Hành tinh đá LHS 1140 b sở hữu bầu khí quyển đầu tiên trong vùng có thể ở được

Helium đang thoát ra khỏi LHS 1140 b với tốc độ cho các nhà thiên văn biết chính xác điều họ cần: siêu Trái Đất quay quanh một sao lùn đỏ cách chúng ta 48 năm ánh sáng trong chòm Cetus có bầu khí quyển. Phát hiện đó – thực hiện qua quang phổ học cận hồng ngoại tại kính thiên văn Magellan Clay ở Chile – là bầu khí quyển đầu tiên được xác nhận trên bất kỳ hành tinh đá nào nằm trong vùng ở được của một ngôi sao khác, khép lại một câu hỏi mà khoa học ngoại hành tinh chưa thể trả lời suốt hai thập kỷ.

Kết quả này không có nghĩa LHS 1140 b có sự sống. Nó có nghĩa hành tinh đã vượt qua điều kiện tiên quyết cơ bản nhất cho khả năng ở được trên bề mặt: giữ được khí trước các lực cố gắng bóc tách nó. Cho đến nay, các nhà khoa học đã tìm thấy bầu khí quyển trên các hành tinh khí khổng lồ và một số ít tiểu Neptune, nhưng chưa bao giờ trên một thế giới rắn thuộc loại được cho là có khả năng hỗ trợ sự sống nhất.

Cách họ phát hiện

Kỹ thuật xác nhận bầu khí quyển của LHS 1140 b có một lịch sử cụ thể. Phát hiện helium thoát ra từ tầng khí quyển trên của ngoại hành tinh thông qua quang phổ học cận hồng ngoại ban đầu được phát triển cho các hành tinh khí khổng lồ, nơi tín hiệu rất lớn. Áp dụng nó vào một hành tinh đá đòi hỏi một mục tiêu chính xác và một thiết bị đủ nhạy để phân giải một tín hiệu yếu hơn nhiều.

Nhóm nghiên cứu từ Harvard & Smithsonian do Collin Cherubim dẫn đầu đã chọn LHS 1140 b vì nó quay quanh một sao lùn đỏ – một lớp sao bắn phá các hành tinh của nó bằng bức xạ tử ngoại và tia X đủ mạnh để xói mòn bầu khí quyển. Nếu helium đang thoát ra, WINERED Spectrograph của Magellan Clay có khả năng phát hiện nó. Điều mang lại cho nhóm lợi thế thêm là hình học: trong một đêm duy nhất, cả LHS 1140 b và một hành tinh lân cận đều đi qua ngôi sao chủ cùng lúc, cho phép nhóm so sánh hai tín hiệu song song và tách biệt dấu hiệu helium khỏi nhiễu nền sao.

Tín hiệu khớp với dự đoán cho một tầng khí quyển trên giàu helium dưới sự bắn phá sao liên tục. Không có giải thích nào khác phù hợp với dữ liệu. Cherubim tóm tắt kết quả mà không hề mơ hồ: “Đây là lần đầu tiên bất kỳ ai tìm thấy bầu khí quyển trên một hành tinh đá trong vùng ở được của một ngôi sao khác.”

Bầu khí quyển chứa gì – và không chứa gì

Phát hiện xác định helium trong tầng khí quyển trên một cách cụ thể. Nó không mô tả thành phần tổng thể ở các độ cao thấp hơn. Helium có thể phát hiện được qua phương pháp thoát này chính xác vì nó đủ nhẹ để rò rỉ lên trên khi bị đốt nóng bởi bức xạ sao; các khí nặng hơn ở lại phía dưới và không để lại dấu hiệu có thể phát hiện trên tín hiệu quá cảnh ở độ nhạy của thiết bị này.

Liệu tầng khí quyển thấp hơn có chứa nitơ, carbon dioxide hay hơi nước – những khí nhà kính quyết định nhiệt độ bề mặt và triển vọng nước lỏng – không thể xác định từ bộ dữ liệu này. Một bầu khí quyển bị chi phối bởi helium với đóng góp nhà kính tối thiểu sẽ tạo ra nhiệt độ bề mặt thấp hơn nhiều so với những gì vị trí quỹ đạo của LHS 1140 b đơn thuần gợi ý. Một bầu khí quyển có CO₂ hoặc N₂ đáng kể có thể đẩy nhiệt độ đến phạm vi ở được. Sự khác biệt giữa một tảng đá đóng băng và một thế giới nước nằm ở những tầng thấp hơn chưa được đo đạc này.

Ba tỷ năm tồn tại

LHS 1140, sao lùn đỏ chủ, có khối lượng khoảng 30% Mặt Trời. Các sao lùn đỏ phát ra bức xạ mạnh trong giai đoạn tiền dãy chính kéo dài hàng trăm triệu đến hơn một tỷ năm – một giai đoạn đủ khắc nghiệt để bóc sạch hoàn toàn các bầu khí quyển mỏng. Việc LHS 1140 b vẫn giữ được một bầu khí quyển có thể phát hiện ngụ ý rằng nó hoặc đã bắt đầu với một nguồn dự trữ khí quyển rất lớn, hoặc được bổ sung theo thời gian bởi sự thoát khí núi lửa, hoặc cả hai.

Nhóm nghiên cứu ước tính bầu khí quyển đã tồn tại hơn ba tỷ năm. Để so sánh, bầu khí quyển giàu oxy hiện tại của Trái Đất tự nó chưa đến 2,5 tỷ năm tuổi. Quan điểm đồng thuận trước đây cho rằng các hành tinh đá quay quanh sao lùn đỏ là ứng cử viên kém cho việc giữ bầu khí quyển lâu dài chính xác vì sự phơi nhiễm bức xạ này. LHS 1140 b mâu thuẫn với quan điểm đó bằng bằng chứng quan sát trực tiếp.

Vị trí của hành tinh trong vùng ở được của LHS 1140 có nghĩa là nó nhận được năng lượng tương đương với những gì Trái Đất nhận từ Mặt Trời – khi tính trung bình trên toàn bộ hình học quỹ đạo của nó. Sự cân bằng năng lượng đó là điều kiện cần cho nước lỏng, giả sử có một bầu khí quyển đủ dày để ngăn chặn sự bay hơi hoặc đóng băng ngay lập tức của nó.

Phát hiện này không giải quyết được điều gì

Các bất định còn lại là rất lớn. Thành phần bên trong của hành tinh vẫn còn gây tranh cãi. Các phép đo khối lượng và bán kính trước đây phù hợp với cả hai khả năng: một siêu Trái Đất đá hoặc một thế giới đại dương – một hành tinh có phần lớn thể tích được cấu tạo từ băng nước – với những hàm ý khác nhau về điều kiện bề mặt và khả năng ở được. Mật độ khối của nó nằm giữa những gì đá thuần túy tạo ra và những gì thành phần giàu chất bay hơi gợi ý.

Hồ sơ nhiệt độ của bầu khí quyển chưa được biết. Tín hiệu thoát helium chỉ giới hạn ở tầng khí quyển trên, không phải các tầng thấp hơn nơi khí hậu bề mặt được quyết định. Một lớp ngoài giàu helium có thể che phủ một bầu khí quyển mỏng hơn nhiều so với tín hiệu gợi ý, hoặc dày hơn nhiều.

Việc tái lập cũng sẽ khó khăn. Sự quá cảnh đồng thời của hai hành tinh quanh LHS 1140 đã mang lại một cơ hội hiệu chuẩn bất thường; nếu không có sự trùng hợp hình học đó, nhiễu nền làm cho các phép đo lặp lại độc lập khó diễn giải một cách rõ ràng hơn. Một xác nhận thứ hai từ một kỹ thuật khác – hoặc từ quang phổ học truyền dẫn của Kính viễn vọng Không gian James Webb – sẽ củng cố đáng kể trường hợp này.

Cuối cùng, hoạt động bùng phát của chính ngôi sao vẫn tiếp tục bắn phá LHS 1140 b bằng các hạt năng lượng cao. Liệu khối lượng khí quyển hiện tại đang ở trạng thái cân bằng ổn định hay đang suy giảm chậm không thể xác định từ một phát hiện một kỳ.

Các câu hỏi thường gặp về LHS 1140 b

Liệu LHS 1140 b có thể hỗ trợ sự sống không? Việc xác nhận bầu khí quyển thiết lập một điều kiện cần cho khả năng ở được trên bề mặt, chứ không phải điều kiện đủ. Các nhà khoa học cần đo đạc liệu tầng khí quyển thấp hơn có chứa khí nhà kính hay không, liệu nó duy trì áp suất bề mặt đủ cao cho nước lỏng hay không, và liệu có nước lỏng nào tồn tại trên bề mặt hành tinh hay không. LHS 1140 b hiện là mục tiêu ưu tiên cao nhất trong nghiên cứu ngoại hành tinh vùng ở được; nó chưa phải là ứng cử viên xác nhận cho sự sống.

Tại sao phát hiện helium lại xác nhận một bầu khí quyển? Helium thoát ra khỏi một hành tinh ngụ ý một nguồn dự trữ khí quyển liên tục. Nếu không có bầu khí quyển đáng kể, sẽ không có nguồn cung cấp helium để duy trì tốc độ thoát có thể phát hiện trong thời gian địa chất. Tín hiệu là gián tiếp, nhưng nó được giới hạn chặt chẽ: tốc độ quan sát phù hợp với các mô hình thoát khí quyển mà không có bất kỳ giải thích cạnh tranh nào hiện được cộng đồng đưa ra.

LHS 1140 b cách xa bao nhiêu? Hành tinh cách Trái Đất 48 năm ánh sáng. Ở khoảng cách đó, không có tàu vũ trụ nào được chế tạo hiện nay hoặc được hình dung trong tương lai gần có thể tới được. Tất cả các phép đo về LHS 1140 b đều đến từ ánh sáng – dấu hiệu mà hành tinh để lại trên quang phổ của ngôi sao chủ khi nó đi qua phía trước ngôi sao trong quá trình quá cảnh.

Vùng ở được là gì? Vùng ở được xung quanh một ngôi sao là phạm vi khoảng cách quỹ đạo mà một hành tinh có bầu khí quyển giống Trái Đất có thể duy trì nước lỏng trên bề mặt của nó. Nó được xác định bởi độ sáng của ngôi sao và albedo của hành tinh. Nằm trong vùng ở được là điều kiện cần nhưng chưa đủ cho khả năng ở được – bầu khí quyển, phần bên trong và từ trường của hành tinh cũng đều quan trọng.

Bước tiếp theo là quang phổ học truyền dẫn với Kính viễn vọng Không gian James Webb trong Chu kỳ 4, nhắm vào thành phần tầng khí quyển thấp hơn của LHS 1140 b. Các quan sát đó được lên lịch vào năm 2027.

Tham khảo: Cherubim và cộng sự, “Helium Escape Detection Confirms an Atmosphere on the Habitable-Zone Super-Earth LHS 1140 b,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea9708

Thẻ: thiên văn học, James Webb Space Telescope, exoplanet, habitable zone, LHS 1140, LHS 1140 b