Các nhà khoa học mô phỏng quá trình nung nóng các siêu trái đất trên máy tính

Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, con người đã đạt được nhiều thành tựu trong lĩnh vực thiên văn với các khám phá kỳ diệu về bí ẩn của vũ trụ. Tuy nhiên, nghiên cứu các hành tinh và các ngôi sao xa xôi cách chúng ta những quãng đường đo bằng năm ánh sáng chưa bao giờ là nhiệm vụ dễ dàng ngay cả với các kính thiên văn hiện đại. Để giảm thiểu một phần khó khăn trong nghiên cứu qua quan sát thực tế, các nhà khoa học tại Đại học Washington và Quỹ khoa học quốc gia (Hoa Kỳ) và đã tiến hành một loạt các thí nghiệm mô phỏng trên máy tính quá trình đốt nóng và làm bay hơi các vật chất ở các hành tinh có một số tính chất giống Trái Đất nhưng nằm trong các hệ mặt trời khác. Các hành tinh này được gọi là siêu trái đất và mục đích của các nhà khoa học là nhằm tìm hiểu rõ hơn mối liên hệ giữa các thành phần vật chất của nó qua quá trình hình thành và phát triển.

Thế nào được gọi là siêu trái đất?

Thực sự, các siêu trái đất không hoàn toàn có các điều kiện vật lý và hóa học tương đồng với Trái Đất như chúng ta nghĩ. Chúng ta cũng không chắc chắn khả năng để loài người có thể định cư trên đó. Theo chuẩn khoa học, các siêu trái đất đơn giản chỉ là các hành tinh mà thành phần chính của nó không phải là hydro và metan, đồng thời nó có kích thước lớn hơn Trái Đất nhưng phải nhỏ hơn Hải Vương tinh. Do đó, các siêu trái đất chỉ giống Hành tinh xanh ở hai điểm đó là chúng không phải là các quả cầu khí và được xếp ở cùng thang khối lượng. Ở tất cả các khía cạnh khác, chúng rất khác những gì chúng ta biết về hành tinh thứ 3 trong Hệ Mặt Trời.

Phương pháp xác định các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời

Như chúng ta đã biết, không giống như các ngôi sao, các hành tinh không thể tự phát sáng. Ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy từ sao Kim hay sao Hỏa đơn giản chỉ là do các hành tinh phản xạ lại ánh sáng Mặt Trời. Với các thiên thể xa xôi, ánh sáng phản xạ đó không đủ mạnh để đi tới Địa Cầu. Vì lý do đó, các nhà thiên văn học phải sử dụng phương pháp quan sát gián tiếp để ghi nhận sự tồn tại của các hành tinh ngoài hệ mặt trời. Vậy họ tiến hành thế nào?

Phương pháp thứ nhất được thực hiện dựa trên trạng thái chuyển động của ngôi sao trung tâm. Chúng ta không nhìn thấy các hành tinh ngoài hệ mặt trời, nhưng do có khối lượng và ở gần sao trung tâm, các thiên thể sẽ tương tác hấp dẫn với ngôi sao và gây ra chuyển động nhiễu loạn cực nhỏ ở các ngôi sao. Quan sát và đo đạc chính xác những chuyển động nhiễu loạn, các nhà thiên văn học có thể xác định sự tồn tại và tính toán vị trí, kích thước cũng như khối lượng các hành tinh. Sau đó họ tính toán mật độ khối lượng trung bình (khối lượng riêng) và mô hình hóa thành phần vật chất tạo nên hành tinh. Nhờ cách đo đạc trên, hàng trăm hành tinh ngoài hệ mặt trời đã được tìm thấy. Tuy nhiên, phương pháp này thường phát huy hiệu quả tối đã khi áp dụng với các thiên thể ở gần sao trung tâm do tương tác hấp dẫn của chúng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách theo định luật vạn vật hấp dẫn của Newton. Ở các hành tinh kiểu như vậy, do sức nóng từ bức xạ mặt trời, lớp vỏ đá của nó có thể bị tan chảy.

Trong thời gian gần đây, một kỹ thuật tiên tiến hơn được áp dụng nếu các siêu trái đất cắt ngang đường truyền sáng từ ngôi sao trung tâm của nó tới các thiết bị quan sát của loài người. Nhờ quan sát sự thay đổi của bức xạ sau khi đi qua thiên thể bằng phổ kế và các thiết bị phân tích, các nhà nghiên cứu có thể xác định thành phần cấu tạo khí quyển của nó. Từ đó họ suy đoán về các loại chất hóa học bên trong lớp vỏ.

Hai mô hình siêu trái đất

Trong quá trình mô phỏng tại đại học Washington, các nhà khoa học tập trung vào hai mô hình giả trái đất (pseudo-Earth) trên máy tính. Mô hình đầu tiên là các thiên thể có lớp vỏ gồm các mảng lục địa giống như trên Địa Cầu. Trong khi đó mô hình thứ hai được gọi là trái đất silic lớn (bulk silicate earth - BSE) tập trung vào việc xem xét các hành tinh đang ở thời kì chưa hình thành các mảng lục địa giống như Trái Đất trước đây.

Theo Bruce Fegley, người đứng đầu nhóm nghiên cứu và hiện là giáo sư khoa học trái đất và hành tinh tại đại học Washington, thì sự khác biệt cơ bản giữa hai mô hình trên là sự có mặt của nước. Các hành tinh có lớp vỏ kiểu lục địa được tạo nên chủ yếu từ granite, và để hình thành loại đá này thì cần phải có nước trên đó. Ngược lại, các hành tinh không có nước sẽ tạo ra lớp vỏ chứa nhiều basalt, loại đá hình thành sau khi dung nham núi lửa phun trào và nguội đi. Sao Kim có thể được coi là một hành tinh ví dụ cho mô hình thứ hai. Lớp vỏ hai kiểu hành tinh trên đều chứa nhiều silic và oxy, tuy nhiên, các BSE có thêm rất nhiều sắt và magie.

Fegley cũng giải thích nguyên nhân nhóm của ông không mô phỏng trực tiếp các điều kiện trên Trái Đất là do nó đã thay đổi rất nhiều trong suốt 4 tỷ năm qua. Lớp vỏ bên ngoài đã bị oxy hóa trong thời gian dài và các quá trình hình thành các mỏ than đá, khí gas tự nhiên và dầu đã làm thay đổi đáng kể sự phân bố của nguyên tố cacbon.

Quá trình mô phỏng

Trên máy tính, các siêu trái đất ảo được mô phỏng chịu các dải nhiệt độ thay đổi từ 270 độ C tới hơn 1700 độ C. Bằng cách áp dụng lý thuyết cân bằng nhiệt động lực học (thermodynamic equilibrium), nhóm nghiên cứu có thể tính toán quá trình tan chảy và sôi của các chất ở lớp vỏ các hành tinh nóng. Sau đó xác định xem những chất nào với tỷ lệ bao nhiêu bị bốc hơi vào bầu khí quyển của thiên thể.

Khi nhiệt độ tăng lên 940 độ C, đá ở các hành tinh có lớp vỏ giống Trái Đất bắt đầu tan chảy, trong khi con số tương ứng của các hành tinh có vỏ giống sao Kim là 1730 độ C). Trong cả hai mô hình siêu trái đất, các khí quyển được máy tính mô phỏng có thành phần chủ yếu là hơi nước (H2O) và cacbonic (CO2) do sự bay bốc hơi của nước, muối hydrat và đá cacbonat. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu thấy các hành tinh có lớp vỏ giống Trái Đất có nhiều metan và amoniac. Trong khi đó khí sulfur dioxde (SO2) có nhiều trên thiên thể có vỏ giống sao Kim. Khi nhiệt độ lớn hơn 1430 độ C, bầu khí quyển ở các hành tinh sẽ xuất hiện nhiều silicon monoxide (SiO), và khi chúng tập trung với mật độ đủ lớn để ngưng tụ thì có thể tạo ra các cơn mưa axit và đá.

Fegley cho biết, với sự xuất hiện của metal và amoniac ở các thiên thể giống Trái Đất, họ có thể thêm các thông số ánh sáng khi mô phỏng để chúng tạo nên các vật chất hữu cơ đầu tiên giống như thí nghiệm nổi tiếng về nguồn gốc sự sống của Miller-Urey. Thêm vào nữa, nếu tiếp tục tăng nhiệt độ, không chỉ có các loại đá mà toàn bộ siêu trái đất có thể bị bốc hơi và tạo nên một quả cầu khí khổng lồ.

Nghiên cứu mô phỏng trong trường hợp này là rất quan trọng vì nó có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn quá trình tiến triển và hoạt động vật lý-địa chất đang diễn ra trên các siêu trái đất đã biết thông qua việc xác định thành phần của nó. Được biết, công trình nổi bật trên đã được tạp chí Astrophysical Journal đăng tải trong tuần trước

Nguồn: Washington University, Gizmag