Mưa kim cương trên Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương
Chắc hẳn bạn đã không ít lần nghe về các hành tinh có mưa kim cương, và một trong số đó là hai hành tinh xa xôi trong Hệ Mặt Trời của chúng ta Hải Vương và Thiên Vương. Hai gã khổng lồ băng thường không được chú ý nhiều bằng hai người anh em khí khổng lồ Mộc và Thổ. Thoạt nhìn, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương chỉ giống như hai quả bóng xanh khổng lồ, đơn điệu chứ không sặc sỡ như Sao Mộc và Thổ. Nhưng ẩn bên dưới lớn ngoài cổ điển này là một thế giới với những cơn mưa kim cương liên tục.
Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Các hành tinh khí khổng lồ Mộc và Thổ được tạo ra gần như hoàn toàn từ khí Hydro và Heli, ngược lại Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương được hình thành từ phần lớn là nước, amoniac và metan, các nhà thiên văn thường gọi các phân tử này là ‘băng’ nhưng thực sự không có lý do chính đáng nào cho nó ngoại trừ việc khi các hành tinh này hình thành, những thành phần đó có thể ở dạng rắn.
Sâu bên trong
Sâu bên dưới bầu khí quyển xanh ngọc hay xanh lam của hai hành tinh, có rất nhiều nước, methan và amoniac. Nhưng những khối băng khổng lồ này có thể có lõi đá được bao quanh bởi các phần tử có thể bị nén thành các trạng thái lượng tử lạ. Tại một số điểm, sự kỳ lạ lượng tử đó chuyển thành một “soup” siêu áp suất thường loãng ra khi càng gần bề mặt.
Nhưng thực sự mà nói, chúng ta không biết nhiều về thành phần cấu tạo của hai hành tinh băng khổng lồ này. Lần cuối cùng chúng ta có được dữ liệu cận cảnh về hai thế giới băng đó là từ ba thập kỷ trước, khi tàu Voyager 2 đến gần trong một phần sứ mệnh lịch sử của nó. Kể từ đó, Sao Mộc và Sao Thổ đóng vai trò chủ nhà đón nhiều tàu thăm dò quỹ đạo, và tầm nhìn của chúng qua về Sao Thiên Vương và Hải Vương chỉ giới hạn trong quan sát bằng kính thiên văn.
Để cố gắng hiểu hơn về những gì đang tồn tại bên trong hai hành tinh này, các nhà thiên văn học và các nhà khoa học hành tinh phải lấy dữ liệu ít ỏi cùng với các kết quả trong phòng thí nghiệm nhằm tái tạo lại các điều kiện xảy ra bên dưới bầu khí quyển của hành tinh. Thêm nữa, họ sử dụng một số phép tính và các mô hình toán học giúp các nhà khoa học hiểu hơn về điều gì đang xảy ra, ít nhất là tình huống dựa trên các dữ liệu ít ỏi.
Mưa Kim cương
Ý tưởng về mưa kim cương lần đầu được đề xuất là vào thời điểm trước khi phòng Voyager 2 vào năm 1977. Với lý do khá đơn giản, rằng chúng ta biết Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương được hình thành từ gì, và chúng ta biết rằng vật chất sẽ trở nên nóng và đặc hơn khi tiến sâu vào bên trong hành tinh. Mô hình toán học giúp khám phá các chi tiết chẳng hạn như vùng trong cùng của hành tinh có nhiệt độ khoảng 6.727 độ C (7000 K) và áp suất gấp 6 triệu lần khí quyển Trái Đất.
Những mô hình tương tự cũng hé lộ nhiều thông tin hơn về lớp bên ngoài cùng của hành tinh, nhiệt độ thấp hơn và vào khoảng 1.727 độ C (2000K),và áp suất gấp 200.000 lần áp suất khí quyển của Trái Đất
Đặc biệt, với metan, áp suất cao có thể làm phân tử của nó bị phá vỡ, giải phóng Carbon. Sau đó Carbon tìm thấy những người anh em khác của nó, tạo với nhau thành một chuỗi Carbon dài, với sức ép lớn khiến chúng trở thành những mẫu tinh thể kim cương. Kim cương được hình thành sau đó rơi qua các lớp khí quyển cho đến khi gặp áp suất và nhiệt độ cao hơn, chúng sẽ bốc hơi ngược lên và lặp lại chu kỳ giống như vòng tuần hoàn mưa trên Trái Đất.
Kim cương trong phòng thí nghiệm
Các chính xác nhất để xác thực ý tưởng này là gửi một tàu vũ trụ đến Sao Thiên Vương hoặc Sao Hải Vương, tuy nhiên thì điều này không dễ dàng gì, vậy nên cách thứ hai đó là các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Trên Trái đất , chúng ta có thể bắn tia laze mạnh vào các mục tiêu để tái tạo rất nhanh nhiệt độ và áp suất được tính toán bên trong các hành tinh băng khổng lồ. Một thí nghiệm với polystyrene (hay còn gọi là Styrofoam) đã có thể tạo ra những viên kim cương có kích thước nano. Nhưng trên thực tế, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương không chứa một lượng lớn polystyrene, nhưng nhựa dễ xử lý hơn khí metan trong phòng thí nghiệm và có lẽ cách thức hoạt động giữa chúng cũng rất giống nhau.
Ngoài ra, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có thể duy trì những áp suất đó lâu hơn rất nhiều so với tia laser trong phòng thí nghiệm, do đó, những viên kim cương có lẽ có thể lớn hơn rất nhiều so với kích thước nano.
Tham khảo:
1. Yes, there is really 'diamond rain' on Uranus and Neptune
