Khí quyển Mộc tinh thiếu neon vì những cơn mưa helium

Trên Trái đất, helium là chất khí dùng để thả khinh khí cầu, như trong bộ phim mang tên gọn lỏn “Up”. Tuy nhiên, ở phía trong của Mộc tinh, các điều kiện lạ lùng đến mức, theo những tiên đoán của các nhà khoa học tại trường đại học California, Berkeley, helium ngưng tụ thành giọt và rơi xuống giống như mưa.

Một lát cắt qua phần trong của Mộc tinh cho thấy những lớp phía trên đã trút hết helium và neon, lớp mỏng nơi những giọt helium ngưng tụ và rơi xuống, và phần lõi sâu bên trong nơi helium và neon một lần nữa trộn lẫn với hydrogen kim loại. (Ảnh: Burkhard Militzer)

Mưa helium trước đây đã được đề xuất để giải thích độ sáng quá mức của Thổ tinh, một khối khí khổng lồ giống như Mộc tinh, nhưng khối lượng chỉ bằng một phần ba.

Tuy nhiên, trên Mộc tinh, các nhà khoa học UC Berkeley khẳng định mưa helium là cách tốt nhất để giải thích sự thiếu hụt neon trong những lớp ngoài cùng của hành tinh lớn nhất thuộc hệ mặt trời. Neon hòa tan trong những giọt mưa helium và rơi xuống phần lõi sâu hơn, nơi đó nó ngừng hòa tan, làm trút hết những lớp trên cùng của cả hai nguyên tố, phù hợp với những quan sát.

“Ban đầu, helium ngưng tụ thành sương trong lớp phía trên, giống như một đám mây, và khi các giọt helium lớn lên, chúng rơi xuống phần lõi sâu hơn”, phát biểu của nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại UC Berkeley, Hugh Wilson, đồng tác giả của một bài báo cáo đăng trên số ra tuần này của tờ Physical Review Letters. “Neon hòa tan trong helium và rơi cùng với nó. Cho nên, nghiên cứu của chúng tôi liên hệ sự thiếu hụt neon quan sát thấy trong khí quyển [Mộc tinh] với một quá trình đã được đề xuất khác, đó là mưa helium”.

Đồng tác giả cùng với Wilson, Burkhard Militzer, phó giáo sư khoa học trái đất và khoa học hành tinh và thiên văn học tại trường UC Berkeley, lưu ý rằng “mưa” – những giọt nước rơi trên Trái đất – là một so sánh không hoàn toàn đúng với cái xảy ra trong khí quyển của Mộc tinh. Những giọt helium ở sâu khoảng 10.000 đến 13.000 km bên dưới ranh giới trên cùng của những đám mây hydrogen của Mộc tinh, dưới áp suất và nhiệt độ cao đến mức “bạn không thể nói hydrogen và helium là chất khí hay là chất lỏng nữa”, ông nói. Chúng đều ở dạng lỏng, nên mưa thật ra là những giọt helium lỏng trộn lẫn với neon rơi xuyên qua một chất lỏng hydrogen kim loại.

Dự đoán của các nhà nghiên cứu trên còn giúp trau chuốt các mô hình phần bên trong của Mộc tinh và lõi của những hành tinhkhasc, theo Wilson. Việc lập mô phỏng phần bên trong của các hành tinh đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu sôi động kể từ khi khám phá ra hàng trăm hành tinh ngoài hệ mặt trời tồn tại trong những môi trường cực đoan xung quanh những ngôi sao khác. Nghiên cứu trên cũng sẽ liên quan đến sứ mệnh Juno của NASA lên Mộc tinh, theo lịch định sẽ phóng lên vào năm tới.

Militzer và Wilson là hai trong số những nhà mô phỏng trên, sử dụng “lí thuyết hàm mật độ” để dự đoán tính chất của phần bên trong Mộc tinh, đặc biệt là cái xảy ra với những thành phần chiếm trội – hydrogen và helium – khi nhiệt độ và du tăng dần về phía tâm của hành tinh. Những điều kiện này quá cực đoan để tái tại lại trong phòng thí nghiệm. Ngay cả những thí nghiệm trong những ô đe kim cương cũng chỉ có thể tạo ra áp suất tại lõi của Trái đất. Năm 2008, các mô phỏng máy tính của Militzer đã dẫn tới kết luận rằng lõi đá của Mộc tinh bị bao quanh bởi một lớp dày gồm băng methane, nước và ammonia khiến nó to gấp đôi so với dự đoán trước đây.

Hai nhà mô phỏng bắt tay vào nghiên cứu hiện nay của họ vì một khám phá bởi tàu vũ trụ Galileo hạ cánh xuống khí quyển Mộc tinh hồi năm 1995 và gửi về những phép đo nhiệt độ, áp suất và sự phong phú nguyên tố cho đến khi nó bị nghiến tan tành dưới sức ép của bầu khí quyển. Tất cả các nguyên tố dường như hơi giàu có hơn một chút so với sự phong phú trên mặt trời – được cho là bằng với sự phong phú nguyên tố cách nay 4,56 tỉ năm trước khi hệ mặt trời hình thành – ngoại trừ với helium và neon. Neon nổi bật lên vì nó phong phú bằng một phần mười so với trên mặt trời.

Những mô phỏng của họ cho thấy cách duy nhất neon có thể bị loại khỏi bầu khí quyển tầng trên là nó đã rơi cùng với helium, vì neon và helium hòa lẫn với nhau thật dễ dàng, giống như rượu và nước vậy. Những tính toán của Militzer và Wilson đề xuất rằng ở độ sâu chừng 10.000 đến 13.000 km bên dưới Mộc tinh, nơi nhiệt độ khoảng chừng 5000 độ C, và áp suất gấp 1 đến 2 triệu lần áp suất khí quyển trên Trái đất, hydrogen biến thành một kim loại dẫn. Helium, vẫn chưa thành kim loại, không hòa lẫn với hydrogen kim loại, nên nó hình thành nên những giọt, giống như những giọt dầu ở trong nước.

Kịch bản này mang lại một lời giải thích cho sự loại neon khỏi bầu khí quyển tầng trên.

“Khi helium và neon rơi sâu hơn vào trong hành tinh, lớp vỏ giàu hydrogen còn lại từ từ xả hết neon lẫn helium”, Militzer nói.”Hàm lượng đo được của hai nguyên tố phù hợp về mặt định lượng với những tính toán của chúng tôi”.

Mưa helium trên sao Thổ đã được dự đoán vì một quan sát khác: Sao Thổ ấm hơn so với nó nên như vậy, dựa trên tuổi của nó và tốc độ nguội đi đã tiên đoán. Mưa rơi giải phóng nhiệt giải thích cho sự khác biệt đó.

Nhiệt độ của Mộc tinh phù hợp với những mô hình của tốc độ nguội đi và tuổi của nó, và không đòi hỏi giả thuyết mưa helium cho đến khi khám phá ra sự trút xả neon trong khí quyển. Thật thú vị, nhà lí thuyết David Stevenson thuộc Viện Công nghệ California (Caltech) đã tiên đoán sự trút xả neon trên Mộc tinh trước cả những những phép đo của phi thuyền Galileo, nhưng ông chưa hề đưa ra một lời giải thích nào cho sự dự đoán của ông.

Tham khảo: Sequestration of Noble Gases in Giant Planet Interiors, Hugh F. Wilson và Burkhard Militzer, Phys. Rev. Lett. 104, 121101 (2010) – Số ra ngày 22/3/2010, Download PDF (free)

Theo PhysOrg.com