Phát hiện helium thoát khỏi LHS 1140 b đánh dấu lần đầu tiên giới khoa học xác nhận một hành tinh đá trong vùng có thể sống được vẫn duy trì khí quyển sau hàng tỷ năm.
Các nhà thiên văn học vừa đạt một cột mốc quan trọng trong hành trình tìm kiếm những thế giới có khả năng hỗ trợ sự sống ngoài Hệ Mặt Trời. Lần đầu tiên, giới khoa học thu được bằng chứng trực tiếp cho thấy một hành tinh đá nằm trong vùng có thể sinh sống của một ngôi sao khác vẫn duy trì được khí quyển sau hàng tỷ năm tồn tại.
Hành tinh được nghiên cứu là LHS 1140 b, một siêu Trái Đất cách chúng ta khoảng 48 năm ánh sáng và quay quanh một sao lùn đỏ. Phân tích mới cho thấy các nhà khoa học đã phát hiện dấu hiệu helium thoát ra từ tầng khí quyển phía trên của hành tinh. Đây là bằng chứng quan trọng cho thấy LHS 1140 b không phải một thế giới đá hoàn toàn trơ trụi, đồng thời mở ra cơ hội nghiên cứu sâu hơn về khả năng tồn tại của nước và các điều kiện cần thiết cho sự sống.
Nghiên cứu do nhóm các nhà khoa học liên quan đến Harvard dẫn dắt và được công bố trên tạp chí Science. Kết quả này được xem là bước tiến đáng chú ý bởi trước đây, các nhà thiên văn đã phát hiện hàng nghìn ngoại hành tinh, trong đó có nhiều thế giới có kích thước gần Trái Đất và nằm trong vùng có thể sống được, nhưng việc xác nhận một hành tinh đá thực sự giữ được khí quyển vẫn là bài toán đặc biệt khó.
LHS 1140 b: ứng viên đặc biệt trong cuộc săn tìm sự sống
LHS 1140 b được phát hiện từ năm 2017 và nhanh chóng trở thành một trong những ngoại hành tinh được quan tâm nhiều nhất trong lĩnh vực nghiên cứu khả năng cư trú.
Hành tinh này có khối lượng khoảng 5,6 lần Trái Đất và bán kính lớn hơn Trái Đất khoảng 1,73 lần. Nó hoàn thành một vòng quanh ngôi sao chủ trong khoảng 24,7 ngày. Quan trọng hơn, LHS 1140 b nằm trong vùng có thể sống được, nơi nhiệt độ về lý thuyết có thể cho phép nước tồn tại ở dạng lỏng nếu hành tinh sở hữu một khí quyển phù hợp.
Tuy nhiên, việc nằm trong vùng có thể sống được không đồng nghĩa một hành tinh chắc chắn có thể duy trì sự sống. Một thế giới cần có khí quyển đủ bền vững để điều hòa nhiệt độ, giữ nước và giảm tác động của bức xạ năng lượng cao từ ngôi sao chủ.
Đây chính là điểm khiến LHS 1140 b trở nên đáng chú ý.
Ngôi sao chủ của hành tinh là một sao lùn đỏ, loại sao phổ biến trong thiên hà nhưng thường có hoạt động bức xạ mạnh. Các tia X và tia cực tím năng lượng cao từ những ngôi sao như vậy có thể dần bào mòn khí quyển của các hành tinh ở quỹ đạo gần.
Việc LHS 1140 b dường như vẫn còn khí quyển sau hàng tỷ năm cho thấy hành tinh này có thể đã sở hữu khả năng chống chịu tốt hơn so với nhiều thế giới đá khác quay quanh sao lùn đỏ.
Dự đoán từ mô hình lý thuyết trước khi quan sát
Điểm đặc biệt của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát hiện khí quyển mà còn ở cách nhóm nghiên cứu tiếp cận vấn đề.
Collin Cherubim, tác giả chính của nghiên cứu, đã xây dựng một mô hình mô phỏng quá trình tiến hóa khí quyển của các hành tinh. Mô hình sử dụng những thông số đã biết của LHS 1140 b, bao gồm khối lượng, bán kính, mật độ, lực hấp dẫn, tuổi của hệ sao và mức bức xạ năng lượng cao mà hành tinh nhận được.
Kết quả mô hình cho thấy LHS 1140 b có khả năng sở hữu một tầng khí quyển phía trên giàu helium. Một phần helium trong tầng khí quyển này có thể bị kích thích bởi bức xạ từ ngôi sao và dần thoát ra ngoài không gian.
Dự đoán này đặc biệt đáng chú ý vì phương pháp tìm kiếm helium ở trạng thái kích thích trước đây chủ yếu được sử dụng với các ngoại hành tinh lớn, đặc biệt là những hành tinh khí. Việc áp dụng kỹ thuật này cho một hành tinh đá trong vùng có thể sống được là một hướng tiếp cận mới.
Các nhà nghiên cứu sau đó sử dụng kính quang phổ WINERED gắn trên kính thiên văn Magellan Clay tại Chile để kiểm chứng dự đoán. Kết quả quan sát đã cho thấy dấu hiệu hấp thụ ánh sáng đặc trưng của helium, phù hợp với kịch bản khí quyển đang thoát dần ra không gian.
Dấu vết helium tiết lộ điều gì?
Khi LHS 1140 b đi qua phía trước ngôi sao chủ theo góc nhìn từ Trái Đất, một phần ánh sáng của ngôi sao phải xuyên qua tầng khí quyển phía trên hành tinh trước khi tới các kính thiên văn trên Trái Đất.
Nếu trong khí quyển có helium ở trạng thái kích thích đặc biệt, nguyên tố này sẽ hấp thụ ánh sáng tại một bước sóng rất cụ thể trong vùng cận hồng ngoại. Các nhà khoa học có thể tìm kiếm dấu hiệu hấp thụ này trong quang phổ thu được khi hành tinh đi qua trước ngôi sao.
Điều đáng chú ý là nhóm nghiên cứu đã quan sát đồng thời LHS 1140 b và hành tinh láng giềng LHS 1140 c trong một khoảng thời gian hiếm gặp, khi cả hai cùng đi qua đĩa sao chủ.
Trong dữ liệu thu được, LHS 1140 c không cho thấy tín hiệu helium tương tự. Ngược lại, LHS 1140 b xuất hiện dấu hiệu hấp thụ rõ ràng ở vị trí đặc trưng của helium.
Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy tín hiệu có thể liên quan đến một dòng helium đang thoát ra khỏi hành tinh, kéo dài ra ngoài phạm vi đĩa hành tinh. Điều này phù hợp với dự đoán rằng bức xạ năng lượng cao từ sao chủ đang làm nóng tầng khí quyển trên cùng và thúc đẩy quá trình thoát khí.
Theo các mô hình của nhóm, quá trình này có thể liên quan đến hiện tượng thoát khí quyển thủy động lực học. Khi tầng khí quyển phía trên hấp thụ đủ năng lượng từ tia X và tia cực tím, khí có thể giãn nở và chảy ra ngoài không gian như một dòng vật chất liên tục.
Phát hiện này cung cấp một dấu hiệu quan trọng: LHS 1140 b không chỉ nằm ở vị trí thuận lợi về mặt quỹ đạo mà còn dường như đã giữ được một lớp khí quyển trong thời gian rất dài.
Tín hiệu helium biến mất trong lần quan sát tiếp theo
Tuy nhiên, câu chuyện vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng.
Trong lần quan sát tiếp theo vào năm 2025, nhóm nghiên cứu không còn phát hiện tín hiệu helium tương tự. Điều này không nhất thiết có nghĩa khí quyển của LHS 1140 b đã biến mất.
Các nhà khoa học cho rằng cường độ thoát helium có thể thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào hoạt động bức xạ của ngôi sao hoặc sự thay đổi nhiệt độ ở tầng khí quyển phía trên của hành tinh.
Một sự thay đổi tương đối nhỏ trong điều kiện bức xạ năng lượng cao cũng có thể khiến tín hiệu helium yếu đi và nằm dưới ngưỡng phát hiện của thiết bị quan sát.
Vì vậy, kết quả hiện tại được hiểu là bằng chứng mạnh cho sự tồn tại của khí quyển, nhưng các nhà khoa học vẫn cần thêm nhiều lần quan sát để xác định chính xác mức độ ổn định của hệ thống này.
Đây cũng là một trong những câu hỏi quan trọng nhất đối với LHS 1140 b: liệu hành tinh đang duy trì một khí quyển ổn định và liên tục mất đi một lượng nhỏ helium, hay tín hiệu quan sát được chỉ là kết quả của những đợt thoát khí xảy ra theo từng thời điểm?
Các quan sát trong tương lai sẽ giúp phân biệt hai kịch bản này.
Cột mốc mới cho việc tìm kiếm hành tinh có thể sinh sống
Ý nghĩa lớn nhất của phát hiện có thể không chỉ nằm ở riêng LHS 1140 b.
Trong nhiều năm, các nhà thiên văn học đã biết rằng những hành tinh đá có kích thước gần Trái Đất tồn tại khá phổ biến. Một số trong số đó cũng nằm trong vùng có thể sống được của ngôi sao chủ.
Nhưng giữa việc “nằm đúng vị trí” và “thực sự có khả năng cư trú” vẫn tồn tại một khoảng cách rất lớn.
Một hành tinh có thể nằm trong vùng Goldilocks nhưng nếu không giữ được khí quyển, nước trên bề mặt có thể thất thoát hoặc môi trường trở nên quá khắc nghiệt để duy trì sự sống như chúng ta biết.
LHS 1140 b cung cấp bằng chứng đầu tiên cho thấy ít nhất một hành tinh đá trong vùng có thể sống được đã duy trì được khí quyển trong thời gian hàng tỷ năm. Phát hiện này vì thế có thể trở thành một mô hình tham chiếu để các nhà khoa học tìm kiếm những hành tinh tương tự.
Đáng chú ý, phương pháp này có thể được thực hiện bằng các kính thiên văn mặt đất, giúp giảm sự phụ thuộc vào thời gian quan sát quý giá của các kính thiên văn không gian.
Nếu các mô hình tiến hóa khí quyển có thể dự đoán chính xác những hành tinh nào có khả năng tạo ra tín hiệu helium đủ mạnh, các nhà khoa học có thể lập danh sách các mục tiêu ưu tiên để quan sát sâu hơn.
Sau đó, những hành tinh triển vọng nhất có thể được nghiên cứu bằng kính thiên văn không gian như James Webb nhằm tìm kiếm các phân tử quan trọng khác.
Có khí quyển không đồng nghĩa với có sự sống
Dù phát hiện mới rất quan trọng, các nhà khoa học nhấn mạnh rằng LHS 1140 b chưa phải là bằng chứng về sự sống ngoài Trái Đất.
Dấu hiệu helium mới được phát hiện chủ yếu cho thấy sự tồn tại của khí quyển ở tầng cao và quá trình khí đang thoát ra ngoài không gian. Kết quả này chưa cho biết thành phần chính của khí quyển ở các tầng thấp hơn.
Các phân tử nặng hơn như nitrogen, oxygen, carbon dioxide hoặc hơi nước có thể nằm ở những khu vực thấp hơn và không nhất thiết tạo ra tín hiệu giống helium trong phép đo hiện tại.
Điều đó có nghĩa các nhà khoa học vẫn chưa thể khẳng định LHS 1140 b có đại dương, nước lỏng trên bề mặt hay một môi trường phù hợp cho sự sống.
Tuy nhiên, đây là một bước tiến quan trọng. Trước phát hiện này, câu hỏi lớn là liệu một hành tinh đá trong vùng có thể sống được quanh sao lùn đỏ có thể giữ khí quyển đủ lâu hay không. LHS 1140 b cho thấy câu trả lời ít nhất là “có” đối với một trường hợp cụ thể.
James Webb sẽ tìm kiếm câu trả lời tiếp theo
LHS 1140 b hiện tiếp tục là mục tiêu quan sát quan trọng của các chương trình nghiên cứu sử dụng kính thiên văn không gian James Webb và Hubble.
Các quan sát trong tương lai sẽ tập trung vào việc tìm kiếm những thành phần khí quyển ở tầng thấp hơn, trong đó có nước và carbon dioxide. Nếu xác định được thành phần khí quyển, các nhà khoa học sẽ có thể đánh giá tốt hơn khả năng hành tinh này duy trì nước lỏng trên bề mặt.
Một trong những kịch bản được quan tâm là LHS 1140 b có thể là một thế giới giàu nước. Một số nghiên cứu trước đây cho rằng mật độ và kích thước của hành tinh phù hợp với khả năng nó chứa một lượng nước đáng kể, dù các quan sát hiện tại chưa thể xác nhận trực tiếp sự tồn tại của đại dương trên bề mặt.
Nếu các quan sát tiếp theo tìm thấy nước, carbon dioxide hoặc những dấu hiệu hóa học khác, LHS 1140 b có thể trở thành một trong những mục tiêu hấp dẫn nhất trong cuộc săn tìm các môi trường có khả năng hỗ trợ sự sống ngoài Hệ Mặt Trời.
Nhưng ngay cả khi không tìm thấy dấu hiệu sinh học, phát hiện hiện tại vẫn có ý nghĩa lớn đối với khoa học hành tinh. Nó chứng minh rằng các thế giới đá trong vùng có thể sống được không nhất thiết phải mất toàn bộ khí quyển dưới tác động của bức xạ từ sao lùn đỏ.
Từ một hành tinh chỉ được biết đến qua những con số về khối lượng, bán kính và quỹ đạo, LHS 1140 b giờ đây đã trở thành một thế giới có khí quyển để các nhà khoa học có thể nghiên cứu sâu hơn.
Và câu hỏi tiếp theo đã trở nên rõ ràng hơn bao giờ hết: Nếu một hành tinh đá có thể giữ được khí quyển trong hàng tỷ năm, liệu bên dưới lớp khí quyển đó có tồn tại nước — và xa hơn nữa, liệu có sự sống?
Câu trả lời sẽ phụ thuộc vào những quan sát tiếp theo từ James Webb và các thế hệ kính thiên văn tương lai. Nhưng với việc lần đầu tiên xác nhận được khí quyển trên một hành tinh đá nằm trong vùng có thể sống được, cuộc tìm kiếm những “Trái Đất thứ hai” trong vũ trụ vừa bước sang một chương mới.