Các hành tinh băng khổng lồ Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương gần như không đủ lực ép, mọi sự chú ý đổ dồn về những người anh em của chúng, Mộc Tinh khổng lồ Thổ Tinh lộng lẫy. Thoạt nhìn, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương chỉ là những quả cầu nhạt nhẽo, nhàm chán chứa các phần tử kém thú vị. Tuy nhiên, ẩn sâu bên dưới vẻ bề ngoài của những thành tinh này có thể là một thứ gì đó ngoạn mục: một trận mưa kim cương không ngừng.
“Những hành tinh băng khổng lồ” là cái tên mà các nhà thiên văn học dùng để phân loại các hành tinh ở ngoài cùng của hệ mặt trời, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương.
Tuy nhiên, rắc rối là cái tên này chằng liên quan gì đến băng đá theo nghĩa mà bạn thường cảm nhận – chẳng hạn như, những viên đá lạnh trong đồ uống của bạn. Điều khác nhau đến từ cấu tạo của các hành tinh này. Những hành tinh khí khổng lồ của hệ mặt trời, Sao Mộc và Sao Thổ, chủ yếu được cấu tạo hoàn toàn từ các khí: hydro và heli. Bởi sự phát triển nhanh chóng của các nguyên tố đó mà các hành tinh khổng lồ này trở nên to lớn về kích thước như hiện tại.
Ngược lại, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có cấu tạo chủ yếu là nước, ammoniac và mê tan. Các nhà thiên văn học thường gọi các phân tử này là các khối “băng,” nhưng không thật sự cho lý do chính đáng cho việc này, ngoài trừ là lúc ban đầu, khi các hành tinh này được hình thành các phân tử đó chắc chắn ở thể rắn.
Tiến vào những phần bên trong (không hẳn vậy) đóng băng
Sâu bên dưới các đỉnh mây màu lục hoặc làm của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có rất nhiều nước, ammiac và mê tan. Nhưng, những hành tinh băng khổng lồ này chắc chắn có lõi cứng như đá được bao quanh bởi những nguyên tố bị ép thành các dạng lượng tử kỳ lạ. Vào một thời điểm nào đó, lượng tử kỳ quặc này chuyển thành một dạng “súp” siêu nén thường loãng ra khi bạn tiến gần hơn đến bề mặt.
Nhưng thành thật mà nói, chúng ta chưa hiểu nhiều về những phần bên trong của các hành tinh băng khổng lồ này. Lần gần đây nhất chúng ta thu được những dữ liệu chi tiết về hai hành tinh này đã là 3 thập kỷ trước, khi tàu vũ trụ Voyager 2 đang thực hiện sứ mệnh lịch sử của mình.
Từ đó trở đi, Sao Mộc và Sao Thổ đóng vai trò là chủ nhà tiếp đón rất nhiều những con tàu thăm dò đưa vào quỹ đạo, nhưng tầm nhìn về hai hành tinh này của chúng ta chỉ giới hạn trong những gì quan sát được bằng kính thiên văn.
Để cố gắng hiểu được những gì bên trong các hành tinh này, các nhà thiên văn học và các nhà khoa học về hành tinh đã kết hợp những dữ liệu sơ sài với những thí nghiệm trong phòng nghiệm để có thể tái tạo lại tình trạng phần bên trong của các hành tinh đó. Thêm vào đó, họ dùng các kiến thức toán học cũ – rất nhiều trong số đó. Mô hình toán học giúp các nhà thiên văn học hiểu được những gì đang xảy ra trong một trạng thái đã quy định dựa trên những dữ liệu có hạn.
Và nhờ có mô hình toán học và các thí nghiệm, chúng ta thấy rõ Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có lẽ có cái gọi là mưa kim cương.
Mưa kim cương
Khái niệm về mưa kim cương lần đầu tiên được đưa ra trước khi con tàu Voyager 2 thực hiện sứ mệnh vũ trụ được phóng lên vũ trụ năm 1977. Lý do rất đơn giản: Chúng ta biết được Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có cấu tạo thế nào và biết rằng càng ở sâu bên trong một hành tinh, vật chất càng trở nên nóng hơn và dày đặc hơn. Mô hình toán học giúp diễn giải một cách chi tiết, chẳng hạn như các vùng trong cùng của lớp vỏ của các hành tinh này chắc chắn có nhiệt độ khoảng chừng 6.727 độ C và áp suất lớn hơn áp suất khí quyển Trái Đất 6 lần.
Những mô hình tương tự cũng cho ta biết các lớp vỏ ngoài cùng có nhiệt độ thấp hơn, khoảng chừng 1.727 độ C và áp suất nhỏ hơn áp suất khí quyển Trái Đất 200.000 lần. Và cũng vậy, hiển nhiên người ta đặt ra các câu hỏi: Điều gì xảy ra với nước, ammoniac và mê tan ở các kiểu điều kiện nhiệt độ và áp xuất như thế?
Đặc biệt với mê tan, áp suất lớn có thể làm phá vỡ các phân tử, giải phóng carbon. Carbon sau đó tìm được người anh em đồng loại, hình thành nên các chuỗi dài. Các chuỗi dài này sau đó siết chặt vào nhau hình thành nên các tinh thể trong suốt như kim cương.
Các kim cương được hình thành dày đặc này sau đó rơi qua các lớp vỏ của hành tinh này cho đến khi trở nên quá nóng, tại đó chúng bay hơi và bốc ngược trở lên và lặp lại chu trình này – vì lẽ đó có thuật ngữ “mưa kim cương.”
Những viên kim cương sinh ra trong phòng nghiệm
Cách tốt nhất để kiểm chứng ý niệm này là phóng một con tàu vũ trụ lên Sao Thiên Vương hoặc Sao Hải Vương. Nhưng, không phải lúc nào cũng thực hiện được lựa chọn này, vì thế chúng ta phải thực hiện theo cách tốt nhất thứ hai: các thí nghiệm trong phòng nghiệm.
Trên Trái Đất, chúng ta có thể phóng các tia laser mạnh nhằm mục đích tái tạo nhanh chóng các nhiệt độ bà áp suất được tìm thấy bên trong hai hành tinh băng khổng lồ này. Một thí nghiệm với nhựa polystyrene (còn gọi là Styrofoam) có thể tạo ra các viên kim cương có kích thước nano. Dù cả Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương đều không chứa nhiều polystyrene nhưng loại nhựa này dễ xử lý trong phòng nghiệm hơn mê tan hơn và có thể lẽ hoạt động rất giống nhau.
Hơn nữa, Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương có thể duy trì áp suất này trong khoảng thời gian lâu hơn nhiều trong phòng nghiệm, vì thế các viên kim cương đoán chừng có phát triển lên kích thước lớn hơn kích thước nano.
Kết quả cuối cùng thế nào? Dựa trên mọi thứ chúngta biết được về cấu tạo của các hành tinh băng khổng lồ này, về cấu trúc của nó, những kết quả từ các cuộc thí nghiệm và mô hình toán học của chúng ta, mưa kim cương là một điều rất thực tế.
