Để hiểu được Hệ Mặt Trời sơ khai hỗn loạn như thế nào, chúng ta chỉ cần nhìn vào Mặt Trăng. Bề mặt hố va chạm của nó mang những vết sẹo từ vô số vụ va chạm. Hệ Mặt Trời sơ khai giống như một bãi đổ nát nơi các vật thể đập vào nhau trong các vụ va chạm liên tiếp. Điều tương tự cũng đúng trong tất cả các hệ Mặt Trời trẻ, và trong một bài báo mới, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng một vụ va chạm giữa hai hành tinh khổng lồ để xem điều gì sẽ xảy ra.

Lõi của một số ngoại hành tinh khổng lồ có thể chứa hơn 100 khối lượng Trái Đất vật chất rắn. Những hành tinh này có thể phát triển lớn như vậy và chứa nhiều kim loại như vậy vì chúng va chạm và hợp nhất với lõi của nhiều ngoại hành tinh nhỏ hơn, mỗi lõi chứa khoảng 10 khối lượng Trái Đất. Trong nghiên cứu mới, các nhà thiên văn học đã mô phỏng một vụ va chạm giữa một hành tinh khí khổng lồ trẻ hơn, nhỏ hơn và một hành tinh khí khổng lồ già hơn, lớn hơn để xem liệu vụ va chạm có tạo ra sóng địa chấn tồn tại lâu dài mà JWST có thể phát hiện hay không.

Nghiên cứu có tên " Dao động địa chấn do tác động lớn lên các hành tinh khổng lồ được chụp trực tiếp ". Tác giả chính là JJ Zanazzi , một nhà vật lý lý thuyết tại UC Berkeley, người nghiên cứu về sự hình thành hành tinh.

Có hai câu hỏi hướng dẫn công việc này. Một câu hỏi là liệu một vụ va chạm lớn như thế này có tạo ra sóng địa chấn mạnh và kéo dài hay không, và câu hỏi thứ hai là liệu JWST có thể phát hiện ra chúng hay không. JWST không thể phát hiện ra sóng địa chấn nhưng có thể phát hiện ra những thay đổi trong ánh sáng với độ chính xác cực cao. Nếu sóng địa chấn đủ mạnh, kính viễn vọng không gian có thể phát hiện ra chúng thông qua những thay đổi quang trắc trong hành tinh khổng lồ.

"Về nguyên tắc, các tác động ở quy mô hành tinh có thể kích thích các dao động địa chấn trong các ngoại hành tinh được chụp ảnh trực tiếp, có thể được phát hiện bởi các sứ mệnh trên không gian như JWST và Roman", các tác giả viết. "Ở đây chúng tôi chỉ ra rằng một tác động khổng lồ với một hành tinh khí khổng lồ trẻ kích thích các dao động địa chấn tồn tại lâu dài có thể được phát hiện bằng phương pháp đo quang".

Họ nhắm vào một ngoại hành tinh cụ thể có tên là Beta Pictoris b, một siêu sao Mộc trẻ với khối lượng khoảng 13 lần Sao Mộc. Beta Pictoris b chỉ khoảng 12 triệu đến 20 triệu năm tuổi. Hệ thống Beta Pictoris và ngoại hành tinh là chủ đề của nhiều nghiên cứu. Nghiên cứu cho thấy hành tinh này giàu kim loại, có thể là do "sự làm giàu mạnh mẽ của các hành tinh nhỏ", một bài báo năm 2019 cho biết. Ngoại hành tinh khổng lồ này chứa từ 100 đến 300 khối lượng Trái đất kim loại nặng. Trong thiên văn học, kim loại là bất kỳ thứ gì nặng hơn hydro và heli, trong khi kim loại nặng nặng hơn sắt.

Các nhà nghiên cứu đã tính toán kết quả của một hành tinh có khối lượng bằng Sao Hải Vương với 17 khối lượng Trái Đất va chạm và hợp nhất với Beta Pictoris b.

"Các kho kim loại nặng khổng lồ trong các ngoại hành tinh có khối lượng bằng Sao Mộc có thể tích tụ từ các vụ va chạm lớn", các tác giả giải thích. "Các tác nhân va chạm và động lượng mà chúng truyền cho một hành tinh đang phát triển kích thích một phổ các chế độ địa chấn". Họ giải thích rằng một khi hoạt động địa chấn này được kích hoạt, nó có thể tồn tại trong các thang thời gian tương tự như tuổi của một hành tinh trẻ.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng độ sáng của Beta Pictoris b sẽ thay đổi theo sóng địa chấn gây ra. JWST sẽ phát hiện một số hiệu ứng nếu một vụ va chạm xảy ra trong vòng 9 đến 18 triệu năm qua.

Việc sử dụng khả năng trắc quang mạnh mẽ của JWST mở ra một cách mới để sử dụng sóng địa chấn nhằm thăm dò bên trong các ngoại hành tinh.

"Địa chấn học cung cấp một cửa sổ trực tiếp vào bên trong hành tinh khổng lồ", các tác giả viết. "Bởi vì các chế độ bình thường tồn tại lâu nhất có tần số tương đương với tần số động của hành tinh..., phép đo tần số sẽ hạn chế mật độ khối của hành tinh".

Họ cũng cho biết một số quan sát này có thể phát hiện ra "các vùng phân tầng ổn định, như đã được thực hiện đối với Sao Thổ". Các phép đo trọng lực đã được sử dụng để đo cấu trúc bên trong của các hành tinh khổng lồ, nhưng phương pháp này có thể được sử dụng trên các hành tinh khổng lồ ở xa xung quanh các ngôi sao khác.

Các tác giả giải thích rằng phương pháp của họ có thể có những ứng dụng khác. Nó có thể được sử dụng để phát hiện sự di cư của các hành tinh.

"Các tác động không phải là cách duy nhất để kích thích dao động trong các hành tinh khổng lồ", các tác giả viết. "Sao Mộc nóng và ấm có thể hình thành thông qua quá trình di chuyển lệch tâm cao, một quá trình mà lực hấp dẫn thủy triều từ ngôi sao chủ kích thích chế độ cơ bản tần số thấp nhất thành biên độ lớn".

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng "Đường cong ánh sáng hồng ngoại của các hành tinh lớn có độ lệch tâm cao có thể biểu hiện các biến thể từ chế độ 𝑓 kích thích thủy triều".