MỘT VỤ VA CHẠM KHỔNG LỒ CÓ THỂ CỨU BẦU KHÍ QUYỂN CỦA MỘT HÀNH TINH

Đo kích thước của các ngoại hành tinh nhỏ, ta thấy chúng chia thành hai nhóm: một đỉnh ở khoảng 1,3 lần bán kính Trái Đất, một đỉnh khác ở khoảng 2,4 lần, với một chỗ trũng ở 1,75. Những hành tinh nhỏ được cho là các hành tinh đá trơ trụi — siêu Trái Đất. Những hành tinh lớn, tiểu Sao Hải Vương, có lẽ là các hành tinh đá vẫn còn được bao bọc trong bầu khí quyển nguyên thủy, giàu hydro. Vậy hẳn một số hành tinh đã mất rất nhiều hydro. Nhưng là những hành tinh nào, và bằng cách nào?

Nghi phạm quen thuộc

Các hành tinh đá có kích thước bằng hoặc lớn hơn Trái Đất được dự đoán sẽ hứng chịu một hoặc nhiều vụ va chạm khổng lồ vào cuối quá trình hình thành, một số xảy ra sau khi đĩa khí quanh ngôi sao trẻ đã tan biến. Một lời giải thích phổ biến cho hai nhóm này đổ lỗi cho những vụ va chạm muộn đó: cú sốc làm nóng lớp phủ của hành tinh, bề mặt nóng bỏng đẩy khí thoát ra ngoài, và một hành tinh có khí quyển biến thành một siêu Trái Đất.

Darius Modirrousta-Galian, thuộc Đại học Giao thông Thượng Hải, và Jun Korenaga, thuộc Đại học Yale, lập luận rằng bức tranh này bỏ quên một nửa bảng cân đối. Nghiên cứu của họ đã được tạp chí Nature Astronomy chấp nhận đăng.

Vế còn lại của bảng cân đối

Một vụ va chạm không chỉ làm nóng hành tinh. Nó còn bổ sung khối lượng, và toàn bộ khối lượng ấy làm sâu thêm giếng hấp dẫn đang giữ bầu khí quyển. Trong khi đó, chỉ một phần năng lượng va chạm thực sự làm ấm lớp phủ:

lõi kim loại của vật va chạm lao xuyên qua lớp phủ, nhả ra ít năng lượng trên đường đi, và kết thúc sâu bên trong, vẫn còn quá nhiệt;
đá đang nóng chảy hấp thụ năng lượng dưới dạng ẩn nhiệt, mà không làm tăng nhiệt độ;
phần nhiệt lên tới bề mặt bị suy giảm ở tầng cao khí quyển. Nhiệt độ ở các tầng chi phối sự thoát khí được quyết định bởi ánh sáng của ngôi sao, chứ không phải bởi mặt đất nóng bên dưới.

Với một hành tinh có lõi kim loại chiếm 30% khối lượng, khoảng 84% năng lượng va chạm đi vào lớp phủ, phù hợp với các mô phỏng va chạm chi tiết. Lượng khí bị vật va chạm trực tiếp xé đi là nhỏ; sóng xung kích thường lấy đi khoảng 10 đến 20% bầu khí quyển. Nhìn chung, các tác giả nhận thấy, sức níu hấp dẫn của hành tinh tăng nhiều hơn mức lớp phủ của nó nóng lên: sau vụ va chạm, bầu khí quyển bị giữ chặt hơn trước.

Một trăm triệu hành tinh

Để kiểm chứng điều này trên cả một quần thể, nhóm đã mô phỏng 100 triệu hành tinh với sự phân bố thực tế về khối lượng, nhiệt độ, lõi kim loại và bầu khí quyển. Trong mỗi lượt chạy, mọi hành tinh có xác suất 52%, 63% hoặc 74% (tùy lượt chạy) gặp một vụ va chạm khổng lồ sau khi đĩa khí đã biến mất — các giá trị này lấy từ những mô phỏng về sự hình thành hành tinh — với vật va chạm nặng tới một nửa khối lượng cuối cùng. Sau đó mô hình theo dõi lớp phủ nóng chảy khi nó nguội đi và bầu khí quyển khi nó rò rỉ dần, trong suốt 5 tỷ năm.

Kết quả tái tạo được hai đỉnh quan sát thấy, ở khoảng 1,3 và 2,4 bán kính Trái Đất với một chỗ trũng ở 1,75, cho mọi kịch bản va chạm được thử. Hai lượt chạy đối chứng cho thấy lý do. Không có bất kỳ vụ va chạm muộn nào, quá nhiều hành tinh trở nên trơ trụi. Với một vụ va chạm cho mọi hành tinh, quá nhiều hành tinh giữ lại hydro. Các vụ va chạm thiết lập thế cân bằng bằng cách đẩy các hành tinh vượt qua một ngưỡng khối lượng mà trên đó hydro được giữ lại.

Va chạm càng lớn, bầu khí quyển càng an toàn

Xác suất mất toàn bộ bầu khí quyển giảm khi khối lượng ban đầu của hành tinh và tỷ phần của vật va chạm tăng lên. Các tác giả khớp một đường cong đơn giản cho tỷ phần vật va chạm mà tại đó chỉ 1% hành tinh mất tất cả: χ = 0,58 − 0,0188 (M/M⊕)^1,794, trong đó χ là khối lượng vật va chạm chia cho khối lượng cuối cùng và M là khối lượng ban đầu tính bằng khối lượng Trái Đất. Với một hành tinh khởi đầu ở 5 khối lượng Trái Đất, đó là một vật va chạm bằng khoảng một phần tư khối lượng cuối cùng; phía trên đường cong, các hành tinh gần như luôn giữ được bầu khí quyển nguyên thủy.

Trái tim nặng hơn cho tiểu Sao Hải Vương

Nếu va chạm giúp hành tinh giữ hydro, thì các tiểu Sao Hải Vương có lẽ đã lớn lên qua nhiều va chạm hơn và sở hữu phần bên trong bằng đá nặng hơn các siêu Trái Đất. Các hành tinh đã được đo đạc đã chỉ theo hướng đó: tiểu Sao Hải Vương nặng hơn khoảng 4 đến 5 khối lượng Trái Đất, siêu Trái Đất thì nhẹ hơn. Các tác giả liệt kê những thiết bị có thể kiểm chứng ý tưởng này — JWST, Ariel và Twinkle tìm kiếm hydro trong khí quyển của các hành tinh lớn hơn, PLATO và JUST cân chúng, và Kính thiên văn Không gian Nancy Grace Roman vươn tới những thế giới nhỏ hơn, xa hơn.