Khí hậu trên Trái đất thỉnh thoảng xuất hiện những hiện tượng dị thường, trong lịch sử từng ghi nhận những hiện tượng đặc biệt như mưa máu hay cơn mưa động vật. Nhưng trên các ngoại hành tinh, các hình thái khí hậu càng tỏ ra kỳ lạ hơn, thậm chí còn xuất hiện hiện tượng thiên văn được gọi là “mưa kim cương”.

Kỳ quan của những thiên thể xa xôi

Trên Trái đất, kim cương là một loại khoáng vật đắt đỏ và quý hiếm, được hình thành từ carbon nguyên chất trong môi trường nhiệt độ và áp suất cao. Một báo cáo liên quan vào năm 2020 chỉ ra rằng, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu trên sao Thiên Vương và sao Hải Vương – được biết đến là “những hành tinh khổng lồ băng giá” – để tìm hiểu xem liệu bên trong chúng có tồn tại cái gọi là “mưa kim cương” hay không. Nhà vật lý người Đức Dominik Kraus cho biết, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Đại học Stanford (Mỹ), cố gắng tái tạo lại môi trường áp suất cao ở lõi sao Hải Vương.

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng styrene có hàm lượng carbon cao để thay thế các phân tử metan trong hành tinh. Trước tiên, họ áp dụng nhiệt lượng và áp suất, sau đó thông qua tia laser để mô phỏng sóng xung kích, tạo ra môi trường có nhiệt độ khoảng 4726°C và áp suất 1,5 triệu atm – tương đương với việc đặt sức nặng của khoảng 250 con voi châu Phi lên đầu một cây kim. Kết quả cho thấy, dưới điều kiện áp suất cao, các nguyên tử hydro bị tách ra, trong khi các nguyên tử carbon kết hợp lại tạo thành kim cương kích thước nanomet.

Nghiên cứu chỉ ra rằng, nếu hiện tượng này xảy ra trên sao Thiên Vương và sao Hải Vương, chúng có thể hình thành những viên kim cương lớn hơn, thậm chí đạt tới quy mô hàng trăm kg. Tuy nhiên, những viên kim cương này được dự đoán là có hình cầu, chứa tạp chất và sẽ chìm dần xuống lõi hành tinh. Nếu chạm tới vùng nhiệt độ cao ở lõi, chúng có thể bị nóng chảy, hình thành những “tảng băng kim cương” trôi nổi trong biển carbon. Lượng nhiệt tỏa ra khi kim cương chìm xuống tương tự như hiệu ứng nhiệt độ cao được tạo ra khi sao băng xuyên qua bầu khí quyển Trái đất.

Đến năm 2022, tạp chí Science Advances đã công bố những kết quả nghiên cứu mới. Các nhà khoa học đã thêm oxy vào hỗn hợp hydrocarbon và cho rằng mưa kim cương trong vũ trụ có thể phổ biến hơn nhiều so với những ước tính trước đây. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu nhựa PET thường thấy trong bao bì thực phẩm, chiếu tia laser quang học công suất cao trong phòng thí nghiệm để quan sát quá trình hình thành kim cương nano. Phương pháp này khác với cách thức sử dụng chất nổ truyền thống, được xem là một con đường chế tạo sạch hơn, và có thể được ứng dụng trong y khoa cùng các lĩnh vực nghiên cứu trong tương lai.

Ngoài ra, một nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Nature Astronomy chỉ ra rằng, Tiến sĩ Mungo Frost từ Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC đã sử dụng các xung tia X cực mạnh để nén bọt xốp polystyrene, qua đó mô phỏng thành công sự hình thành kim cương trong những điều kiện ôn hòa hơn. Nghiên cứu cho thấy kim cương có thể được hình thành ở mức nhiệt độ và áp suất tương tự như các khu vực nông hơn của sao Thiên Vương và sao Hải Vương, thậm chí hiện tượng mưa kim cương cũng có thể xuất hiện ở các sao lùn khí (mini-Neptune) có quy mô nhỏ hơn.

Nghiên cứu này cũng đồng thời nhấn mạnh sự hình thành của mưa kim cương có thể tác động đến cấu trúc từ trường của hành tinh, cho thấy đây không chỉ là một hiện tượng vật lý mà còn liên quan chặt chẽ đến động lực học bên trong của các hành tinh.

Đại dương có nhiệt độ vượt quá 100°C

Trong vũ trụ, ngoài những cơn mưa kim cương được hình thành dưới áp suất cực cao, các nhà khoa học còn phát hiện một hệ hành tinh có môi trường vô cùng đặc biệt nằm cách Trái đất 73,3 năm ánh sáng: hệ sao lùn đỏ “TOI-270” (còn gọi là L 231-32). TOI-270 nằm trong chòm sao Hội Giá (Pictor), có khối lượng bằng khoảng 39% và bán kính bằng khoảng 38% Mặt trời, với nhiệt độ bề mặt vượt quá 3000°C.

Năm 2019, thông qua việc quan sát từ Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh bay ngang qua (TESS), các nhà khoa học đã xác nhận hệ này hiện chứa ba hành tinh: hành tinh trong cùng “TOI-270 b” được xem là một siêu Trái đất; hai hành tinh lớp ngoài là sao lùn khí (mini-Neptune), lần lượt được đặt tên là “TOI-270 c” và “TOI-270 d”. Trong đó, TOI-270 d nằm ở ngoài cùng là một trong những trọng tâm nghiên cứu. Thông qua quan sát từ Kính viễn vọng không gian Hubble, các nhà khoa học phát hiện bầu khí quyển của hành tinh này chứa rất nhiều khí hydro và có thể có hơi nước. Sau đó, bằng cách sử dụng dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian James Webb của NASA, cùng với sự phân tích của nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Cambridge (Anh), họ đã phát hiện ra bầu khí quyển của nó mang các đặc điểm hóa học của hơi nước, carbon dioxide và metan.

Giáo sư Nikku Madhusudhan thuộc Viện Thiên văn học của Đại học Cambridge, người sáng tạo ra thuật ngữ “hành tinh Hycean” (hành tinh đại dương), đồng thời là người dẫn dắt nghiên cứu này, chỉ ra rằng bề mặt của TOI-270 d có thể bị bao phủ hoàn toàn bởi một đại dương, và nhiệt độ đại dương này có thể vượt mức 100°C. Dưới môi trường áp suất cao, vùng đại dương nóng bỏng này vẫn có thể duy trì trạng thái lỏng thay vì lập tức hóa hơi. Giáo sư Madhusudhan mô tả, môi trường này thậm chí đủ nóng để luộc chín thức ăn, nhưng điều đó không có nghĩa là nó phù hợp cho con người sinh sống.

Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu của Canada lại đưa ra góc nhìn khác. Họ cho rằng nhiệt độ bề mặt của TOI-270 d có thể lên tới ít nhất 4000°C. Dưới điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt như vậy, nước không thể tồn tại ở dạng lỏng. Nhóm này cho rằng hành tinh có thể ở trong trạng thái nhiệt độ và áp suất cực cao, khiến nước xuất hiện dưới dạng “chất lưu siêu tới hạn”. Khi nhiệt độ và áp suất vượt qua điểm tới hạn, tính chất của chất khí và chất lỏng sẽ có xu hướng tương đồng nhau, tạo thành hiện tượng chất lưu đồng pha.

Từ cơn mưa kim cương trên sao Thiên Vương và sao Hải Vương, cho đến hệ hành tinh cách xa 73,3 năm ánh sáng có thể bị bao phủ bởi một đại dương rực lửa, thông qua các mô phỏng trong phòng thí nghiệm và quan sát từ kính viễn vọng không gian, các nhà khoa học đang không ngừng phơi bày diện mạo chân thực của những môi trường cực đoan trong không gian, đồng thời cũng cho thấy vũ trụ tồn tại những quy luật tự nhiên vượt xa ngoài phạm vi hiểu biết trên Trái Đất.

Theo Vision Times