Các nhà khoa học đã nghiên cứu các mô hình hình thành hành tinh từ trước khi chúng ta biết đến sự tồn tại của các ngoại hành tinh. Những mô hình này ban đầu được hướng dẫn bởi các đặc tính của các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta và tỏ ra rất hiệu quả trong việc tính toán các ngoại hành tinh không có điểm tương đương trong hệ mặt trời của chúng ta, chẳng hạn như các siêu Trái đất và Sao Hải Vương nóng. Thêm vào đó là khả năng các hành tinh chuyển động nhờ tương tác hấp dẫn và các đặc tính của các ngoại hành tinh thường có thể được tính đến.

Hôm nay, một nhóm lớn các nhà nghiên cứu quốc tế công bố phát hiện ra điều gì đó mà các mô hình của chúng tôi không thể giải thích được. Nó có kích thước tương đương Sao Hải Vương nhưng lớn hơn bốn lần. Mật độ của nó – cao hơn nhiều so với sắt – phù hợp với việc toàn bộ hành tinh gần như hoàn toàn rắn chắc hoặc có đại dương đủ sâu để nhấn chìm toàn bộ hành tinh. Mặc dù những người phát hiện ra nó đưa ra hai lý thuyết về sự hình thành của nó, nhưng cả hai đều không có khả năng đặc biệt.

kỳ lạ kỳ lạ

Nghiên cứu về hành tinh mới đã bắt đầu giống như nhiều người hiện nay: nó được xác định là đối tượng quan tâm bởi Vệ tinh khảo sát ngoại hành tinh quá cảnh (TOI, viết tắt của TESS Object of Interest). TOI-1853 là một ngôi sao nhỏ hơn Mặt trời của chúng ta một chút, với khối lượng khoảng 0,8 lần. Có những dấu hiệu rõ ràng về sự tồn tại của một hành tinh quay quanh ngôi sao có tên TOI-1853 b. Hành tinh này quay quanh gần ngôi sao chủ của nó, hoàn thành một quỹ đạo hoàn chỉnh trong 1,24 ngày.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng thời gian quỹ đạo để xác định khoảng cách mà hành tinh quay quanh. Dựa trên sự kết hợp giữa khoảng cách đó, kích thước của ngôi sao và lượng ánh sáng bị hành tinh chặn lại, có thể ước tính kích thước của hành tinh. Điều này hóa ra là gấp khoảng 3,5 lần bán kính Trái đất, nghĩa là nó nhỏ hơn Sao Hải Vương một chút.

Điều này tự nó không phải là bất thường. Nhiều hành tinh có kích thước bằng sao Hải Vương đã được phát hiện. Nhưng sự kết hợp giữa kích thước và khoảng cách với ngôi sao là điều không thể ngờ tới. Nó đặt nó ở cái gọi là “sa mạc Sao Hải Vương nóng bỏng”, nơi bức xạ cực mạnh từ ngôi sao bắn ra từ bầu khí quyển của hành tinh. Sao Hải Vương đi đến trạng thái sa mạc nóng bỏng sẽ tước bỏ lõi đá của chúng, khiến chúng trở thành siêu Trái đất.

Vậy TOI-1853 b đang làm gì trên sa mạc? Để tìm hiểu, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các đài quan sát trên mặt đất để theo dõi chuyển động của ngôi sao chủ khi lực hấp dẫn của TOI-1853 b thay đổi khi nó di chuyển qua quỹ đạo của nó. Gia tốc chuyển động của ngôi sao do lực cản này có thể được sử dụng để ước tính khối lượng của hành tinh.

Hóa ra TOI-1853 b có nhiều từ khối. Khối lượng của nó ước tính gấp 73 lần khối lượng Trái đất, hoặc gấp hơn bốn lần khối lượng Sao Hải Vương. Rõ ràng, điều này có nghĩa là thành phần của nó phải hoàn toàn khác với thành phần của Sao Hải Vương.

Giòn từ trong ra ngoài?

Các nhà nghiên cứu tham gia vào quá trình phát hiện ra nó đã dành phần lớn văn bản để mô tả TOI-1853 b kỳ lạ như thế nào. Có những hành tinh có mật độ tương tự, nhưng thường nhỏ hơn nhiều, đó là những siêu Trái đất được hình thành bằng cách tước bỏ bầu khí quyển của một hành tinh giống Sao Hải Vương. Có những hành tinh có khối lượng tương tự, nhưng lớn gấp đôi và có khả năng có bầu khí quyển và/hoặc đại dương rộng lớn. “Nó chiếm một khu vực của cụm quỹ đạo [distance] Các nhà nghiên cứu kết luận rằng “khu vực của các hành tinh nóng trước đây không có vật thể tương ứng với khu vực khô hơn trên sa mạc nóng bỏng của Sao Hải Vương”.

Những điều kỳ lạ không kết thúc ở đó. Hai sự kết hợp có ý nghĩa với mật độ chơi ở đây. Một là hành tinh này được tạo thành gần như hoàn toàn từ vật liệu đá giống như Trái đất, với bầu khí quyển rất mỏng chỉ chiếm tối đa 1% khối lượng của nó. Giải pháp thay thế là khối lượng được phân bổ đều giữa lõi đá và một lớp nước khổng lồ.

Tất nhiên, đây sẽ không phải là nước như chúng ta biết. Do nó ở gần ngôi sao chủ và áp suất cực lớn từ đại dương rộng lớn này, ít nhất một phần nước đó sẽ ở trạng thái siêu tới hạn và áp suất gần lõi đá sẽ buộc nước tạo thành chất rắn áp suất cao. Mọi chuyện trong lòng cũng sẽ lạ lùng không kém. Như các nhà nghiên cứu lưu ý, “các tính chất của vật chất ở áp suất trung tâm cao như vậy vẫn chưa chắc chắn”.

Chúng ta không chỉ đấu tranh để hiểu hiện tại của nó mà còn bối rối khi nhắc đến quá khứ của nó. Các hạt bụi nhỏ từ đĩa hình thành hành tinh sẽ ngừng tích tụ trước khi TOI-1853 b đạt khối lượng hiện tại, vì ngay cả một hành tinh nhỏ hơn cũng có thể phá vỡ đĩa. Khó có khả năng nó hình thành ở vị trí hiện tại, vì chất rắn khó ngưng tụ ở đó.

Hai khả năng, không thể xảy ra

Các nhà nghiên cứu đề xuất hai khả năng. Một là một nhóm các hành tinh nhỏ hình thành xa hơn và sau đó mất ổn định quỹ đạo của chúng khi đĩa dần dần bốc hơi. Điều này có thể dẫn đến những vụ va chạm làm vỡ tan nhiều hành tinh, sau đó khiến các mảnh vỡ của chúng tạo thành một vật thể duy nhất. Nhưng những quá trình này có xu hướng không tạo thành các vật thể đơn lẻ và có lẽ sẽ cần nhiều hành tinh để mang theo lượng vật chất tương đương với 73 Trái đất.

Giải pháp thay thế là một số hành tinh khí khổng lồ hình thành ở xa hơn nhiều và sau đó làm mất ổn định quỹ đạo của nhau, khiến một hành tinh có độ lệch tâm cao, với một phần quỹ đạo cực kỳ gần với ngôi sao chủ. Điều này sẽ cho phép nó thu thập vật liệu từ các phần bên trong của đĩa hình thành hành tinh, một quá trình có thể cho phép một hành tinh giống Sao Mộc tăng gần gấp đôi khối lượng của nó. Quỹ đạo tối đa của nó cũng sẽ cho phép nó truyền bầu khí quyển của nó tới ngôi sao. Sau khi các quá trình này hoàn tất, tương tác thủy triều giữa hành tinh và ngôi sao cuối cùng sẽ khiến quỹ đạo của nó trở nên đều đặn hơn.

Không có gì là không thể về mặt vật lý đối với bất kỳ cơ chế hình thành nào trong số này, nhưng cả hai đều đòi hỏi một loạt các sự kiện bất ngờ. Vũ trụ rất lớn và có thể những điều này đang xảy ra ở đâu đó, nhưng có vẻ không hợp lý khi mong đợi rằng chúng ta sẽ tìm ra hậu quả của chúng nhanh đến vậy.

Một điều có thể giúp chúng ta hiểu được nguồn gốc của TOI-1853 b là sự hiện diện của các hành tinh khác trong hệ thống, điều này có thể giúp chúng ta hiểu được điều gì đang xảy ra ở phần bên trong của hệ thống bên ngoài này. TOI-1853 b quá lớn và quá gần đến mức nó phát ra tín hiệu lớn và chúng ta sẽ gặp khó khăn khi phát hiện bất kỳ hành tinh nào khác trong hệ thống này. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng một thứ gì đó nặng bằng 10 Trái đất cũng có thể quay quanh ngôi sao và chúng ta đã bỏ lỡ điều đó. Phản hồi liên tục có thể là chìa khóa để hiểu hệ thống.

Thiên nhiên, 2023. DOI: 10.1038/s41586-023-06499-2 (về định danh kỹ thuật số).