Siêu Trái Đất và mini Hải Vương là hai nhóm hành tinh có kích thước nằm giữa Trái Đất và sao Hải Vương, khoảng 1 tới 4 lần bán kính Trái Đất. Đây là loại hành tinh phổ biến nhất mà kính Kepler tìm thấy, nhưng hệ Mặt Trời lại không có hành tinh nào như vậy. Siêu Trái Đất thường là hành tinh đá lớn; mini Hải Vương có lớp khí hydro dày hoặc nhiều nước. "Hành tinh đại dương" là một giả thuyết nằm giữa hai nhóm: hành tinh phủ kín nước sâu hàng trăm km, chưa có trường hợp nào được xác nhận chắc chắn.
Loại hành tinh mà hệ Mặt Trời "bỏ quên"
Trước năm 2009, người ta hình dung hệ hành tinh nào cũng na ná hệ Mặt Trời: hành tinh đá nhỏ bên trong, hành tinh khí khổng lồ bên ngoài. Kính Kepler (hoạt động 2009–2018) theo dõi khoảng 150.000 ngôi sao và cho thấy bức tranh khác hẳn. Hành tinh phổ biến nhất có bán kính khoảng 1 tới 4 lần Trái Đất, thường quay rất gần sao, chu kỳ chỉ vài ngày tới vài tuần. Ước tính từ dữ liệu Kepler cho thấy một tỷ lệ lớn các sao giống Mặt Trời có ít nhất một hành tinh như vậy.
Ta không có mẫu vật nào gần nhà để nghiên cứu, nên mọi hiểu biết về chúng đến từ khối lượng, bán kính và gần đây là phổ khí quyển.
Khoảng trống bán kính: hai nhóm tách rời
Năm 2017, nhóm của Benjamin Fulton dùng dữ liệu Kepler đã được đo lại kích thước sao chính xác hơn và phát hiện một điều bất ngờ: hành tinh có bán kính khoảng 1,5 tới 2 lần Trái Đất hiếm hơn hẳn hai bên. Số hành tinh tạo thành hai "đỉnh": một quanh 1,3 lần Trái Đất, một quanh 2,4 lần. Khoảng trống giữa gọi là khoảng trống bán kính (radius valley) hay khoảng trống Fulton.
Cách giải thích được nhiều người ủng hộ là: các hành tinh này ban đầu đều có lõi đá và một lớp vỏ hydro mỏng (vài phần trăm khối lượng). Hành tinh nào bị sao nung mạnh, hoặc nhiệt từ chính lõi đủ lớn, thì mất hết lớp hydro, co lại thành siêu Trái Đất trần. Hành tinh giữ được lớp khí thì phồng to thành mini Hải Vương. Hai cơ chế chính được đề xuất là bốc hơi do bức xạ sao (photoevaporation) và mất khí do nhiệt lõi (core-powered mass loss); có lẽ cả hai đều góp phần. Một giả thuyết khác cho rằng nhiều hành tinh ở đỉnh lớn là hành tinh giàu nước, chứ không chỉ giàu hydro. Vấn đề này vẫn đang tranh luận.
Bảng phân loại gần đúng
| Nhóm | Bán kính (Trái Đất = 1) | Cấu tạo được cho là | Ví dụ |
|---|---|---|---|
| Hành tinh cỡ Trái Đất | khoảng 0,8–1,25 | Đá, lõi sắt | TRAPPIST-1 e |
| Siêu Trái Đất | khoảng 1,25–1,75 | Đá lớn hơn, có thể có khí quyển thứ cấp | 55 Cancri e, LHS 1140 b |
| Mini Hải Vương / tiểu Hải Vương | khoảng 2–4 | Lõi đá – băng, lớp khí hydro – heli hoặc nhiều nước | GJ 1214 b, K2-18 b |
| Hành tinh cỡ Hải Vương | khoảng 4–6 | Lớp khí dày | GJ 436 b |
Ranh giới giữa các nhóm khác nhau tuỳ tác giả, bảng chỉ để hình dung. Chữ "siêu Trái Đất" chỉ kích thước, không có nghĩa là giống Trái Đất hay sống được.
Cùng khối lượng, cùng bán kính, khác ruột
Biết khối lượng (từ phương pháp đo vận tốc sao) và bán kính (từ phương pháp đi qua), ta tính được mật độ. Nhưng một mật độ trung bình có thể ứng với nhiều cấu tạo khác nhau: lõi đá với chút hydro, hoặc lõi đá với nhiều nước, hoặc pha trộn cả ba. Đây gọi là bài toán suy biến cấu tạo. Ví dụ, một hành tinh 2,5 lần bán kính Trái Đất có thể là đá bọc khí hydro chiếm vài phần trăm khối lượng, hoặc đá với nước chiếm cỡ một nửa khối lượng. Phổ khí quyển là một trong ít cách phân biệt.
Hành tinh đại dương: biển không có đáy đá
Ý tưởng "hành tinh đại dương" được bàn nghiêm túc từ đầu thập niên 2000: một hành tinh hình thành ngoài đường tuyết, giàu băng, rồi di chuyển vào trong và băng tan thành đại dương sâu hàng trăm km. Dưới đáy, áp suất khổng lồ ép nước thành các dạng băng áp suất cao (như băng VII), dù nhiệt độ có thể cao.
Điều này có ý nghĩa với sự sống. Không có đất liền, đá không phong hoá được, nên vòng tuần hoàn carbonat – silicat vốn ổn định khí hậu Trái Đất có thể không chạy. Lớp băng áp suất cao còn ngăn nước tiếp xúc với đá, khiến đại dương nghèo khoáng chất. Một số nhà nghiên cứu cho rằng hành tinh đại dương khó ổn định khí hậu hơn; những người khác chỉ ra các cơ chế bù khác. Tất cả vẫn ở dạng mô hình.
Hycean: đại dương dưới lớp hydro
Biến thể được đề xuất năm 2021 là hành tinh hycean: đại dương nước toàn cầu dưới khí quyển giàu hydro. Lớp hydro giữ nhiệt rất tốt nên hành tinh có thể ấm dù ở xa sao. K2-18 b là ứng viên được nêu nhiều nhất, nhưng dữ liệu cũng khớp với kịch bản mini Hải Vương không có bề mặt sống được.
Vài hành tinh tiêu biểu
- GJ 1214 b: phát hiện năm 2009, bán kính khoảng 2,7 lần Trái Đất. Phổ Hubble năm 2014 phẳng lì vì mây cao dày. Năm 2023, kính Webb đo đường cong pha nhiệt và cho thấy khí quyển giàu nguyên tố nặng, phủ khói mù phản xạ mạnh.
- 55 Cancri e: siêu Trái Đất quay quanh sao chỉ trong khoảng 18 giờ, nóng tới mức bề mặt có thể là đại dương dung nham. Năm 2024, dữ liệu Webb gợi ý một khí quyển thứ cấp giàu CO hoặc CO₂, có lẽ được dung nham liên tục bơm vào. Đây là ứng viên tốt nhất cho khí quyển trên hành tinh đá ngoài hệ Mặt Trời, chưa phải khẳng định.
- Kepler-22 b: năm 2011, hành tinh đầu tiên được xác nhận bằng phương pháp đi qua nằm trong vùng có thể sống của một sao giống Mặt Trời. Bán kính khoảng 2,4 lần Trái Đất, nhiều khả năng là mini Hải Vương hơn là hành tinh đá.
- Kepler-452 b: công bố năm 2015, được báo chí gọi là "anh em họ của Trái Đất" vì quay quanh sao loại G với chu kỳ khoảng 385 ngày. Bán kính khoảng 1,6 lần Trái Đất, khối lượng chưa đo được, và chính sự tồn tại của tín hiệu sau này cũng bị một số phân tích đặt dấu hỏi.
- LHS 1140 b: siêu Trái Đất quanh sao lùn đỏ cách khoảng 49 năm ánh sáng, trong vùng có thể sống. Mật độ gợi ý có thể chứa nhiều nước hoặc băng. Các quan sát Webb năm 2024 có gợi ý về khí quyển giàu nitơ nhưng còn sơ bộ.
Góc nhìn hôm nay
Siêu Trái Đất và mini Hải Vương là lời nhắc rằng hệ Mặt Trời không phải "mẫu chuẩn" của vũ trụ. Muốn hiểu sự sống có thể ở đâu, ta phải hiểu cả những loại hành tinh không có ở nhà. Khi đọc tin "phát hiện siêu Trái Đất trong vùng có thể sống", hãy xem bán kính: dưới khoảng 1,5 lần Trái Đất thì nhiều khả năng là đá; trên 2 lần thì nhiều khả năng có lớp khí dày, không có bề mặt như ta hình dung. Công cụ tra cứu NASA Exoplanet Archive cho phép lọc hành tinh theo bán kính, khối lượng và vẽ lại chính khoảng trống Fulton từ dữ liệu công khai.
Câu hỏi thường gặp
Siêu Trái Đất là gì?
Là hành tinh có kích thước hoặc khối lượng lớn hơn Trái Đất nhưng nhỏ hơn hẳn sao Hải Vương, thường nói về hành tinh bán kính khoảng 1,25 tới 1,75 lần Trái Đất. Tên gọi chỉ nói về kích thước, không có nghĩa là giống Trái Đất hay sống được.
Mini Hải Vương khác siêu Trái Đất thế nào?
Mini Hải Vương lớn hơn, khoảng 2 tới 4 lần bán kính Trái Đất, và có lớp khí hydro – heli dày hoặc nhiều nước, nên mật độ thấp. Siêu Trái Đất chủ yếu là đá. Giữa hai nhóm có một khoảng trống bán kính được phát hiện năm 2017.
Hành tinh đại dương có thật không?
Đó vẫn là giả thuyết. Nhiều hành tinh có mật độ phù hợp với việc chứa nhiều nước, nhưng mật độ cũng khớp với các cấu tạo khác. Chưa có hành tinh nào được xác nhận chắc chắn là hành tinh đại dương.
Vì sao hệ Mặt Trời không có siêu Trái Đất?
Chưa có câu trả lời chắc chắn. Một giả thuyết cho rằng sao Mộc hình thành sớm và di chuyển đã chặn dòng vật chất đi vào trong, khiến các hành tinh đá phía trong nhỏ. Các mô hình hình thành hành tinh vẫn đang được tinh chỉnh theo dữ liệu ngoại hành tinh.
Khoảng trống Fulton là gì?
Là sự thiếu hụt hành tinh có bán kính khoảng 1,5 tới 2 lần Trái Đất, do nhóm Benjamin Fulton phát hiện năm 2017 từ dữ liệu Kepler. Nó được giải thích chủ yếu bằng việc nhiều hành tinh nhỏ mất lớp khí hydro do bức xạ sao hoặc nhiệt lõi.
