Một nghiên cứu mới đây hé lộ rằng, một cuộc va chạm có thể đã phá vỡ một vệ tinh thành từng mảnh và tạo thành các vành đai của Sao Thổ.
Xoay xung quanh xích đạo của hành tinh, các vành đai Sao Thổ là minh chứng rõ ràng cho việc hành tinh này đang quay với một góc nghiêng. Gã khổng lồ với những vành đai này quay với góc lệch 26,7 độ so với mặt phẳng quỹ đạo của nó quanh Mặt Trời. Các nhà thiên văn học từ lâu đã nghi ngờ rằng độ nghiêng này là do tương tác hấp dẫn với Sao Hải Vương, khi mà độ nghiêng tuế sai, giống như là con quay vậy, gần khớp với quỹ đạo của Sao Hải Vương.
Nhưng một nghiên cứu dựa trên mô hình mới đây của các nhà thiên văn học tại MIT và một số nơi khác đã phát hiện ra rằng, hai hành tinh này đã từng đồng bộ với nhau, sau đó thì Sao Thổ đã thoát ra khỏi lực kéo của Sao Hải Vương. Vậy điều gì đã làm thay đổi trạng thái của các hành tinh này? Nhóm nghiên cứu qua những thử nghiệm vô cùng chi tiết đã đưa ra một giả thuyết: một vệ tinh đã mất.
Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu đã đề xuất rằng Sao Thổ, tại thời điểm hiện tại thì có 83 vệ tinh, đã từng sở hữu ít nhất là một vệ tinh nữa, họ đặt tên nó là Chrysalis. Chrysalis đã quay quanh Sao Thổ trong vài tỷ năm. Lực kéo của Chrysalis và các vệ tinh khác lên Sao Thổ cộng hưởng với lực kéo của Sao Hải Vương đã duy trì góc nghiêng - hay "độ xiên" - của hành tinh này.
Nhóm nghiên cứu ước tính rằng, khoảng 160 triệu năm trước, Chrysalis đã trở nên không ổn định và áp sát trước khi va chạm với hành tinh. Điều đó đã làm vệ tinh này bị vỡ tan. Mất đi vệ tinh này là đủ để Sao Thổ thoát ra khỏi sự kiểm soát của Sao Hải Vương và khiến nó có độ nghiêng như ngày nay.
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu còn phỏng đoán rằng, trong khi phần lớn những mảnh vỡ của Chrysalis có thể đã va chạm với Sao Thổ, thì một phần nhỏ các mảnh vỡ lại có thể lơ lửng trên quỹ đạo, và sau đó vỡ thành các khối băng nhỏ để tạo thành các vành đai đặc trưng của hành tinh này.
Dựa vào giả thuyết vệ tinh đã mất này, có thể giải thích được hai bí ẩn lâu nay: độ nghiêng hiện nay của Sao Thổ và các vành đai của nó. Các vành đai theo như ước tính đã tồn tại khoảng 100 triệu năm tuổi - trẻ hơn hành tinh này rất nhiều.
“Giống như là con nhộng (a chrysalis) của con bướm vậy, vệ tinh này không hoạt động trong một thời gian dài và đột nhiên trở nên hoạt động, và từ đó các vành đai hiện ra,” Jack Wisdom, giáo sư về khoa học hành tinh tại MIT, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu mới này cho biết.
Các đồng tác giả của nghiên cứu gồm có Rola Dbouk từ MIT, Burkhard Militzer từ Đại học California tại Berkeley, William Hubbard từ Đại học Arizona, Francis Nimmo và Brynna Downey từ Đại học California tại Santa Cruz, và Richard French từ Đại học Wellesley.
Một giai đoạn phát triển
Vào đầu những năm 2000, các nhà khoa học đã đưa ra ý tưởng rằng trục nghiêng của Sao Thổ là kết quả của việc hành tinh này bị khoá bởi sự cộng hưởng, hay liên kết hấp dẫn, với Sao Hải Vương. Nhưng những quan sát từ tàu không gian Cassini của NASA, quay quanh Sao Thổ từ năm 2004 đến năm 2017, đã mang đến một bước ngoặt lớn cho vấn đề này. Các nhà khoa học nhận thấy rằng Titan - vệ tinh lớn nhất của Sao Thổ - đang di chuyển xa dần Sao Thổ với tốc độ nhanh hơn dự kiến, khoảng 11 cm mỗi năm. Sự di chuyển nhanh của Titan và lực hút của nó hướng các nhà khoa học đến kết luận rằng, các vệ tinh có thể chính là nguyên nhân tạo nên độ nghiêng và giữ cho Sao Thổ cộng hưởng với Sao Hải Vương.
Nhưng lời giải thích này lại dựa trên một thông số quan trọng vẫn chưa được làm rõ: mô-men quán tính của Sao Thổ. Đó là cách mà khối lượng được phân bố bên trong hành tinh. Độ nghiêng của Sao Thổ có thể sẽ khác nhau, phụ thuộc vào việc vật chất được tập trung ở trong lõi hay ở trên bề mặt nhiều hơn.
“Để có những bước tiến trong vấn đề này, chúng tôi phải xác định được mô-men quán tính của Sao Thổ,” Wisdom nói.
Yếu tố bị thiếu
Trong nghiên cứu mới này, Wisdom và các đồng nghiệp đã tìm cách xác định mô-men quán tính của Sao Thổ bằng việc sử dụng những quan sát cuối cùng được thực hiện bởi Cassini trong “Grand finale”, một giai đoạn quan trọng trong sứ mệnh, khi tàu không gian tiếp cận cực kỳ gần để lập bản đồ chính xác về trường hấp dẫn xung quanh toàn bộ hành tinh. Trường hấp dẫn có thể được sử dụng để xác định sự phân bố khối lượng trong hành tinh.
Wisdom cùng các đồng nghiệp đã lập mô hình phần bên trong của Sao Thổ và xác định sự phân bố khối lượng để phù hợp với trường hấp dẫn mà Cassini quan sát được. Đáng ngạc nhiên là họ phát hiện ra rằng, mô-men quán tính của Sao Thổ mới được xác định này lại rất gần, nhưng vẫn nằm bên ngoài vùng cộng hưởng của Sao Hải Vương. Hai hành tinh này có thể đã từng đồng bộ với nhau, nhưng hiện tại thì không còn nữa.
“Sau đó thì chúng tôi tìm hiểu cách mà Sao Thổ thoát khỏi sự cộng hưởng của Sao Hải Vương,” Wisdom nói.
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các mô phỏng để thấy rõ hơn chuyển động theo quỹ đạo của Sao Thổ và các vệ tinh của nó trước đây, để xem liệu có sự bất ổn tự nhiên nào ở các vệ tinh hiện vẫn tồn tại mà có thể ảnh hưởng đến độ nghiêng của hành tinh này hay không. Và quá trình này đã không tìm được gì.
Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra lại các phương trình toán học mô tả tuế sai của hành tinh, đó là cách mà trục quay của hành tinh thay đổi theo thời gian. Tất cả các vệ tinh đều có vai trò trong phương trình này. Nhóm nghiên cứu suy đoán rằng, nếu một vệ tinh bị loại ra khỏi phép tính này thì nó có thể ảnh hưởng đến tuế sai của hành tinh.
Câu hỏi được đặt ra là, vệ tinh đó phải lớn đến mức nào và nó phải chuyển động ra sao để có thể đưa Sao Thổ ra khỏi cộng hưởng với Sao Hải Vương?
Wisdom và các đồng nghiệp đã thử nghiệm các mô phỏng để xác định những đặc điểm của vệ tinh này, như là khối lượng và bán kính quỹ đạo của nó, và sự chuyển động của nó trên quỹ đạo để có thể đẩy Sao Thổ ra khỏi sự cộng hưởng.
Họ kết luận rằng, độ nghiêng hiện nay của Sao Thổ là kết quả của sự cộng hưởng với Sao Hải Vương và việc mất đi vệ tinh Chrysalis (vệ tinh này có kích thước bằng Iapetus - vệ tinh lớn thứ 3 của Sao Thổ) đã làm nó thoát khỏi cộng hưởng.
Trong khoảng 200 đến 100 triệu năm trước, Chrysalis đi vào vùng quỹ đạo hỗn loạn, trải qua những lần va chạm với Iapetus và Titan, cuối cùng thì nó đến rất gần Sao Thổ, và một cuộc va chạm đã phá tan vệ tinh này thành từng mảnh, để lại một phần nhỏ bao quanh hành tinh, trở thành một vành đai các mảnh vỡ rải rác.
Họ nhận thấy, việc mất đi Chrysalis đã giải thích cho tuế sai của Sao Thổ và độ nghiêng của nó hiện nay, cũng như sự hình thành muộn của các vành đai.
“Đó là một câu chuyện thú vị, nhưng cũng giống như mọi kết luận khác, nó sẽ phải được những người khác kiểm chứng,” Wisdom nói. “Nhưng dường như vệ tinh bị mất này chỉ như một con nhộng, đang chờ đợi cho những sự biến đổi tiếp theo.”
Nghiên cứu này được hỗ trợ một phần bởi NASA và Quỹ Khoa học Quốc gia (Mỹ).
Vũ Dũng
Theo Science Daily
