Kính James Webb (JWST) đã đo khí quyển ngoại hành tinh với độ chi tiết mà các kính trước không làm được: năm 2022 nó phát hiện rõ ràng CO₂ trong khí quyển hành tinh WASP-39 b, rồi cho thấy cả dấu vết phản ứng quang hoá do ánh sáng sao gây ra. Với hành tinh đá, Webb chủ yếu đang trả lời câu hỏi sơ đẳng hơn: chúng có giữ được khí quyển không. Những kết quả đầu tiên quanh sao lùn đỏ phần lớn nghiêng về "không có khí quyển dày".
Vì sao Webb hợp với việc đọc khí quyển
Kính được phóng ngày 25/12/2021, đặt quanh điểm Lagrange L2, cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km. Gương chính rộng 6,5 mét, ghép từ 18 mảnh mạ vàng. Quan trọng hơn kích thước là dải bước sóng: Webb nhìn trong hồng ngoại, từ khoảng 0,6 tới 28 micromet. Đó là vùng mà hơi nước, CO₂, CO, mê-tan, amoniac đều có dải hấp thụ mạnh. Kính Hubble chỉ chạm tới khoảng 1,7 micromet ở phía hồng ngoại, nên thấy được hơi nước nhưng gần như mù với CO₂.
Bốn thiết bị khoa học đều dùng được cho ngoại hành tinh:
- NIRISS: có chế độ chuyên dùng cho hành tinh đi qua sao sáng.
- NIRSpec: máy quang phổ hồng ngoại gần, phủ dải 0,6–5 micromet, nơi có CO₂ và nhiều phân tử chứa carbon.
- NIRCam: camera hồng ngoại gần, có thêm chế độ quang phổ và bộ che sáng sao.
- MIRI: thiết bị hồng ngoại giữa, đo nhiệt mặt ngày của hành tinh đá và nhiều phân tử ở bước sóng dài.
Một lần quan sát diễn ra thế nào
Webb không "chụp" khí quyển. Với một hành tinh đi qua sao, kính nhìn chằm chằm vào ngôi sao trong vài giờ, bắt đầu trước khi hành tinh tới mép sao và kết thúc sau khi nó đi khỏi. Máy quang phổ chia ánh sáng thành hàng trăm khoảng bước sóng, mỗi khoảng cho một đường cong độ sáng. So độ sâu của lần đi qua giữa các bước sóng, ta có phổ truyền qua.
Thời gian quan sát được phân bổ qua các vòng xét duyệt cạnh tranh mỗi năm, số giờ xin luôn vượt nhiều lần số giờ có. Với hành tinh đá, một lần đi qua thường không đủ, phải cộng dồn nhiều lần, có khi hàng chục lần, mới tách được tín hiệu khỏi nhiễu. Đó là lý do mỗi kết quả về hành tinh nhỏ đều mất nhiều tháng tới nhiều năm.
WASP-39 b: CO₂ và phản ứng quang hoá
WASP-39 b là hành tinh khí nóng, khối lượng xấp xỉ sao Thổ, quay quanh sao mẹ chỉ trong khoảng 4 ngày. Nó được chọn làm "bài kiểm tra" trong chương trình khoa học sớm của Webb vì khí quyển phồng to, dễ đo.
Tháng 8/2022, nhóm nghiên cứu công bố phát hiện CO₂ rõ ràng ở bước sóng quanh 4,3 micromet. Đây là lần đầu CO₂ được xác định chắc chắn ở một ngoại hành tinh. Các bài báo chi tiết đăng trên Nature đầu năm 2023 còn báo thêm lưu huỳnh đioxit (SO₂). Trên hành tinh nóng như vậy, SO₂ không xuất hiện nếu chỉ có phản ứng nhiệt thông thường; nó cần ánh sáng sao bẻ gãy các phân tử rồi ghép lại. Nghĩa là Webb đã thấy hoá học quang hoá trên một ngoại hành tinh, giống cách tia cực tím của Mặt Trời tạo ra ozone trên Trái Đất.
Từ tỷ lệ các khí, các nhà nghiên cứu ước lượng hàm lượng "kim loại" (các nguyên tố nặng hơn heli) của hành tinh, một manh mối về cách nó hình thành trong đĩa khí bụi quanh sao.
Các hành tinh khí khác: hơi nước, mây cát, gió
- WASP-96 b: phổ được công bố trong đợt ảnh đầu tiên tháng 7/2022, cho thấy hơi nước và dấu hiệu mây.
- WASP-107 b: hành tinh "xốp" có khối lượng nhỏ mà kích thước lớn. Webb đo được hơi nước, SO₂ và dấu hiệu mây chứa hạt silicat — nói nôm na là mây cát.
- Nhiều hành tinh khí nóng khác: Webb đo được chênh lệch giữa buổi sáng và buổi chiều trên cùng một hành tinh bị khoá thuỷ triều, cho thấy gió mạnh đẩy nhiệt từ mặt ngày sang.
Hành tinh đá: câu hỏi "có khí quyển không"
Với hành tinh đá, tín hiệu nhỏ hơn hàng chục lần. Cách làm hiệu quả nhất hiện nay là đo nhiệt mặt ngày bằng MIRI. Nếu hành tinh không có khí quyển, mặt ngày giữ toàn bộ nhiệt và rất nóng. Nếu có khí quyển dày, nhiệt được gió chuyển bớt sang mặt đêm nên mặt ngày nguội hơn.
| Hành tinh | Kết quả chính (theo các công bố tới 2024) | Mức độ chắc chắn |
|---|---|---|
| TRAPPIST-1 b | Mặt ngày khoảng 500 K, khớp với đá trần không có khí quyển dày (Greene và cộng sự, 2023) | Khá chắc, nhưng có nghiên cứu sau cho thấy vẫn có thể có khí quyển mỏng giàu CO₂ có khói mù |
| TRAPPIST-1 c | Loại trừ khí quyển CO₂ dày kiểu sao Kim (Zieba và cộng sự, 2023) | Loại trừ được kịch bản dày; khí quyển mỏng chưa loại trừ |
| LHS 475 b | Xác nhận là hành tinh cỡ Trái Đất (2023); phổ phẳng, chưa kết luận về khí quyển | Chưa kết luận |
| 55 Cancri e | Siêu Trái Đất có thể có đại dương dung nham; nhiệt và phổ gợi ý một bầu khí quyển thứ cấp giàu CO hoặc CO₂ (Hu và cộng sự, 2024) | Là ứng viên tốt nhất, chưa phải khẳng định |
Năm 2024, Viện Khoa học Kính viễn vọng Không gian dành riêng khoảng 500 giờ quan sát cho chương trình Rocky Worlds, nhằm trả lời dứt khoát hơn câu hỏi hành tinh đá quanh sao lùn đỏ có giữ được khí quyển không.
Những điều Webb chưa làm và chưa thể làm
- Chưa tìm thấy sự sống. Các tin về khí DMS trên K2-18 b đến từ dữ liệu Webb, nhưng tín hiệu đó đang tranh luận gay gắt và chưa được các nhóm độc lập xác nhận.
- Chưa đọc được khí quyển một "Trái Đất thứ hai". Với hành tinh cỡ Trái Đất quanh sao giống Mặt Trời, Webb không đủ nhạy. Nó chỉ có cơ hội với hành tinh đá quanh sao lùn đỏ, và ngay cả ở đó cũng cần hàng chục lần quan sát.
- Không chụp được bề mặt. Mọi hiểu biết về khí quyển đều gián tiếp qua phổ và mô hình.
Góc nhìn hôm nay
Chỉ trong vài năm, khí quyển ngoại hành tinh đã đi từ "có hơi nước hay không" sang đo được tỷ lệ nhiều chất khí, phản ứng quang hoá và cả gió. Nhưng với câu hỏi lớn nhất là sự sống, Webb mới đang dọn đường: xác định hành tinh đá nào còn khí quyển để những kính đời sau biết nhìn vào đâu. Ảnh và phổ chính thức có trên trang webbtelescope.org và science.nasa.gov/mission/webb; dữ liệu thô nằm trong kho MAST.
Câu hỏi thường gặp
Kính James Webb phát hiện gì trong khí quyển ngoại hành tinh?
Webb phát hiện rõ ràng CO₂ trên WASP-39 b năm 2022, cùng SO₂ cho thấy phản ứng quang hoá. Nó cũng đo hơi nước, mây silicat và gió trên nhiều hành tinh khí. Với hành tinh đá, kết quả chủ yếu là kiểm tra chúng có giữ khí quyển dày hay không.
Kính James Webb đã tìm thấy sự sống ngoài Trái Đất chưa?
Chưa. Tín hiệu khí DMS trên K2-18 b từng gây chú ý nhưng còn tranh luận gay gắt và chưa được xác nhận. Không có công bố nào được giới khoa học chấp nhận là bằng chứng sự sống.
Vì sao Webb đo khí quyển tốt hơn Hubble?
Webb có gương lớn hơn nhiều và nhìn trong dải hồng ngoại từ khoảng 0,6 tới 28 micromet. Đây là vùng có dải hấp thụ mạnh của CO₂, CO, mê-tan và nhiều phân tử khác. Hubble chỉ chạm tới khoảng 1,7 micromet nên gần như không thấy CO₂.
Các hành tinh TRAPPIST-1 có khí quyển không?
Với TRAPPIST-1 b và c, quan sát nhiệt của Webb năm 2023 cho thấy không có khí quyển CO₂ dày. Khả năng có khí quyển mỏng chưa bị loại trừ hoàn toàn. Các hành tinh ở xa hơn trong hệ, nằm trong vùng có thể sống, vẫn đang được quan sát.
Kính James Webb được phóng khi nào?
Ngày 25/12/2021, trên tên lửa Ariane 5 từ Guiana thuộc Pháp. Kính hoạt động quanh điểm L2, cách Trái Đất khoảng 1,5 triệu km, và bắt đầu công bố ảnh khoa học từ tháng 7/2022.
