Hành tinh mưa sắt, mưa thuỷ tinh: kim loại ở thế giới ngoài Hệ Mặt Trời

"Hành tinh mưa sắt" là cách gọi phổ biến cho WASP-76b, một hành tinh khí khổng lồ cực nóng ngoài Hệ Mặt Trời: phía ban ngày nóng trên 2.400 °C đủ làm sắt bay hơi, gió mang hơi sắt sang phía đêm mát hơn, nơi các nhà khoa học suy luận rằng sắt ngưng tụ thành giọt. "Mưa thuỷ tinh" là cách gọi cho HD 189733b, một hành tinh màu xanh lam có thể có hạt silicat trong khí quyển. Phần quan sát được là dấu hiệu hoá học trong ánh sáng; còn "mưa" là phần suy luận từ mô hình, chưa ai chụp được.

Làm sao biết một hành tinh cách hàng trăm năm ánh sáng có sắt?

Không kính thiên văn nào hiện nay chụp được rõ bề mặt của những hành tinh này. Chúng chỉ là một chấm sáng không tách ra nổi khỏi ngôi sao mẹ. Mọi thông tin đến từ quang phổ: tách ánh sáng thành dải màu và tìm những vạch tối, vạch sáng đặc trưng cho từng nguyên tố.

Kỹ thuật chính là quan sát lúc hành tinh đi ngang qua trước ngôi sao. Một phần nhỏ ánh sáng sao xuyên qua vành khí quyển của hành tinh trước khi tới Trái Đất. Mỗi nguyên tố hấp thụ những bước sóng riêng, như dấu vân tay. Sắt ở thể khí để lại hàng trăm vạch hấp thụ rất đặc trưng; cộng dồn tín hiệu ấy, các nhà thiên văn biết khí quyển có hơi sắt.

Với máy quang phổ độ phân giải cao, người ta còn đo được vạch dịch chuyển một chút về phía xanh hay phía đỏ do hiệu ứng Doppler. Từ đó suy ra khí đang chuyển động về phía Trái Đất hay ra xa, tức là biết cả gió trong khí quyển. Đó là chìa khoá của câu chuyện mưa sắt.

WASP-76b: phía ngày làm sắt bay hơi, phía đêm thì sao?

WASP-76b là một "sao Mộc siêu nóng". Nó lớn cỡ sao Mộc nhưng quay quanh ngôi sao mẹ rất gần, mỗi vòng chưa tới hai ngày. Ở khoảng cách đó, lực thuỷ triều khoá hành tinh: một mặt luôn hướng về sao, như Mặt Trăng luôn hướng một mặt về Trái Đất. Phía ngày nóng trên 2.400 °C, cao hơn nhiều điểm sôi của nhiều kim loại; phía đêm mát hơn khoảng một nghìn độ.

Năm 2020, một nhóm nghiên cứu châu Âu dùng máy quang phổ ESPRESSO gắn trên Kính Rất Lớn (VLT) của Đài thiên văn Nam châu Âu ở Chile công bố kết quả trên tạp chí Nature. Họ thấy dấu hiệu hơi sắt rõ ở rìa "buổi chiều", nơi khí từ phía ngày nóng đang chảy sang phía đêm. Nhưng ở rìa "buổi sáng", nơi khí từ phía đêm quay về phía ngày, dấu hiệu sắt yếu hẳn.

Cách giải thích được đưa ra: gió mạnh mang hơi sắt từ phía ngày sang phía đêm. Ở phía đêm, nhiệt độ hạ xuống dưới điểm ngưng tụ của sắt, nên sắt ngưng thành giọt và rơi xuống các tầng sâu. Khí quay lại phía ngày qua rìa buổi sáng đã "mất" bớt sắt. Hình ảnh "mưa sắt" sinh ra từ đây.

Về sau, các nhóm khác chỉ ra rằng sự bất đối xứng ấy cũng có thể một phần do chênh lệch nhiệt độ giữa hai rìa, hoặc do cấu trúc khí quyển phức tạp hơn. Năm 2024, dữ liệu của kính CHEOPS thuộc Cơ quan Vũ trụ châu Âu cho thấy một vùng sáng bất thường ở một phía hành tinh, được diễn giải có thể là hiệu ứng quang học "vầng hào quang" do ánh sáng phản xạ trên những giọt chất lỏng hình cầu — và sắt là một ứng viên. Bức tranh đang được bổ sung dần, chưa khép lại.

HD 189733b: vì sao gọi là hành tinh mưa thuỷ tinh?

HD 189733b nằm cách Trái Đất khoảng 64 năm ánh sáng, gần hơn nhiều so với WASP-76b, nên là một trong những hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời được nghiên cứu kỹ nhất. Năm 2013, kính Hubble đo được nó phản xạ ánh sáng xanh nhiều hơn ánh sáng đỏ: nếu nhìn được tận mắt, hành tinh có màu xanh lam đậm.

Màu xanh ấy không đến từ đại dương. Một cách giải thích là trong khí quyển có các hạt silicat — thành phần của cát và thuỷ tinh — tán xạ ánh sáng xanh, giống bầu trời Trái Đất xanh vì phân tử không khí tán xạ ánh sáng xanh. Phía ngày nóng khoảng một nghìn độ, gió đo được có thể lên tới hàng nghìn kilômét mỗi giờ. Ghép hai điều lại, các bài phổ biến khoa học gọi vui đây là nơi "mưa thuỷ tinh bay ngang".

Cần đọc đúng: "mưa thuỷ tinh" là hình ảnh minh hoạ cho một giả thuyết về hạt silicat, không phải một trận mưa đã được quan sát. Năm 2024, kính James Webb phát hiện khí hiđrô sunfua trong khí quyển hành tinh này — loại khí có mùi trứng thối trên Trái Đất — cho thấy hoá học ở đó phong phú hơn hình dung trước đây.

Còn những thế giới kim loại và dung nham nào khác?

Với KELT-9b, phía ngày nóng tới mức sắt và titan không chỉ bay hơi mà còn bị ion hoá, mất electron. Với 55 Cancri e, một hành tinh đá lớn hơn Trái Đất, quay sát sao tới mức một năm chưa tới một ngày Trái Đất, nhiều mô hình cho rằng bề mặt phía ngày là đá nóng chảy. Đây là "thế giới dung nham", cùng cơ chế với magma trên Trái Đất nhưng ở quy mô cả nửa hành tinh.

Vì sao những hành tinh này lại hữu ích cho khoa học vật liệu?

Trên Trái Đất, nghiên cứu kim loại ở thể khí trên 2.000 °C đòi hỏi lò hồ quang, lò plasma, hay các buồng thí nghiệm đặc biệt. Hành tinh siêu nóng là phòng thí nghiệm tự nhiên khổng lồ: nhiệt độ, áp suất, gió đều ở mức không phòng thí nghiệm nào giữ được trong thời gian dài.

Để đọc được tín hiệu từ những hành tinh ấy, các nhà thiên văn lại cần số liệu đo trong phòng thí nghiệm: bước sóng chính xác của từng vạch sắt, titan, natri; nhiệt độ ngưng tụ của các khoáng vật ở áp suất thấp. Những bảng số liệu ấy cũng là thứ các kỹ sư luyện kim, các nhà làm lò plasma dùng hằng ngày. Hai lĩnh vực tưởng xa nhau lại dùng chung một cuốn sổ tay.

Có một điểm đáng nhớ về điểm ngưng tụ: ở áp suất rất thấp của tầng khí quyển cao, sắt ngưng tụ ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm sôi khoảng 2.860 °C ở áp suất thường trên Trái Đất. Vì vậy "phía đêm mát hơn" của WASP-76b dù vẫn nóng hơn lò luyện thép bình thường, vẫn có thể đủ lạnh để sắt ngưng tụ.

Đọc tin "hành tinh mưa sắt" thế nào cho đúng?

Các tiêu đề giật gân hay khiến người đọc hình dung những giọt sắt to rơi lộp độp xuống mặt đất. Thực tế, WASP-76b là hành tinh khí, không có mặt đất rắn để "mưa" rơi xuống; giọt sắt nếu có sẽ chìm vào các tầng khí sâu hơn, nóng hơn, rồi bay hơi trở lại. Vài nguyên tắc khi đọc:

• Tìm xem chữ nào là quan sát (đã đo được vạch phổ, màu sắc, gió) và chữ nào là mô hình (mưa, mây, đại dương).
• Ưu tiên nguồn gốc: thông cáo của NASA, ESA, Đài thiên văn Nam châu Âu (ESO), hoặc tóm tắt bài báo khoa học.
• Để ý các từ "có thể", "gợi ý", "được cho là" — chúng có nghĩa thật, không phải rào đón.

Với người yêu luyện kim, câu chuyện các hành tinh này cho một bài học đẹp: cùng một bảng điểm nóng chảy và điểm sôi học ở lớp vật lý, đặt vào một thế giới đủ nóng, sẽ cho ra thời tiết bằng kim loại.