Sub-Neptune là một phân loại các hành tinh ngoại hệ có kích thước nằm giữa Trái Đất và Sao Hải Vương, thường có khí quyển dày đặc nhưng thành phần và cấu trúc bên trong có thể khác biệt đáng kể so với các hành tinh khí khổng lồ.

Dù không có nước lỏng trên bề mặt vì quá nóng, nhiều sub-Neptunes lại được cho là giàu nước bên trong. Chúng có bầu khí quyển chứa đầy hơi nước và các lớp nước ở trạng thái vật lý đặc biệt gọi là nước siêu tới hạn, không phải khí, cũng không phải lỏng, mà là một pha trung gian cực kỳ khó mô phỏng.

Vì sao các hành tinh này đặc biệt?

Sub-Neptunes rất phổ biến trong các hệ hành tinh mà kính viễn vọng ngoài vũ trụ quan sát được.Tuy nằm gần sao chủ và quá nóng để hỗ trợ sự sống như Trái Đất, nhưng chúng lại có thể giúp các nhà khoa học hiểu cách hành tinh hình thành.

Một số sub-Neptunes có thể chứa băng siêu ion, một trạng thái kỳ lạ của nước, chỉ hình thành trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao, nơi ion hydro di chuyển tự do trong mạng lưới oxy. Trạng thái này đã từng được tạo ra trong phòng thí nghiệm và được cho là tồn tại trong các hành tinh khổng lồ như Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.

Tại sao cần mô hình mới?

Trước đây, các mô hình dùng để nghiên cứu các hành tinh nước thường dựa trên việc mô phỏng các mặt trăng băng giá như Europa hay Enceladus. Tuy nhiên, những mặt trăng này nhỏ và lạnh, trong khi sub-Neptunes thì lớn và nóng, nên mô hình cũ không còn phù hợp.

Mô hình mới do nhóm nghiên cứu tại UC Santa Cruz phát triển đã tính đến:  Các trạng thái khác nhau của nước: hơi nước, nước siêu tới hạn, băng siêu ion; Dữ liệu thực nghiệm mới nhất về hành vi của nước trong điều kiện khắc nghiệt; Tiến trình tiến hóa của hành tinh – mô hình không chỉ nhìn vào thời điểm hiện tại, mà còn theo dõi sự thay đổi của hành tinh qua hàng triệu đến hàng tỷ năm

Hướng tới việc tìm kiếm sự sống

Theo Giáo sư Natalie Batalha, người đứng đầu chương trình sinh học vũ trụ tại UC Santa Cruz, các hành tinh này là “phòng thí nghiệm tự nhiên” để nghiên cứu những điều kiện vật lý mà con người khó có thể tái tạo trên Trái Đất. Nghiên cứu về chúng có thể mở ra ứng dụng mới hoặc thậm chí phát hiện ra môi trường sống tiềm năng ngoài Trái Đất.

Nhà nghiên cứu Aguichine cho biết nước là yếu tố then chốt: Nó tham gia vào các phản ứng hóa học cơ bản của sự sống (vừa là axit, vừa là bazơ); Hòa tan tốt các hợp chất sinh học như muối, đường và axit amin; Có thể tạo liên kết hydro, giúp nước có độ nhớt cao, điểm sôi cao, khả năng giữ nhiệt – tất cả đều hỗ trợ cho sự phức tạp cần thiết để sự sống hình thành

"Sự sống là sự phức tạp và nước chính là nền tảng tạo ra sự phức tạp đó." – Aguichine cho biết.

Vai trò của các kính viễn vọng vũ trụ

Kính viễn vọng James Webb (JWST) đã lần đầu tiên phát hiện hơi nước trong bầu khí quyển của một số sub-Neptunes. Trong tương lai, kính PLATO của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) sẽ tiếp tục tìm kiếm các hành tinh có điều kiện sống được. Các dữ liệu này sẽ giúp kiểm chứng và cải thiện mô hình hiện tại.

“PLATO sẽ cho chúng ta biết mô hình hiện giờ chính xác đến đâu, và cần điều chỉnh gì thêm. Các mô hình của chúng tôi vừa hỗ trợ các kính viễn vọng, vừa mở đường cho hành trình tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất.” – Aguichine chia sẻ.