Khám phá mới về mưa kim cương trong hệ Mặt trời

Bên dưới bầu khí quyển hydro-helium băng giá của sao Hải vương và sao Thiên vương là lớp phủ chất lỏng giàu nước, amoniac, mê tan và có thể là thứ gì đó chói lọi hơn nhiều: kim cương. Các nhà khoa học từ lâu đã nghi ngờ những viên đá quý siêu cứng này có thể rơi ra khỏi lớp ngoài của những hành tinh băng khổng lồ và đi vào lõi đá của chúng.

Tuy nhiên, phía trong của sao Thiên vương có thể không hào nhoáng như người ta từng mường tượng. Các kết quả lý thuyết được công bố vào ngày 27.2 trên tạp chí Nature Communications cho thấy rằng mặc dù các điều kiện lý tưởng hình thành kim cương có thể xảy ra trong lớp phủ của sao Hải vương, nhưng chúng có thể không tồn tại trên sao Thiên vương. Nhưng các nhà nghiên cứu khác cho biết bên trong những người khổng lồ băng vẫn còn bí ẩn đến mức việc dự đoán một cách tự tin về những cơn mưa phùn kim cương ở cả hai hành tinh sẽ phải chờ các sứ mệnh thám hiểm đến phía ngoài hệ Mặt trời trong tương lai.

Bà Ravit Helled (Đại học Zurich), người không tham gia nghiên cứu, cho biết: “Các hành tinh có khối lượng bằng sao Thiên vương và sao Hải vương dường như khá phổ biến trong thiên hà. Hiểu biết những gì diễn ra bên trong những hành tinh băng khổng lồ là “rất quan trọng đối với việc mô tả đặc điểm của các ngoại hành tinh, cũng như sự hiểu biết về nguồn gốc của chính chúng ta”.

Những viên kim cương trên bầu trời?

Sau khi tàu Voyager 2 bay ngang qua hai hành tinh băng này vào những năm 1980, các nhà khoa học nhận thấy rằng sao Hải vương phát sáng bằng sức nóng bên trong của chính nó (còn gọi là địa nhiệt), trong khi sao Thiên vương chỉ phản xạ năng lượng mà nó nhận được từ Mặt trời. Các nhà nghiên cứu đã tranh cãi để giải thích sự khác biệt kể từ đó.

Jonathan Fortney (Đại học California, Santa Cruz), cũng cho biết: “Trong nhiều thập niên qua, người ta đã cố gắng nghĩ xem tại sao chúng (sao Thiên vương và sao Hải vương) thực sự khác nhau, bởi vì chúng trông rất giống nhau”.

Nghiên cứu mới do Bingqing Cheng (Viện Khoa học và công nghệ Áo) đứng đầu cho thấy mưa kim cương có thể là một phần lời giải cho câu đố này. Khi các viên đá quý rơi qua lớp ngoài, chúng sẽ giải phóng năng lượng hấp dẫn dưới dạng nhiệt. Mặc dù ít bắt mắt hơn một tiểu hành tinh đang bốc cháy trong bầu khí quyển của chúng ta, nhưng nguyên tắc là tương tự. Thiên thạch (hoặc kim cương) cọ xát với bất kỳ lớp vật chất mà chúng rơi qua và sự cọ xát này giải phóng nhiệt.

Khi nhóm của Cheng tính toán “điểm đóng băng” của carbon trong các điều kiện như ở sao Hải vương và sao Thiên vương, họ phát hiện ra rằng có một dải nhiệt độ và áp suất hẹp lý tưởng để hình thành kim cương. Trong những điều kiện này, carbon và hydro tách ra khỏi nhau, cô đặc carbon thành một chất lỏng giàu carbon rất lý tưởng để hình thành kim cương. Chất lỏng cô đặc này có thể đóng băng dưới dạng mưa kim cương.

Cheng và các đồng nghiệp gợi ý rằng mặc dù hiện tượng thời tiết kim cương này có thể xảy ra trên sao Hải vương, nhưng các điều kiện không phù hợp với nó trên sao Thiên vương. Nếu đúng, điều này có thể giúp giải thích ánh sáng mờ ảo bí ẩn của hành tinh này so với người hành tinh anh em của nó.

Bí ẩn chưa có lời giải

Tuy nhiên, Fortney và Helled đều cảnh báo rằng các nhà khoa học vẫn chưa thực sự hiểu rõ bên trong những hành tinh băng khổng lồ sẽ như thế nào. Những cái nhìn cận cảnh duy nhất của nhân loại về sao Thiên vương và sao Hải vương là những chuyến bay ngang qua của tàu Voyager 2. Cho đến khi chúng ta quay trở lại khám phá phía ngoài hệ mặt trời, thật khó để nói chắc chắn liệu một trong hai hành tinh, có hiện tượng mưa kim cương rơi từ trên trời xuống hay không.

Trong khi chờ đợi, xây dựng các tính toán từ các mô hình máy tính về “điểm đóng băng” của carbon trên sao Thiên vương và sao Hải vương sẽ là một cách để kiểm tra ảnh hưởng của kim cương đối với nguồn nhiệt của các hành tinh. Fortney cho biết các nhà khoa học đã hiểu rõ về cách thức hoạt động của nó đối với mưa heli trên sao Thổ, nhưng sự hình thành kim cương trên những hành tinh băng khổng lồ chưa được đưa vào các mô hình hiện đại nhất.

Fortney nói: “Đối với tôi, nghiên cứu này đang cố gắng đưa sao Thiên vương và sao Hải vương vào cùng một mức độ phức tạp. Và cho đến bây giờ chúng ta vẫn chưa đạt được mức đó”.

Các nhà khoa học của Phòng nghiên cứu HZDR (Đức) năm 2022 đã sử dụng nhựa để tái tạo hiện tượng kết tinh kim cương tại các hành tinh băng giá. Ông Dominic Kraus cho biết nhóm của ông đã thêm oxy vào phản ứng và nhận thấy rằng “mưa kim cương” hình thành dễ dàng hơn.

Kraus và cộng sự sử dùng nhựa PET để thử chế tạo những "viên kim cương nano". Trong thí nghiệm, nhóm chiếu một tia sáng laser mạnh vào một mẫu vật liệu mỏng như phim, qua đó làm nóng nó lên đến 6.000C chỉ trong nháy mắt. Đồng thời người ta cũng tạo ra một sóng xung kích để nén vật liệu lên mức lớn hơn 1 triệu lần áp suất khí quyển, trong khoảng thời gian kéo dài chỉ vài nano giây.

Kraus cho biết: “Cho đến nay, chúng tôi đã sử dụng màng hydrocacbon cho các loại thí nghiệm này. Chúng tôi phát hiện ra rằng áp suất cực lớn và nhiệt cao đã tạo ra những viên kim cương rất nhỏ. Chúng tôi gọi chúng là kim cương nano”.

Ông nói thêm: "Vật liệu PET có sự cân bằng tốt giữa các thành phần carbon, hydro và oxy, giúp mô phỏng hoàn hảo hoạt động tạo kim cương trong các hành tinh băng. Tác dụng của oxy là đẩy nhanh quá trình phân tách cacbon và hydro. Nhờ tác động của oxy, các nguyên tử carbon có thể kết hợp dễ dàng hơn và tạo thành kim cương".

Theo Kraus, kim cương trên sao Hải vương và sao Thiên vương có thể xếp dày thành một lớp dày hàng trăm cây số. Giới nghiên cứu từng dự đoán rằng nhân loại sẽ có thể khai thác kim cương từ các hành tinh trong hệ Mặt trời. Họ thậm chí còn vẽ ra viễn cảnh mỗi chuyến đi khai thác có thể mang về nhiều tấn đá quý giá trị cao. 

Nghiên cứu của nhóm Kraus không chỉ giúp ta hiểu thêm về vũ trụ mà còn có giá trị ứng dụng thực tiễn, để sản xuất những viên kim cương có kích thước nanomet.