Mỗi hành tinh trong Hệ Mặt Trời đều mang trong mình những bí ẩn riêng. Sao Kim đã tiến hóa như thế nào để trở thành một địa ngục khắc nghiệt? Sao Hỏa có từng hỗ trợ sự sống hay không? Sự sống trên Trái Đất đã bắt đầu như thế nào?
Sao Thổ cũng không phải là ngoại lệ. Với hệ vành đai mang tính biểu tượng và 274 vệ tinh đã được xác nhận, Sao Thổ thu hút sự chú ý của các nhà khoa học hành tinh. Họ muốn biết các vành hình thành như thế nào và khi nào, cũng như chúng có liên hệ ra sao với rất nhiều vệ tinh của hành tinh này. Một số nghiên cứu cho thấy các vành là mảnh vỡ từ một vụ va chạm xa xưa giữa các vệ tinh, trong khi một số khác cho rằng chúng bắt nguồn từ các vệ tinh trôi quá gần Sao Thổ và bị xé toạc bởi lực hấp dẫn khổng lồ của nó.
Nghiên cứu mới sẽ được công bố trên Planetary Science Journal bổ sung vào hiểu biết hiện tại của chúng ta về hệ Sao Thổ. Bài báo có tiêu đề “Origin of Hyperion and Saturn's Rings in A Two-Stage Saturnian System Instability.” Tác giả chính là Matija Ćuk từ Viện nghiên cứu SETI và hiện có sẵn trên arxiv.org.
“Tuổi của các vành và một số vệ tinh của Sao Thổ vẫn là một câu hỏi còn bỏ ngỏ, và nhiều bằng chứng chỉ ra một biến cố thảm khốc gần đây (cách đây vài trăm triệu năm) liên quan đến sự phá hủy các vệ tinh trước đó,” các tác giả viết. Họ giải thích rằng Titan, vệ tinh lớn nhất của Sao Thổ và là vệ tinh lớn thứ hai trong Hệ Mặt Trời, chi phối sự tiến hóa của hệ Sao Thổ. Sự dịch chuyển lực triều của Titan ra xa Sao Thổ có ảnh hưởng mạnh mẽ đến toàn bộ hệ. “Độ nghiêng trục của Sao Thổ và quỹ đạo của vệ tinh nhỏ Hyperion đều đóng vai trò như một bản ghi về sự tiến hóa quỹ đạo trong quá khứ của Titan,” họ viết.
Sao Thổ có độ nghiêng trục khoảng 26,7 độ. Điều này là bất thường, vì các nhà khoa học kỳ vọng các hành tinh khí khổng lồ hình thành với độ nghiêng nhỏ hơn nhiều. Do đó, phải có một yếu tố nào đó làm nghiêng nó, và yếu tố đó có thể là sự dịch chuyển của Titan ra xa Sao Thổ.
“Độ nghiêng trục của Sao Thổ nhiều khả năng được tạo ra bởi một cộng hưởng quay–quỹ đạo thế kỷ với các hành tinh khác, trong khi Hyperion bị mắc kẹt trong một cộng hưởng chuyển động trung bình với Titan, với cả hai hiện tượng đều do sự mở rộng quỹ đạo của Titan điều khiển,” các tác giả giải thích.
Các nghiên cứu trước đây đề xuất rằng Sao Thổ từng có thêm một vệ tinh. Trong kịch bản này, vệ tinh đó có một lần tiếp cận gần với Titan (có khối lượng lớn hơn), bị bật khỏi quỹ đạo và bị xé toạc để hình thành các vành đai của Sao Thổ.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng để cố gắng hiểu quá trình này diễn ra như thế nào. Họ muốn kiểm tra ý tưởng rằng một vệ tinh bổ sung có thể tiến đủ gần Sao Thổ để tạo thành các vành đai. Họ cho biết các phát hiện của mình có thể giải thích nhiều đặc điểm của hệ Sao Thổ vốn khiến các nhà nghiên cứu bối rối: tuổi trẻ của các vành, độ nghiêng bất thường của vệ tinh Iapetus (nghiêng khoảng 15 độ so với mặt phẳng xích đạo của Sao Thổ), và tốc độ dịch chuyển bất thường cùng sự thiếu vắng hố va chạm của Titan.
Đây là lúc Hyperion xuất hiện. Bản thân Hyperion khá kỳ lạ. Đây là một trong những vật thể lớn nhất mà chúng ta biết chưa đạt trạng thái gần cầu và có hình dạng bất quy tắc. Nó đôi khi được mô tả có hình dạng giống quả óc chó.
Iapetus được biết đến với sống núi xích đạo bất thường và thực tế rằng một nửa bề mặt của nó sáng trong khi nửa còn lại tối. Nhưng hình dạng của nó cũng bất thường và đã được mô tả giống quả óc chó. Nguồn ảnh: NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute / Cassini
“Hyperion, vệ tinh nhỏ nhất trong số các vệ tinh chính của Sao Thổ, đã cung cấp cho chúng tôi manh mối quan trọng nhất về lịch sử của hệ,” tác giả chính Ćuk cho biết. “Trong các mô phỏng nơi vệ tinh bổ sung trở nên bất ổn, Hyperion thường bị mất và chỉ tồn tại trong những trường hợp hiếm hoi. Chúng tôi nhận ra rằng sự khóa cộng hưởng Titan-Hyperion tương đối mới, chỉ vài trăm triệu năm tuổi. Điều này trùng với khoảng thời gian vệ tinh bổ sung biến mất. Có thể Hyperion không sống sót qua biến động này mà được hình thành từ chính nó. Nếu vệ tinh bổ sung hợp nhất với Titan, nó có thể tạo ra các mảnh vỡ gần quỹ đạo của Titan. Đó chính xác là nơi Hyperion sẽ hình thành.”
Các bảng từ nghiên cứu minh họa một số kết quả mô phỏng. Chúng cho thấy “một mô phỏng trong đó tiền-Hyperion va chạm với Titan, và quỹ đạo cuối cùng của Iapetus tương tự như hiện nay,” các tác giả giải thích. Bảng trên cùng cho thấy cộng hưởng chuyển động trung bình (MMR) giữa Titan và tiền-Hyperion, và giữa Titan và Iapetus, cùng với bán trục lớn của Titan. “Các bảng ở giữa và phía dưới biểu diễn độ lệch tâm và độ nghiêng so với xích đạo Sao Thổ của ba vệ tinh,” các tác giả viết. Nguồn ảnh: Ćuk et al. 2026. PSJ
Theo kết quả mô phỏng, khi cộng hưởng quay-quỹ đạo của Sao Thổ với các hành tinh khác bị phá vỡ, Hyperion cũng được hình thành. Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng vệ tinh bổ sung là một vệ tinh cỡ trung ở phía ngoài mà họ gọi là “tiền-Hyperion.” Sự phá vỡ cộng hưởng quay-quỹ đạo của Sao Thổ đã làm mất ổn định tiền-Hyperion, và nó va chạm với tiền-Titan. Điều này xảy ra khoảng 400 triệu năm trước.
Một phần mảnh vỡ từ vụ va chạm đã bồi tụ lên Hyperion, điều này có thể giúp giải thích hình dạng của nó. Sự nhiễu loạn do tiền-Hyperion gây ra trước va chạm cũng có thể giải thích độ nghiêng quỹ đạo của Iapetus. Nó cũng kích thích độ lệch tâm quỹ đạo của Titan. Điều này khởi phát một chuỗi sự kiện trong đó tương tác cộng hưởng của Titan với các vệ tinh bên trong “tiền-Dione” và “tiền-Rhea” gây ra mất ổn định, va chạm và sự tái bồi tụ cuối cùng của các vệ tinh bên trong của Sao Thổ cùng với các vành đai của nó. Phần lớn mảnh vỡ đã bồi tụ thành các vệ tinh, trong khi một phần nhỏ hơn tạo thành các vành đai.
Sự hợp nhất giữa tiền-Titan và tiền-Hyperion cũng giải thích sự thiếu vắng hố va chạm trên Titan. Mặc dù vệ tinh lớn này có tuổi đời cổ xưa, bề mặt của nó đơn giản là quá trẻ để ghi nhận nhiều va chạm.
Chúng ta không có nhiều hình ảnh chi tiết về bề mặt Titan, nhưng tàu thăm dò Huygens của ESA đã chụp được một số hình ảnh trong quá trình hạ xuống. Hình ảnh tổng hợp này được tạo từ các ảnh chụp ở độ cao khoảng 8 km phía trên bề mặt. Mỗi pixel tương ứng khoảng 20 mét. Không thấy hố va chạm nào. Nguồn ảnh: NASA/ESA
Hầu như bất kỳ ai quan sát hình ảnh của hệ Sao Thổ đều có thể nhận ra đây là một môi trường động lực học mạnh mẽ. Các nhà nghiên cứu đã đưa ra một dòng thời gian rõ ràng cho lịch sử của hệ Sao Thổ có thể giải thích những gì chúng ta quan sát ngày nay.
“Trong khi các sự kiện được mô tả ở đây diễn ra cách đây hàng trăm triệu năm và khó có thể xác nhận trực tiếp, các quan sát gần đây đã liên tục thách thức các mô hình trước đó và tiết lộ những cách thức động lực học mới,” các tác giả viết. “Giả thuyết của chúng tôi dự đoán một hệ Sao Thổ năng động và tương đối trẻ, với kết cấu hiện tại là sản phẩm của những biến cố kịch tính gần đây.”
Chỉ những nghiên cứu sâu hơn, hy vọng bao gồm các sứ mệnh trong tương lai tới các vệ tinh của Sao Thổ, mới có thể xác nhận giả thuyết này. Tuổi bề mặt của Titan và các vệ tinh khác là một yếu tố then chốt. May mắn thay, sứ mệnh Dragonfly của NASA tới Titan sẽ đưa một phương tiện bay cánh quay xuống bề mặt vệ tinh này. Sứ mệnh dự kiến phóng vào tháng 7 năm 2028 và sẽ đến Titan vào năm 2034. Dữ liệu dự kiến sẽ bắt đầu được truyền về Trái Đất ngay sau đó và sẽ giải đáp một số câu hỏi của chúng ta.
“Dù chuỗi sự kiện cụ thể mà chúng tôi đề xuất có được xác nhận hay không, chúng tôi cho rằng công trình này giúp định hình các giả thuyết mới về sự tiến hóa của hệ vệ tinh Sao Thổ,” các tác giả kết luận.
Tuấn Phong
Theo Universetoday
