Trước khi kết thúc sứ mệnh của mình bằng cách lao vào bầu khí quyển đầy hydro và heli của Sao Thổ, một trong những hoạt động cuối cùng của tàu không gian Cassini là đi dọc vùng không gian giữa hành tinh và hệ vành đai, hoạt động như một máy dò trọng lực khi để chúng kéo đi trên quỹ đạo.
Các phép đo chính xác về quỹ đạo cuối cùng của Cassini hiện đã cho phép các nhà khoa học đưa ra ước tính chính xác đầu tiên về khối lượng vật chất trong các vành đai của Sao Thổ, xác định khối lượng chúng dựa trên độ lớn của lực hấp dẫn.
Khối lượng ước tính của những vành đai này là xấp xỉ 40% khối lượng vệ tinh Mimas của Sao Thổ - vệ tinh này nhỏ hơn 2.000 lần so với Mặt Trăng của Trái Đất. Điều đấy cho các nhà khoa học tính được rằng, những vành đai hình thành tương đối gần đây và có tuổi dưới 100 triệu năm hoặc có thể chỉ mới 10 triệu tuổi.
Số tuổi các vành đai Sao Thổ đã đặt ra một cuộc tranh luận lâu dài giữa các nhà khoa học nghiên cứu hành tinh. Một số người nghĩ rằng những vành đai hình thành cùng với Sao Thổ 4,5 tỷ năm trước từ những mảnh vụn băng giá còn lại trên quỹ đạo sau khi hình thành Hệ Mặt Trời. Những người khác nghĩ rằng chúng còn rất trẻ và hình thành dần dần khi Sao Thổ đã bắt những vật thể từ vành đai Kuiper hoặc sao chổi và dần dần kéo chúng vào quỹ đạo quanh mình.
Ước tính khối lượng mới này dựa trên một phép đo xác định độ lệch đường bay của Cassini do tác động của hấp dẫn khi nó bay qua giữa Sao Thổ và các vành đai trong chuyến bay cuối cùng hồi tháng 9 năm 2017.
Tuy nhiên, dữ liệu ban đầu cho thấy độ lệch không khớp với dự đoán dựa trên mô hình máy tính tạo nên từ hành tinh và hệ vành đai. Chỉ khi nhóm nghiên cứu chiếm được những số liệu về luồng gió rất sâu trong khí quyển Sao Thổ (thứ không thể quan sát được từ không gian) thì các phép đo mới có ý nghĩa, cho phép họ tính toán khối lượng của các vành đai.
Burkhard Militzer - giáo sư về nghiên cứu Trái Đất và hành tinh tại Đại học California, Berkeley, người tạo nên mô hình cấu trúc hành tinh Sao Thổ, Burkhard Militzer - nói: "Lần đầu tiên nhìn vào dữ liệu tôi thấy không tin, vì tôi tin tưởng các mô hình của chúng tôi và mất nhiều thời gian với việc cho rằng có một số hiệu ứng đã thay đổi trường hấp dẫn mà chúng tôi chưa xem xét. Hóa ra có những luồng gió lớn trong bầu khí quyển sâu ít nhất 9.000 km quanh vùng xích đạo Sao Thổ. Chúng tôi đã tính sơ bộ rằng những đám khí này giống như những đám mây trên Trái đất, bị giới hạn trong một lớp mỏng và hầu như không có khối lượng. Nhưng trên Sao Thổ, chúng thực sự rất lớn.”
Họ cũng tính toán rằng những đám mây trên bề mặt ở xích đạo của sao Thổ quay nhanh hơn 4% so với lớp dưới sâu 9.000 km. Lớp sâu hơn đó chậm hơn 9 phút so với đám mây trên bề mặt ở xích đạo khi hoàn thành một quỹ đạo quanh hành tinh là 10 giờ 33 phút.
Linda Spilker ,nhà khoa học dự án Cassini, thuộc Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA tại Pasadena, California cho biết "Phát hiện về chuyển động của các lớp dưới sâu là một tiết lộ đáng ngạc nhiên về cấu trúc bên trong của hành tinh này. Câu hỏi đặt ra là nguyên nhân khiến phần khí quyển bề mặt quay nhanh hơn dưới sâu và điều đó cho chúng ta biết gì về cấu trúc bên trong của Sao Thổ."
Militzer cũng tính toán được rằng lõi đá của Sao Thổ phải có khối lượng từ 15 đến 18 lần khối lượng Trái Đất, tương tự như ước tính trước đó.
Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi nhà khoa học Luciano của Đại học Sapienza của Rome - Ý, đã báo cáo kết quả của họ trên tạp chí Science.
Có phải những vành đai được tạo nên từ sao chổi băng giá?
Ước tính trước đó về khối lượng các vành đai của Sao Thổ (từ một nửa đến một phần ba khối lượng của Mimas) đến từ việc nghiên cứu sóng mật độ truyền xung quanh các vành đai đá và băng. Những sóng này được gây ra bởi 62 vệ tinh của Sao Mộc, bao gồm cả Mimas, tạo ra cái gọi là phân chia Cassini giữa hai vành đai lớn nhất là A và B. Vệ tinh Mimas có hình dạng tròn và phẳng, đường kính 246 km. Mimas có một miệng hố va chạm lớn khiến nó khá giống với siêu vũ khí Death Star trong series phim Star War.
"Mọi người không tin vào các phép đo sóng vì có thể có những khối băng đá rất lớn trong các vành đai nhưng không tham gia vào sóng", Militzer nói. "Chúng tôi luôn nghi ngờ có một khối lượng ẩn mà chúng tôi không thể nhìn thấy trong sóng."
May mắn thay, khi Cassini đến gần cuối đời, NASA đã lập trình cho nó thực hiện 22 lần lặn vào giữa Sao Thổ và các vành đai của nó để thăm dò trường hấp dẫn của Sao Thổ. Các kính thiên văn vô tuyến đặt trên Trái Đất đã đo vận tốc của con tàu với độ chính xác tới từng mm/s.
Giá trị khối lượng vành đai mới đo được nằm trong phạm vi ước tính trước đó và cho phép các nhà nghiên cứu xác định tuổi của chúng.
Những tính toán tuổi tác này, dẫn đầu bởi Philip Nicholson của Đại học Cornell, xây dựng dựa trên mối liên hệ mà các nhà khoa học đã thực hiện trước đây giữa khối lượng của các vành đai và tuổi của chúng. Khối lượng thấp hơn sẽ cho thấy thời gian hình thành muộn hơn, bởi vì các vành ban đầu hình thành từ băng và sáng nhưng theo thời gian chúng bị làm ô nhiễm rồi tối đi bởi các mảnh vụn liên hành tinh.
"Những phép đo này chỉ có thể thực hiện được vì Cassini đã bay rất gần bề mặt Sao Thổ trong những giờ khắc cuối cùng của nó", Militzer nói. "Đó là một cách cổ điển và ngoạn mục để kết thúc sứ mệnh của mình."
Đắc Cường
Theo Science Daily
