển không?
Không hẳn. Phổ phẳng có thể do không có khí quyển, nhưng cũng có thể do mây cao hoặc khói mù che mất các dải hấp thụ. Cần thêm đo nhiệt mặt ngày hay đường cong pha để phân biệt.
Sigma trong các tin phát hiện khí nghĩa là gì?
Sigma đo mức độ khó xảy ra ngẫu nhiên của một tín hiệu. Mức 3 sigma vẫn còn khả năng sai đáng kể, nhất là khi kết quả phụ thuộc mô hình. Vật lý thường đòi 5 sigma và kiểm chứng độc lập trước khi gọi là phát hiện chắc chắn.
