Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) một lần nữa khẳng định vị thế của mình trong lĩnh vực khám phá vũ trụ khi lần đầu tiên chụp được hình ảnh trực tiếp về carbon dioxide trong khí quyển của một ngoại hành tinh cách Trái Đất 130 năm ánh sáng. Đây là một cột mốc quan trọng trong nghiên cứu thiên văn học, giúp các nhà khoa học có cái nhìn chi tiết hơn về thành phần hóa học và quá trình hình thành của các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời.
Trước đây, việc xác định sự hiện diện của carbon dioxide trong khí quyển ngoại hành tinh chủ yếu dựa vào phương pháp gián tiếp, phân tích quang phổ ánh sáng từ các ngôi sao khi hành tinh đi qua phía trước. Tuy nhiên, nhờ khả năng quan sát ở bước sóng hồng ngoại và công nghệ chặn sáng tiên tiến của Webb, các nhà khoa học lần đầu tiên có thể trực tiếp nhìn thấy dấu vết của loại khí này trong khí quyển của một hành tinh xa xôi.
Hành tinh mà Webb quan sát thuộc hệ H.R. 8799, một hệ hành tinh đặc biệt, chỉ mới 30 triệu năm tuổi, trẻ hơn rất nhiều so với tuổi đời 4,6 tỷ năm của Hệ Mặt Trời. Hệ thống này từ lâu đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu về sự hình thành hành tinh do chứa nhiều hành tinh khí khổng lồ với đặc điểm tương tự Sao Mộc và Sao Thổ.
Khám phá mới từ Webb cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng các hành tinh trong H.R. 8799 được hình thành thông qua cơ chế bồi tụ lõi, quá trình trong đó một hành tinh khổng lồ bắt đầu bằng cách tích tụ vật chất rắn trước khi thu hút khí xung quanh. Đây cũng là cơ chế hình thành của các hành tinh khí trong Hệ Mặt Trời, củng cố giả thuyết rằng sự hình thành của các hành tinh trong vũ trụ có thể tuân theo những nguyên tắc chung.
William Balmer, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Johns Hopkins và là người đứng đầu nghiên cứu, nhấn mạnh rằng việc phát hiện ra dấu hiệu carbon dioxide mạnh mẽ trong khí quyển của các hành tinh này là một bước tiến quan trọng. Ông cho biết: “Bằng cách phát hiện ra những dấu hiệu carbon dioxide mạnh mẽ này, chúng tôi đã chứng minh rằng có một lượng đáng kể các nguyên tố nặng như carbon, oxy và sắt trong khí quyển của những hành tinh này. Dựa trên những gì chúng ta biết về ngôi sao mà chúng quay quanh, điều này củng cố giả thuyết rằng chúng được hình thành bởi sự bồi tụ lõi, một kết luận rất quan trọng đối với các ngoại hành tinh mà chúng ta có thể quan sát trực tiếp”.
Quan sát trực tiếp các ngoại hành tinh là một thách thức không nhỏ, bởi vì ánh sáng từ chúng rất mờ nhạt so với ánh sáng rực rỡ từ ngôi sao chủ. Tuy nhiên, Webb có lợi thế lớn nhờ khả năng quan sát ở bước sóng hồng ngoại, cho phép nó phát hiện ánh sáng nhiệt phát ra từ các hành tinh trẻ vẫn đang nguội dần sau khi hình thành.
Đặc biệt, hành tinh HR 8799e trong hệ H.R. 8799 đang phát ra lượng nhiệt lớn từ quá trình hình thành, làm cho nó phát sáng mạnh ở vùng hồng ngoại. Nhờ đó, Webb có thể ghi nhận những tín hiệu quan trọng về khí quyển của hành tinh này. Một trong những công cụ quan trọng giúp Webb đạt được thành tích này là coronagraph, thiết bị có khả năng chặn ánh sáng từ ngôi sao chủ để làm lộ diện ánh sáng yếu hơn của các hành tinh quay quanh. Công nghệ này hoạt động tương tự như một nhật thực nhân tạo, giúp các nhà khoa học nhìn thấy những thế giới ẩn sau ánh sáng chói lóa của ngôi sao chủ. Nhờ coronagraph, Webb có thể thu thập dữ liệu hồng ngoại trong phạm vi từ 3 đến 5 micron, cung cấp thông tin chi tiết về thành phần hóa học của khí quyển ngoại hành tinh.
Lần quan sát này không chỉ xác nhận sự hiện diện của carbon dioxide mà còn giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về thành phần khí quyển của HR 8799e. Họ phát hiện rằng hành tinh này chứa nhiều nguyên tố nặng hơn so với dự đoán trước đây, củng cố giả thuyết rằng nó được hình thành theo cách tương tự như các hành tinh khí trong Hệ Mặt Trời.
Đây là một phát hiện quan trọng, bởi vì nó giúp xác định các yếu tố quan trọng trong quá trình hình thành hành tinh, cũng như vai trò của carbon dioxide và các nguyên tố nặng trong sự tiến hóa của khí quyển hành tinh. Trước đây, các nhà khoa học chỉ có thể suy đoán thành phần hóa học của ngoại hành tinh dựa trên những phương pháp gián tiếp, như quan sát sự thay đổi quang phổ ánh sáng khi hành tinh đi qua trước mặt ngôi sao chủ. Nhưng với Webb, họ có thể trực tiếp phân tích ánh sáng hồng ngoại phát ra từ hành tinh, cho phép nghiên cứu chính xác hơn về khí quyển và điều kiện môi trường của nó.
Một trong những phát hiện quan trọng khác là Webb đã lần đầu tiên chụp được hình ảnh trực tiếp của hành tinh HR 8799e ở bước sóng 4,6 micron và Eridani b ở bước sóng 4,1 micron. Những quan sát này làm nổi bật độ nhạy phi thường của kính viễn vọng trong việc thu nhận các tín hiệu hành tinh mờ nhạt, ngay cả khi chúng nằm gần một ngôi sao chủ sáng. Điều này mở ra cơ hội để nghiên cứu nhiều hơn về các ngoại hành tinh nằm trong vùng có thể sinh sống, nơi điều kiện khí quyển có thể cho phép sự sống tồn tại.
Việc phân tích thành phần hóa học của khí quyển ngoại hành tinh không chỉ giúp xác định cách chúng hình thành mà còn giúp tìm hiểu khả năng tồn tại của sự sống trong vũ trụ. Nếu một hành tinh có carbon dioxide nhưng cũng có hơi nước, metan hoặc oxy, điều đó có thể gợi ý rằng nó có điều kiện khí hậu tương tự Trái Đất, làm tăng khả năng tìm thấy dấu hiệu của sự sống ngoài hành tinh.
Những khám phá này có ý nghĩa quan trọng không chỉ với khoa học hành tinh mà còn với việc hiểu rõ hơn về sự hình thành và tiến hóa của các hệ hành tinh. William Balmer nhấn mạnh rằng: “Những hành tinh khổng lồ này có ý nghĩa đặc biệt. Nếu một hành tinh như thế trôi vào Hệ Mặt Trời, nó có thể gây ra sự xáo trộn nghiêm trọng, hoặc bảo vệ, hoặc hủy diệt các hành tinh nhỏ hơn như Trái Đất. Do đó, nghiên cứu sự hình thành của chúng sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách các hành tinh đất đá như Trái Đất có thể tồn tại và phát triển trong vũ trụ”. Hiểu được quá trình hình thành và tiến hóa của các hành tinh khí khổng lồ không chỉ giúp làm sáng tỏ lịch sử của Hệ Mặt Trời mà còn giúp xác định những yếu tố cần thiết để duy trì sự sống trên các hành tinh khác.
Khám phá này đã được công bố trên tạp chí The Astrophysical Journal và đánh dấu một bước tiến lớn trong nghiên cứu thiên văn học hiện đại.
