Hành tinh dung nham lẽ ra chỉ là đá trơ trụi lại phản xạ 74% ánh sáng ngôi sao

Kính viễn vọng Không gian James Webb đã phát hiện ra rằng một hành tinh đá phủ đầy đá nóng chảy, quay quanh ngôi sao của nó gần đến mức một năm ở đó kéo dài chưa đầy nửa ngày Trái Đất, lại phản xạ ánh sáng gần như tốt bằng Sao Kim. Webb đã theo dõi hành tinh này gần như toàn bộ quỹ đạo của nó và thấy nó phản xạ lại phần lớn ánh sáng sao chiếu vào thay vì hấp thụ nó.

Điều đó đáng lẽ không xảy ra. Dung nham có màu tối, và một thế giới đá nhỏ bé chịu bức xạ lớn như vậy được cho là đã mất đi bầu khí quyển từ lâu, để lại một quả cầu đen, cháy xém. Một hành tinh sáng có nghĩa là có thứ gì đó nằm trên lớp magma: một bầu khí quyển dày, có lẽ mang theo những đám mây phản chiếu được tạo thành từ đá đã bốc hơi khỏi bề mặt.

Điều đó khiến TOI-561 b trở thành một trong những trường hợp mạnh mẽ nhất cho đến nay về một hành tinh đá bên ngoài Hệ Mặt Trời vẫn giữ được bầu khí quyển. JWST đã kiểm tra một loạt các thế giới đá nhỏ, hầu hết quay quanh các sao lùn đỏ, và phát hiện chủ yếu là đá trơ trụi. Ở đây, hành tinh ít có quyền nhất để có bầu khí quyển dường như lại là hành tinh giữ được nó.

Nghiên cứu do Samuel Boucher của Đại học Montréal dẫn đầu, với Lisa Dang của Đại học Waterloo làm chủ nhiệm dự án, được công bố trên tạp chí The Astronomical Journal. “Khám phá của chúng tôi thách thức các lý thuyết hiện tại,” đồng tác giả Anjali Piette của Đại học Birmingham cho biết. “Chúng tôi sẽ cho rằng một hành tinh đá bị bức xạ mạnh như TOI-561 b đã mất bầu khí quyển từ hàng tỷ năm trước.”

Cách Webb cân đo ánh sáng của một hành tinh mà nó không thể nhìn thấy

Webb không thể chụp ảnh TOI-561 b, hành tinh này bị lẫn trong ánh sáng chói của ngôi sao cách chúng ta khoảng 280 năm ánh sáng trong chòm sao Lục Phân Nghi (Sextans). Điều nó có thể làm là đo độ sáng hồng ngoại tổng hợp của cả ngôi sao và hành tinh với độ chính xác cực cao và theo dõi độ sáng đó thay đổi khi hành tinh quay.

Hành tinh này gần như chắc chắn bị khóa thủy triều, với một mặt luôn là ban ngày vĩnh viễn và mặt kia là ban đêm vĩnh viễn. Khi nó quay quanh quỹ đạo, Webb nhìn thấy nhiều hơn phần ban ngày nóng, sau đó nhiều hơn phần ban đêm. Khi hành tinh lướt ra sau ngôi sao, ánh sáng của nó biến mất, và độ lớn của sự sụt giảm đó cho biết trực tiếp độ sáng của phần ban ngày. Sự tăng giảm này trong một quỹ đạo được gọi là đường cong pha (phase curve).

Nhóm nghiên cứu đã hướng thiết bị NIRSpec của Webb vào hệ thống này trong khoảng 37 giờ không nghỉ, bao phủ gần bốn quỹ đạo, ở các bước sóng hồng ngoại từ khoảng 3 đến 5 micromet. Phần ban ngày của hành tinh chỉ thêm vài chục phần triệu vào ánh sáng của ngôi sao. Để tách riêng nó, các nhà nghiên cứu cũng mô hình hóa hiện tượng tạo hạt (granulation), mô hình sôi chậm trên bề mặt ngôi sao khiến độ sáng của nó nhấp nháy.

“Kỹ thuật này, được gọi là đường cong pha, cho thấy hành tinh phản xạ một lượng ánh sáng đáng kể từ ngôi sao của nó, và nhiệt lượng đang được phân phối lại xung quanh hành tinh thay vì chỉ ở phía được chiếu sáng,” Dang nói. “Cùng với nhau, những điều này chỉ ra sự hiện diện của một bầu khí quyển.”

Tại sao các con số loại trừ khả năng đá trơ trụi

Lập luận dựa trên ngân sách năng lượng. Một tảng đá trơ trụi tối màu ở khoảng cách này, hấp thụ mọi thứ và không truyền nhiệt sang phía ban đêm, sẽ có nhiệt độ ban ngày gần 3.200 kelvin, khoảng 2.900 độ C. Webb đo được khoảng 2.050 kelvin ở phía ban ngày, gần 1.780 độ C, và khoảng 1.090 kelvin ở phía ban đêm, khoảng 820 độ C. Đá trơ trụi không có cách nào để làm ấm mặt ban đêm vĩnh viễn của nó.

Phía ban đêm vẫn chưa đủ ấm để giải thích cho năng lượng bị thiếu, vì vậy phần lớn năng lượng đó phải bị phản xạ trước khi bị hấp thụ. Từ sự cân bằng đó, nhóm nghiên cứu suy ra suất phản chiếu Bond (Bond albedo), tỷ lệ ánh sáng sao tới mà một hành tinh phản xạ lại vào không gian, là khoảng 0,74, sai số cộng trừ khoảng một phần mười. Sao Kim, được bao bọc trong những đám mây axit sulfuric, có suất phản chiếu khoảng 0,77, Trái Đất khoảng 0,3 và Mặt Trăng khoảng 0,1. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy dung nham là chất phản xạ kém, vì vậy thứ đang phản xạ không phải là mặt đất.

Một mô hình máy tính về khí hậu của hành tinh đã ủng hộ điều này. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các bầu khí quyển gồm hơi nước, nước với carbon dioxide, và gần như oxy tinh khiết ở áp suất bề mặt lên tới 10 bar, gấp mười lần Trái Đất. Một tảng đá trơ trụi tối màu cho đường cong pha lớn hơn nhiều so với quan sát được, trong khi các bầu khí quyển sáng từ 1 đến 10 bar cho kết quả gần nhất, bất kể hỗn hợp khí là gì. Các tác giả nghi ngờ bầu khí quyển thực tế còn dày hơn nữa, vì mật độ thấp của hành tinh chỉ ra một lớp vỏ dày và một lớp mỏng sẽ không thể tồn tại qua hàng tỷ năm chịu bức xạ này.

Những đám mây làm từ chất liệu của cát

Các vật phản xạ có khả năng nhất là những đám mây khoáng vật silicat, họ bao gồm thạch anh và cát thông thường. Phía ban ngày đủ nóng để làm bốc hơi đá từ đại dương magma, và nơi không khí nguội đi, gần rìa của phía ban ngày, hơi đó có thể ngưng tụ thành các hạt silicon dioxide và magie silicat, chúng tán xạ ánh sáng rất hiệu quả ở các bước sóng mà Webb sử dụng.

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm trường hợp khắc nghiệt nhất, một hành tinh không phản xạ gì và do đó có phía ban ngày nóng nhất có thể. Các đám mây vẫn hình thành ở phía buổi sáng, tự chúng đã đủ để tạo ra suất phản chiếu Bond khoảng 0,24. Điều đó gợi ý một vòng phản hồi: các đám mây làm mát phía ban ngày, không khí mát hơn cho phép nhiều mây hình thành hơn, và hành tinh càng sáng hơn. Bằng cách phản xạ ánh sáng đi, các đám mây cũng cắt giảm năng lượng thúc đẩy khí thoát ra ngoài không gian, hoạt động như một lớp kem chống nắng cho chính bầu khí quyển. Một hiệu ứng tương tự đã được đề xuất cho sao Hải Vương nóng LTT 9779 b, một trong những hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời phản chiếu nhiều nhất được biết đến.

Những điều chưa được giải quyết

Không ai biết bầu khí quyển được tạo thành từ gì. Nó có thể là một lớp chăn carbon dioxide dày đặc, một Sao Kim nóng hơn nhiều, hoặc giàu sulfur dioxide giống như các khí thoát ra từ mặt trăng Io núi lửa của Sao Mộc. Các mô hình khí hậu phù hợp với các hỗn hợp giàu nước và giàu oxy gần như ngang nhau, và các tác giả từ chối xếp hạng chúng.

Hai máy dò NIRSpec cũng không thống nhất. Một máy cho thấy điểm nóng nhất bị dịch chuyển về phía tây so với nơi các mô hình dự đoán, máy kia cho thấy phía ban đêm lạnh hơn bất kỳ mô hình nào tái tạo được. Nhóm nghiên cứu cho biết điều này có thể là do sự nhấp nháy còn sót lại của ngôi sao, sự trôi dạt đã biết trong một máy dò, hoặc sự khác biệt thực sự về các đám mây hoặc khí theo bước sóng. Nhiệt độ dựa trên một cửa sổ hồng ngoại hẹp bỏ lỡ đỉnh của ánh sáng hành tinh, vì vậy chúng là những ước tính tốt nhất.

Vấn đề sâu sắc nhất là tại sao bầu khí quyển lại tồn tại. Lý thuyết thoát khí cho rằng một siêu Trái Đất bị bức xạ mạnh như vậy sẽ bị lột trần. Các tác giả liệt kê bốn cách: hành tinh được sinh ra giàu khí, như một sao Hải Vương thu nhỏ; các bầu khí quyển thứ cấp nặng rò rỉ chậm hơn nhiều so với các bầu khí quyển hydro nhẹ; hành tinh hình thành xa hơn và di chuyển vào trong muộn, sau thời kỳ trẻ dữ dội nhất của ngôi sao; hoặc các khí bị nhốt bên trong lòng magma đang rỉ ra ngoài, đại dương magma hoạt động như một ngọn núi lửa trên toàn hành tinh. Nhiều hơn một khả năng có thể đúng.

Một thế giới đá với quá ít đá

TOI-561 b là hành tinh trong cùng nhất trong số bốn hành tinh được biết đến quay quanh một ngôi sao nhỏ hơn và mát hơn Mặt Trời một chút và khoảng 10 tỷ năm tuổi, gấp đôi tuổi của Mặt Trời. Hành tinh này rộng gấp khoảng 1,4 lần và nặng gấp 2,2 lần Trái Đất, vì vậy nó có mật độ thấp hơn Trái Đất và hầu hết các hành tinh trên quỹ đạo chặt chẽ như vậy, một dấu hiệu ban đầu về một lớp vật liệu nhẹ hơn sâu bên dưới. Nó quay quanh ngôi sao của nó gần hơn khoảng 35 lần so với Sao Thủy quay quanh Mặt Trời, trong khoảng 10,7 giờ, và nhận được lượng ánh sáng sao gấp khoảng 4.700 lần Trái Đất.

Các câu hỏi thường gặp về TOI-561 b

TOI-561 b là gì?

Một siêu Trái Đất đá cách chúng ta khoảng 280 năm ánh sáng, rộng gấp khoảng 1,4 lần Trái Đất. Nó quay quanh ngôi sao của nó trong khoảng 10,7 giờ, gần đến mức bề mặt của nó được cho là một đại dương magma toàn cầu.

TOI-561 b có bầu khí quyển không?

Các bằng chứng nói có. Webb đã đo được phía ban ngày mát hơn nhiều so với đá trơ trụi và một phía ban đêm ấm áp, cùng nhau đòi hỏi một bầu khí quyển dày phản xạ ánh sáng và di chuyển nhiệt xung quanh hành tinh.

Một hành tinh dung nham có thể có mây không?

Có thể. Trên TOI-561 b, hơi đá từ đại dương magma có thể ngưng tụ thành các đám mây silicon dioxide và magie silicat nơi không khí phía ban ngày nguội đi, và những đám mây đó là lời giải thích hàng đầu cho suất phản chiếu Bond khoảng 0,74 của nó.

Có thứ gì có thể sống trên TOI-561 b không?

Không. Với phía ban ngày gần 1.800 độ C và bề mặt đá nóng chảy, hành tinh này nằm ngoài xa bất kỳ phạm vi nào mà sự sống như chúng ta biết có thể tồn tại. Giá trị của nó là những gì nó cho thấy về cách các hành tinh đá giữ hoặc mất bầu khí quyển của chúng.

Điều gì tiếp theo

Cùng một dữ liệu Webb bao gồm một quang phổ quá cảnh (transit spectrum), ánh sáng sao được lọc qua bầu khí quyển khi hành tinh băng qua ngôi sao của nó, mà nhóm nghiên cứu sẽ phân tích trong một bài báo sắp tới để thăm dò độ dày, thành phần và các đám mây của bầu khí quyển. Họ cũng đang mô hình hóa cách phần bên trong và bầu khí quyển tiến hóa cùng nhau để xem con đường thoát khí nào phù hợp.

Webb đã thu thập đường cong pha trong hai ngày vào tháng 5 năm 2024 theo chương trình quan sát 3860. Một phân tích đầu tiên về phía ban ngày, do Johanna Teske của Viện Khoa học Carnegie dẫn đầu, đã được công bố vào tháng 12 năm 2025 và phát hiện hành tinh này quá mát so với đá trơ trụi. Bài báo về đường cong pha đã được công bố trực tuyến vào ngày 29 tháng 9 năm 2026, và Đại học Birmingham đã công bố kết quả vào ngày 26 tháng 10 năm 2026.

Thử nghiệm quyết định là một đường cong pha với thiết bị hồng ngoại trung bình MIRI của Webb, thiết bị này sẽ xác định nhiệt độ phía ban ngày và ban đêm một cách độc lập, ít bị ảnh hưởng bởi sự nhấp nháy của ngôi sao hơn và bao phủ dải bước sóng 15 micromet nơi carbon dioxide để lại dấu hiệu mạnh. “Quan sát hành tinh ở các bước sóng dài hơn với JWST có thể cung cấp cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc và giúp giải thích làm thế nào một hành tinh nóng như vậy có thể giữ được bầu khí quyển trong hàng tỷ năm,” Dang nói.

Tài liệu tham khảo: Boucher et al., “A Highly Reflective Atmosphere on the Lava World TOI-561b Revealed by JWST/NIRSpec Phase Curves,” The Astronomical Journal, 2026. DOI: 10.3847/1538-3881/ae9763

Thẻ: thiên văn học, James Webb Space Telescope, ngoại hành tinh, hành tinh dung nham, khí quyển ngoại hành tinh, siêu Trái Đất