WASP-76b: Hành tinh có hiện tượng thiên nhiên siêu quái dị - mưa sắt dưới màn đêm vĩnh cửu

Trong hệ mặt trời của chúng ta, phần lớn các kim loại nặng như sắt đều tồn tại ở trong lõi của các hành tinh như Trái Đất, hay sao Mộc, nhưng những phát hiện khoa học mới đây cho thấy, ở phần các của vũ trụ thì kim loại không nhất thiết sẽ có vị trí như vật, thậm chí ở khí quyển của những hành tinh khổng lồ khác còn chứa sắt, kim loại và dẫn đến hiện tượng mưa kim loại nóng chảy.

WASP-76b: Hành tinh có hiện tượng thiên nhiên siêu quái dị - mưa sắt dưới màn đêm vĩnh cửu. WASP-76b là một hành tinh khí khổng lồ cùng kiểu với Sao Mộc, nhưng to gấp đôi Sao Mộc.

Vào năm 2019, một nhóm nghiên cứu gồm các nhà thiên văn học từ nhiều quốc gia ở châu Âu đã sử dụng kính viễn vọng Very Large đặt tại Chile của Đài thiên văn European Southern (ESO) để quan sát những hành tinh ở khoảng cách 630 năm ánh sáng từ Trái Đất. Họ đã phát hiện ra các nguyên tử sắt trong bầu khí quyển của ngoại hành tinh WASP-76b, và người ta thấy rằng các nguyên tử sắt sẽ ngưng tụ thành "mưa sắt" trong bầu khí quyển vào ban đêm của hành tinh.

WASP-76b là một hành tinh khổng lồ với khí quyển luôn ở nhiệt độ cực cao. Hành tinh này dường như ở trong tình trạng bị thủy triều khóa. Điều này có nghĩa là nó bị khóa chặt vào ngôi sao mẹ theo cách mặt trăng bị khóa vào Trái Đất, WASP-76b có 2 mặt, một mặt luôn là ban ngày, một mặt là màn đêm vĩnh cửu.

Dưới bức xạ mạnh của ngôi sao mẹ, bầu khí quyển của hành tinh này luôn tồn tại ở mức 2.400 độ C. Bầu khí quyển của hành tinh này rất nóng (gần bằng một nửa nhiệt độ bề mặt Mặt Trời - 5500 độ C) và mức nhiệt này có thể làm bay hơi kim loại. Trong một môi trường khắc nghiệt như vậy, các đặc điểm khí quyển và quá trình phản ứng hóa học của hành tinh cũng có vẻ khá bất thường.

Các nhà thiên văn học trước đây đã quan sát các nguyên tố kim loại trong bầu khí quyển của các ngoại hành tinh thời kỳ ultra-short period planets, và cũng phát hiện ra rằng có sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể giữa ngày và đêm, nhưng lần quan sát đầu tiên về các nguyên tử sắt vào buổi sáng và chiều tối trên WASP-76b cho thấy sự phân bố mật độ đều. Trong quan sát về quá cảnh thiên thể, thành phần khí quyển của hành tinh này có thể được giải thích thông qua phổ truyền của bầu khí quyển hành tinh.

Xem xét hiệu ứng Doppler của vòng quay hành tinh, tốc độ của các cạnh đông và tây của WASP-76b tiếp cận và di chuyển ra khỏi góc quan sát được phản ánh bởi sự chuyển dịch màu đỏ hoặc màu xanh của các nguyên tử sắt trong phổ truyền khí quyển đối với trung tâm của sự di chuyển ngang qua Mặt Trời của hành tinh này.

Trong toàn bộ quá trình quá cảnh thiên thể, các đặc tính hấp thụ của các nguyên tử sắt chủ yếu là dịch chuyển màu xanh, điều này cho thấy hầu hết các nguyên tử sắt được phân phối trên đường bình minh buổi sáng từ phía Mặt Trời đến phía sau - mặt tồn tại màn đêm vĩnh cửu.

Giá trị dịch chuyển màu xanh đo được thực tế lớn hơn dịch chuyển màu xanh do sự quay của hành tinh gây ra, do đó có một luồng gió ở một tốc độ nhất định trên bề mặt của WASP-76b và thổi các nguyên tử sắt từ bề mặt sáng sang bề mặt tối.

Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng hơi sắt ngưng tụ trên mặt trời phía sau tạo thành "mưa sắt", sau đó rơi trở lại từ bầu khí quyển xuống bề mặt hành tinh, do đó không tìm thấy dấu vết của hơi sắt.

Theo như mô hình tiến hóa của hệ Mặt Trời của chúng ta, các nguyên tố nặng (như sắt) có trong các hành tinh của hệ Mặt Trời đến từ tinh vân Mặt Trời và hầu hết chúng hiện tồn tại ở lõi bên trong của các hành tinh (như Trái Đất). Nhưng bầu không khí của ngoại hành tinh này thực sự chứa rất nhiều sắt, và điều này khiến cho giới khoa học cảm thấy vô cùng ngạc nhiên bởi chúng khác xa so với những gì chúng ta thường được biết tới.

Bằng cách hiểu các phương pháp quan sát khí quyển của các ngoại hành tinh, chúng ta có thể xác định được nguồn sắt trong khí quyển WASP-76b, có thể liên quan đến sự hình thành và tiến hóa của nó.

Các nhà thiên văn học thường sử dụng phương pháp hình ảnh trực tiếp và phương pháp theo dõi quá trình quá cảnh thiên thể để nghiên cứu bầu không khí của các ngoại hành tinh.

Các quan sát phương pháp hình ảnh trực tiếp trong các dải nhìn thấy và hồng ngoại có thể thu được trực tiếp các đặc điểm phổ phân tử khác nhau trong bầu khí quyển hành tinh, như H2O, O2, O3, CH4, CO2 và các thành phần quan trọng khác phân biệt thông tin sự sống, được gọi là "Dấu vân tay hóa học".

Thành phần hóa học của bầu khí quyển của hành tinh có thể thu được bằng cách phát hiện và so sánh sự thay đổi quang phổ của các ngôi sao trước và sau khi bị các hành tinh che khuất thông qua quá trình quá cảnh thiên thể.

Ví dụ, khi một hành tinh quay quanh một ngôi sao, người quan sát có thể ghi lại đường cong thay đổi độ sáng chung của hành tinh và ngôi sao đối với pha của quỹ đạo.

Nhưng tới giờ vẫn còn quá sớm để có thể đưa ra đáp án về sự hình thành và tiến hóa của hành tinh này.

Khoảng cách giữa sao mẹ và hành tinh WASP-76b rất gần, chỉ khoảng 5 triệu km nên mỗi năm trên đó chỉ bằng 1,8 ngày Trái Đất. Nó cũng là hành tinh duy nhất trong hệ sao này. Sao mẹ WASP-76 này đều có kích thước và nhiệt độ lớn hơn Mặt Trời của chúng ta: Gấp 1,5 lần khối lượng Mặt Trời, gấp 1,8 lần kích thước và với nhiệt độ khoảng 6.055 độ C.

Các nguyên tử kim loại ở hành tinh WASP-76b bị bốc hơi được những cơn gió với tốc độ hơn 17.700 km/h đưa về phía mặt tối, tạo nên những cơn mưa kim loại nóng chảy. Tuy là mặt tối nhưng nhiệt độ bề mặt của nó cũng lên tới 982 độ C.

Trước đó các nhà thiên văn học cũng từng phát hiện một hành tinh tương tự có tên KELT-9b, cách Trái Đất 670 năm ánh sáng, với mức nhiệt là 4.300 độ C.