Webb thấy mây nước dày lên rồi mỏng đi trên một thế giới cách 7,4 năm ánh sáng

Sao lùn nâu lạnh nhất từng được phát hiện có thời tiết. Kính viễn vọng Không gian James Webb đã theo dõi WISE 0855, một thế giới mờ nhạt có kích thước tương đương Sao Mộc, nằm cách Mặt Trời hơn bảy năm ánh sáng, trong mười một giờ và quan sát các đám mây nước của nó dày lên rồi mỏng đi khi thiên thể tự quay. Bên dưới những đám mây ấy, carbon monoxide và phosphine lên xuống theo từng đợt, được khuấy trồi từ phần nội thất nóng.

Điều đó khiến WISE 0855 trở thành thiên thể đầu tiên ngoài Hệ Mặt Trời mà các nhà thiên văn nói rằng họ có thể thấy mây nước biến đổi, thay vì chỉ suy luận rằng chúng có thể tồn tại. “Đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể xác nhận rằng các đám mây nước đang trở nên mỏng hơn và dày hơn trên một thế giới lân cận,” Brittany Miles thuộc Đài thiên văn Steward của Đại học Arizona, người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết. Kết quả này cũng cho thấy vật lý vận hành bầu trời Sao Mộc dường như hoạt động theo cùng cách trên một vật thể cô độc, không có ngôi sao nào sưởi ấm nó.

Sao lùn nâu hình thành như sao, nhưng không bao giờ tích tụ đủ khối lượng để khởi phát phản ứng tổng hợp hydro, vì thế chúng chỉ phát sáng mờ nhạt nhờ nhiệt còn sót lại và nguội dần mãi mãi. WISE 0855 đã nguội hơn mọi thiên thể đã biết khác: nhóm nghiên cứu ước tính nhiệt độ của nó vào khoảng 265 kelvin, xấp xỉ âm 8 °C, với khối lượng gấp 3 đến 10 lần Sao Mộc. Chỉ hệ Alpha Centauri, Sao Barnard và cặp sao lùn nâu Luhman 16 nằm gần Mặt Trời hơn.

Webb đọc thời tiết từ một điểm sáng đơn lẻ như thế nào

Trong mắt Webb, WISE 0855 chỉ là một điểm sáng. Nhưng khi nó quay, các vùng ấm hơn và lạnh hơn, cùng những đám mây dày hơn và mỏng hơn, lần lượt xoay vào rồi ra khỏi tầm nhìn, làm thay đổi ánh sáng truyền đến chúng ta.

Máy quang phổ NIRSpec của Webb đã ghi nhận 44 quang phổ, mỗi quang phổ cách nhau 15 phút, trên các bước sóng hồng ngoại từ 2,87 đến 5,27 micron, nơi vật thể lạnh này phát sáng mạnh nhất. Những nghiên cứu trước đó bằng Kính viễn vọng Không gian Spitzer đã ngừng hoạt động của NASA từng cho thấy WISE 0855 chớp sáng biến thiên, nhưng Spitzer chỉ đo độ sáng trong hai dải màu rộng. “Trước JWST, chúng tôi chỉ có phép đo quang trắc, vốn trộn lẫn tác động của mây, hóa học và nhiệt độ. Giờ đây, chúng tôi thực sự có thể phân biệt chúng,” Miles nói.

Việc tách ánh sáng đủ chi tiết để phân biệt các dải phân tử riêng lẻ cho phép nhóm nghiên cứu theo dõi từng loại khí độc lập. Biến động lớn nhất đến từ carbon monoxide, với độ hấp thụ thay đổi tới 10% từ cực đại đến cực tiểu ở một số bước sóng. Ngược lại, các dải hơi nước hầu như không dịch chuyển.

Để phân loại tín hiệu, các nhà thiên văn sử dụng phân tích thành phần chính, một phương pháp thống kê tìm ra số ít kiểu mẫu ẩn trong một tập hợp lớn các biến đổi. Một kiểu mẫu chiếm 60,5% độ biến thiên và thể hiện như sự thay đổi về nhiệt độ hoặc độ che phủ của mây. Kiểu mẫu tiếp theo, chiếm 4,7%, chủ yếu theo dõi carbon monoxide, còn biến đổi của carbon monoxide và phosphine diễn ra đồng thời.

“Nó giống như nhìn thế giới qua một cánh cửa lưới, trong đó tấm lưới lọc bớt một phần ánh sáng,” đồng tác giả Mark Marley, người đứng đầu Phòng thí nghiệm Mặt Trăng và Hành tinh của Đại học Arizona, nói. Khi đối chiếu với các lưới mô hình khí quyển, chỉ những mô hình có mây nước mới khớp với quang phổ trung bình, và mô hình phù hợp nhất là mô hình nhiều mây ở 250 kelvin.

Hai tầng thời tiết chồng lên nhau

Hai tín hiệu bắt nguồn từ những độ cao khác nhau. Mây nước nằm cao trong khí quyển, nơi áp suất thấp hơn, và độ dày của chúng thay đổi khi vật thể quay. Những dao động của carbon monoxide và phosphine lại bắt đầu sâu hơn nhiều, trong vùng đối lưu cuộn trào.

Tại đó, nhiệt từ bên trong đẩy khí đi lên nhanh hơn tốc độ các phản ứng hóa học có thể chuyển hóa chúng thành những dạng được dự kiến ở phần đỉnh lạnh của khí quyển. Các nhà hóa học gọi đây là hóa học mất cân bằng, và sự pha trộn từ tầng sâu bị “đóng băng” khi đi lên. Sao Mộc cũng làm điều tương tự: phosphine, một phân tử lẽ ra không thể tồn tại trong tầng khí quyển trên lạnh giá của nó, vẫn được tìm thấy ở đó vì đối lưu liên tục kéo nó lên từ bên dưới. Trên WISE 0855, lượng khí từ tầng sâu vươn tới phía trên dường như tăng giảm theo từng nhịp, như một nồi súp sôi không đều.

Tín hiệu carbon monoxide lớn cũng gợi ý về hình học quan sát. Nhóm nghiên cứu cho rằng WISE 0855 có lẽ được nhìn gần như từ cạnh, với xích đạo hướng về Trái Đất, và phần lớn các vĩ độ của nó được định hình bởi những dải gió đông-tây dài thay vì các cơn bão riêng lẻ, cách sắp xếp tạo nên các sọc trên Sao Mộc.

Vì sao sao lùn nâu lạnh nhất lại là thiên thể quan trọng

Mây nước là lý do WISE 0855 thu hút nhiều thời gian quan sát bằng kính thiên văn đến vậy. Các sao lùn nâu nóng hơn có những đám mây bụi khoáng và sắt nóng chảy. Các mô hình dự đoán chỉ những thiên thể lạnh nhất, dưới khoảng 375 kelvin, mới đủ lạnh để nước ngưng tụ gần đỉnh khí quyển, và WISE 0855 là vật thể duy nhất được biết đến đủ lạnh để kiểm chứng điều đó, đồng thời vẫn đủ ấm để ammonia không bị đóng băng.

Bằng chứng về mây đã dần tích lũy nhưng chưa mang tính kết luận. Màu sắc của nó đem lại gợi ý đầu tiên, và một quang phổ từ kính thiên văn Gemini North ở Hawaii đã phát hiện hơi nước cùng các dấu hiệu của mây, tuy vậy các quang phổ Webb ban đầu vẫn có thể được khớp bằng những mô hình không mây với cấu hình nhiệt độ bị biến dạng. Việc theo dõi từng phân tử biến đổi qua nhiều giờ đã làm cán cân nghiêng hẳn.

Một nghiên cứu Webb thứ hai được công bố vài ngày sau đó cũng chỉ ra cùng hướng từ một vật thể khác. Một nhóm thuộc Trinity College Dublin đã áp dụng cùng phương pháp phân tích kiểu mẫu cho SIMP 0136, một sao lùn nâu ấm hơn cách khoảng 20 năm ánh sáng, và nhận thấy nhiệt độ cùng độ cao của mây giải thích gần như toàn bộ biến đổi ánh sáng của nó, với ba trạng thái thời tiết lặp lại qua hơn một chục vòng quay.

“Dù sao lùn nâu không phải là các hành tinh thực thụ, chúng vẫn thể hiện hành vi giống hành tinh,” Miles nói. Điều này có ý nghĩa đối với các ngoại hành tinh khổng lồ mà Webb hiện nghiên cứu quanh những ngôi sao khác, vốn khó quan sát hơn nhiều vì ánh sáng từ sao chủ lấn át chúng.

Những điều nghiên cứu chưa thể xác quyết

Chu kỳ quay vẫn chưa được xác định. Trong khung quan sát mười một giờ của Webb, dữ liệu cho thấy các chu kỳ đáng kể từ 5,4 đến 5,6 giờ, nhưng các chu kỳ dài hơn cũng phù hợp với dữ liệu, và hai chiến dịch Spitzer trước đó không cho thấy nhịp điệu nhất quán. Nếu không có một chu kỳ chắc chắn, không ai có thể lập bản đồ vị trí các đám mây trên toàn cầu.

Các mô hình cũng đang gặp khó. Không một mô hình khí quyển đơn lẻ nào tái tạo được toàn bộ quang phổ hồng ngoại của WISE 0855 từ 1 đến 22 micron. Các phép khớp với quang phổ Webb cho bán kính từ 0,79 đến 0,89 lần bán kính Sao Mộc, nhỏ hơn mức xấp xỉ một bán kính Sao Mộc mà lý thuyết dự kiến cho một vật thể ở nhiệt độ và độ tuổi này. Lượng phosphine đo được thấp hơn dự đoán của hóa học, một sự thiếu hụt từng thấy ở những sao lùn nâu khác, và cường độ trộn theo phương thẳng đứng được suy ra từ các phân tử khác nhau không đồng nhất; theo các tác giả, điều này có thể đòi hỏi những mô hình với thành phần nguyên tố nặng khác biệt.

Định hướng nhìn từ cạnh là một suy luận chứ không phải phép đo, và toàn bộ dữ liệu chuỗi thời gian đều đến từ một lần quan sát duy nhất kéo dài mười một giờ. Nghiên cứu không nói gì về sự sống, còn WISE 0855 không có bề mặt lẫn ánh sáng sao để hỗ trợ bất kỳ sự sống nào.

Các câu hỏi thường gặp về WISE 0855

WISE 0855 là gì?

WISE 0855, tên đầy đủ là WISE J085510.83−071442.5, là sao lùn nâu lạnh nhất được biết đến và là hệ đã biết gần Mặt Trời thứ tư, thuộc chòm sao Hydra. Nó trôi nổi đơn độc, không có sao đồng hành, và phát sáng mờ nhạt trong ánh sáng hồng ngoại.

WISE 0855 lạnh đến mức nào?

Theo nghiên cứu này, khoảng 265 kelvin, tương đương xấp xỉ âm 8 °C hoặc 17 °F. Những ước tính khác đặt nhiệt độ của nó gần 276 kelvin, ngay trên ngưỡng đóng băng. Không có sao lùn nâu nào khác được biết đến lạnh như vậy.

WISE 0855 có mây nước không?

Có, theo dữ liệu Webb. Các mô hình không có mây nước không thể khớp với quang phổ trung bình của nó, và cách ánh sáng của nó biến đổi qua nhiều giờ phù hợp với những mảng mây nước dày lên rồi mỏng đi khi vật thể quay.

Sao lùn nâu là hành tinh hay ngôi sao?

Theo nghĩa chặt chẽ, không phải cả hai. Sao lùn nâu hình thành như sao nhưng quá nhẹ để duy trì phản ứng tổng hợp hydro. WISE 0855 được ước tính có khối lượng từ 3 đến 10 lần Sao Mộc, đủ nhẹ để một số nhà thiên văn gọi nó là vật thể có khối lượng hành tinh trôi nổi tự do.

WISE 0855 cách bao xa?

Khoảng 7,4 năm ánh sáng, tương đương 2,3 parsec. Ánh sáng của nó mất hơn bảy năm một chút để đến Trái Đất, và chỉ có ba hệ đã biết nằm gần Mặt Trời hơn.

Điều gì sẽ đến tiếp theo

Kevin Luhman đã phát hiện WISE 0855 trong dữ liệu khảo sát WISE của NASA vào năm 2013, phát hiện này được công bố vào tháng 4 năm 2014 và quang phổ Gemini North tiếp theo vào năm 2016. Webb ghi nhận chuỗi dữ liệu mười một giờ vào ngày 2 tháng 12 năm 2023. Nghiên cứu với 27 tác giả đã được chấp nhận xuất bản và được đăng dưới dạng bản thảo sơ bộ vào tháng 9 năm 2026, còn nhóm Trinity công bố kết quả về SIMP 0136 của họ, được xuất bản trên Astronomy & Astrophysics, vào tháng 10 năm 2026.

Miles hy vọng ghi nhận thêm nhiều giờ quan sát bằng Webb để xác định chính xác vòng quay và xây dựng bản đồ ba chiều của khí quyển. Mục tiêu kế tiếp là theo dõi nhiều vòng quay trọn vẹn của thế giới gần nhất bên ngoài gia đình Mặt Trời, nơi dự báo trời nhiều mây kèm khả năng có nước.

Tham khảo: Miles et al., “Water Cloud and Chemical Modulations in the Coldest Brown Dwarf,” accepted for publication, 2026. arXiv: 2609.20664

Thẻ: thiên văn học, James Webb Space Telescope, JWST, sao lùn nâu, mây nước, University of Arizona