Các nhà thiên văn học vừa phát hiện một ngoại hành tinh có kích thước lớn và mật độ cao bất thường, thách thức những hiểu biết thông thường về quá trình hình thành các hành tinh đá.
Được gọi là GJ 523b, ngoại hành tinh này có đường kính lớn hơn Trái Đất khoảng 2,5 lần nhưng có khối lượng lên tới khoảng 23 lần Trái Đất. Những thiên thể có kích thước và khối lượng lớn như vậy đôi khi được gọi không chính thức là “siêu Trái Đất” (mega-Earth), dùng để chỉ những hành tinh có khối lượng đặc biệt lớn nhưng thành phần chủ yếu là đá.
Theo Đại học Wisconsin–Madison, mật độ cao của GJ 523b cho thấy hành tinh này có tương đối ít khí quyển, dù với kích thước như vậy, các nhà thiên văn thường dự đoán nó phải tích tụ một lớp khí dày đáng kể.
“Đây hoàn toàn không phải điều chúng tôi dự đoán,” Max Kroft, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Những hành tinh có mật độ cao như vậy không phải hiếm, nhưng chúng thường là những hành tinh đá nhỏ, tương tự Trái Đất hoặc sao Thủy.”
GJ 523b ban đầu được vệ tinh khảo sát ngoại hành tinh chuyển tiếp TESS của NASA xác định là một ứng viên. TESS tìm kiếm những thay đổi tuần hoàn về độ sáng của các ngôi sao khi hành tinh đi qua phía trước chúng. Sau đó, các nhà nghiên cứu sử dụng kính thiên văn WIYN đường kính 3,5 m tại Đài thiên văn Quốc gia Kitt Peak ở Arizona để quan sát bổ sung, trong đó có sử dụng máy quang phổ đo lực hấp dẫn mà hành tinh tác động lên ngôi sao chủ.
Kết hợp các dữ liệu, nhóm nghiên cứu tính toán GJ 523b có khối lượng khoảng 23,5 lần Trái Đất, bán kính lớn gấp 2,55 lần và mật độ khoảng 126,82 g/cm³, tức lớn gấp hơn 11 lần so với khối lượng riêng của chì trên Trái Đất. Hành tinh này hoàn thành một vòng quanh ngôi sao chủ sau 17,75 ngày. Hệ hành tinh cũng tương đối trẻ, với tuổi ước tính gần 170 triệu năm.
Sự kết hợp giữa kích thước, khối lượng và tuổi đời của GJ 523b tạo ra một bài toán khó đối với các mô hình hình thành hành tinh hiện nay.
Các hành tinh hình thành từ những lõi đá và kim loại, sau đó có thể hút hydro và heli từ đĩa khí và bụi bao quanh một ngôi sao trẻ. Trong Hệ Mặt Trời, các hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc và Sao Thổ được cho là bắt đầu tích tụ nhanh chóng lớp khí khổng lồ khi lõi của chúng đạt khối lượng khoảng 20 lần Trái Đất.
GJ 523b hiện có khối lượng khoảng 23 lần Trái Đất, vượt qua ngưỡng này. Tuy nhiên, thay vì phát triển thành một hành tinh giàu khí, mật độ cao bất thường cho thấy nó chứa tương đối ít khí và vẫn chủ yếu cấu tạo từ đá. Điều này đặt ra câu hỏi vì sao hành tinh này lại phát triển theo một con đường khác.
“Câu hỏi là tại sao hành tinh này không làm như vậy, khi nó có khối lượng gấp 20 lần Trái Đất?” Kroft nói.
Một khả năng là GJ 523b ban đầu hình thành với một lớp khí quyển dày nhưng sau đó bị “tước đoạt” mất. Khả năng khác là hành tinh này hình thành sau một vụ va chạm giữa hai hành tinh, khiến một thế giới đá lớn hơn hình thành đồng thời thổi phần lớn lớp khí quyển của các thiên thể ban đầu ra không gian.
Các nhà thiên văn đã sử dụng thuật ngữ “siêu Trái Đất” trong hơn một thập niên để mô tả những hành tinh đá có khối lượng đặc biệt lớn. Tuy nhiên, đây chưa phải một phân loại ngoại hành tinh chính thức. Việc phát hiện thêm những hành tinh tương tự GJ 523b có thể giúp các nhà khoa học xác định liệu chúng là những trường hợp đặc biệt hiếm gặp hay thuộc về một nhóm thiên thể phổ biến hơn.
“Rất khó rút ra kết luận về quá trình hình thành hành tinh nói chung chỉ từ một mẫu duy nhất,” Kroft nói. “Chúng ta sẽ không tìm được 10.000 hành tinh có mật độ cao bất thường như thế này, nhưng nếu có 20 hoặc 30 hành tinh, có thể chúng ta sẽ bắt đầu nhận thấy một số xu hướng.”
Nghiên cứu đã được gửi tới The Astronomical Journal và hiện được công bố dưới dạng bản thảo trên máy chủ arXiv.
Hình minh họa so sánh Trái Đất với ngoại hành tinh đặc biệt kỳ lạ 55 Cancri e. Hành tinh này nhiều khả năng được cấu tạo từ vật chất nhẹ, khác với “siêu Trái Đất” mới được phát hiện, vốn có vẻ chủ yếu cấu tạo từ đá. Ảnh: NASA
