Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northumbria đã sử dụng kính thiên văn không gian mạnh nhất từng được chế tạo để giải đáp một trong những câu hỏi tồn tại lâu đời nhất trong khoa học hành tinh: tại sao Sao Thổ dường như quay với tốc độ khác nhau tùy theo cách bạn đo? Những phát hiện này, được công bố trên Journal of Geophysical Research: Space Physics, lần đầu tiên tiết lộ các mô hình phức tạp của nhiệt và các hạt mang điện trong cực quang của Sao Thổ, và cho thấy toàn bộ hệ này được vận hành bởi một vòng phản hồi tự duy trì được cung cấp năng lượng bởi chính cực quang của hành tinh.
Sao Thổ đã khiến các nhà khoa học bối rối trong nhiều năm. Các phép đo do tàu không gian Cassini của NASA thực hiện vào năm 2004 cho thấy tốc độ quay của hành tinh dường như thay đổi chậm theo thời gian, tuy nhiên điều này không thể xảy ra, vì một hành tinh không thể cứ thế tăng hoặc giảm tốc độ quay của nó.
Vào năm 2021, một nghiên cứu do Tom Stallard, Giáo sư thiên văn học hành tinh tại Đại học Northumbria, đứng đầu đã cho thấy rằng bí ẩn này thực ra không liên quan đến sự quay của Sao Thổ. Thay vào đó, những thay đổi biểu kiến được gây ra bởi các luồng gió trong tầng khí quyển trên của hành tinh, tạo ra các dòng điện sinh ra tín hiệu cực quang gây hiểu lầm.
Ở đây, chúng tôi trình bày nhiệt độ, mật độ và cường độ bất đối xứng của tầng điện ly cực quang khi quan sát từ phía trên vùng cực quang, quay để làm nổi bật mức độ liên kết giữa các tham số khác nhau này. Video cho thấy ba tham số này (hàng trên) và độ lệch so với giá trị trung vị tại mỗi vĩ độ (hàng dưới) - trong đó, màu đỏ là cao hơn và màu xanh là thấp hơn, cho thấy không chỉ các vùng sáng hơn mà cả các vùng yếu hơn cũng tuân theo những mô hình rất tương tự, được chi phối bởi và đồng thời chi phối các dòng điện theo chu kỳ hành tinh chảy vào và ra khỏi hành tinh. Nguồn: NASA/ESA/CSA, Tom Stallard (Đại học Northumbria), Melina Thévenot, Macarena Garcia Marin (STScI/ESA).
Tuy nhiên, những phát hiện này lại đặt ra một câu hỏi khác cho nhóm nghiên cứu: nếu các luồng gió khí quyển chịu trách nhiệm cho hiệu ứng này, thì điều gì đã tạo ra những luồng gió đó?
Nghiên cứu mới của Giáo sư Stallard và các cộng sự tại Anh và Mỹ hiện đã cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho câu trả lời.
Sử dụng kính thiên văn không gian James Webb, nhóm đã quan sát vùng cực quang phía bắc của Sao Thổ - tương đương với cực quang phương Bắc trên Trái Đất - liên tục trong suốt một ngày của Sao Thổ, thu thập các phép đo chi tiết mà trước đây không công cụ nào có thể thực hiện được.
Bằng cách phân tích sự phát xạ hồng ngoại từ một phân tử gọi là trihydrogen cation, hình thành trong tầng khí quyển trên của Sao Thổ và đóng vai trò như một “nhiệt kế” tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các bản đồ độ phân giải cao đầu tiên về cả nhiệt độ và mật độ hạt trong vùng cực quang của Sao Thổ.
Cấu trúc nhiệt độ bất đối xứng được trình bày trong bài báo, như được quan sát bởi JWST. Những cấu trúc này bị lệch so với vị trí các dòng điện đi vào và đi ra khỏi hành tinh, nhưng chính các luồng gió được tạo ra bởi sự lệch nhiệt độ này lại là yếu tố thúc đẩy các dòng điện đó. Nguồn: NASA/ESA/CSA, Tom Stallard (Đại học Northumbria), Melina Thévenot, Macarena Garcia Marin (STScI/ESA).
Mức độ chi tiết thật phi thường. Các phép đo trước đây có sai số khoảng 50 độ C, tương đương với mức chênh lệch mà các nhà khoa học đang cố gắng phát hiện, và được tạo ra bằng cách kết hợp các vùng rộng của cực quang vùng cực nóng. Dữ liệu JWST mới có độ chính xác cao hơn gấp mười lần so với các phép đo trước đây, cho phép nhóm lập bản đồ các chi tiết tinh vi của quá trình gia nhiệt và làm lạnh trong vùng cực quang của Sao Thổ lần đầu tiên.
Những gì nhóm nghiên cứu phát hiện là các mô hình nhiệt độ và mật độ này phù hợp đáng kinh ngạc với các dự đoán từ các mô hình máy tính được xây dựng hơn một thập kỷ trước, nhưng chỉ khi nguồn nhiệt được đặt chính xác tại nơi các phát xạ cực quang chính đi vào khí quyển.
Điều này có nghĩa là cực quang của Sao Thổ không chỉ là một hiện tượng thị giác, nó đang chủ động làm nóng khí quyển tại một vị trí cụ thể. Sự gia tăng nhiệt cục bộ này tạo ra các luồng gió, và các luồng gió này lại sinh ra các dòng điện dẫn tới cực quang. Sau đó, cực quang lại tiếp tục làm nóng khí quyển, duy trì toàn bộ chu trình.
Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Tom Stallard, cho biết: “Những gì chúng tôi đang quan sát về cơ bản là một ‘máy bơm nhiệt’ hành tinh. Cực quang của Sao Thổ làm nóng khí quyển, khí quyển tạo ra gió, gió sinh ra các dòng điện cung cấp năng lượng cho cực quang, và cứ thế tiếp diễn. Hệ thống này tự nuôi chính nó.
“Trong nhiều thập kỷ, chúng tôi biết rằng có điều gì đó bất thường đang xảy ra với tốc độ quay biểu kiến của Sao Thổ, nhưng không thể giải thích được. Sau đó, chúng tôi cho thấy nó bị chi phối bởi các luồng gió khí quyển, nhưng vẫn chưa biết vì sao những luồng gió đó tồn tại. Những quan sát mới này, nhờ JWST, cuối cùng đã cung cấp bằng chứng cần thiết để hoàn thiện vòng khép kín đó.”
Những phát hiện này cũng có ý nghĩa rộng hơn. Nghiên cứu cho thấy những gì xảy ra trong khí quyển của Sao Thổ ảnh hưởng trực tiếp đến điều kiện trong từ quyển xung quanh nó - vùng không gian rộng lớn được định hình bởi từ trường của hành tinh - và ngược lại, vùng này lại cung cấp năng lượng trở lại cho hệ thống. Mối quan hệ hai chiều giữa khí quyển và từ quyển này có thể giúp giải thích tại sao hiệu ứng này lại ổn định và kéo dài đến vậy.
Giáo sư Stallard nói thêm: “Kết quả này thay đổi cách chúng ta suy nghĩ về khí quyển hành tinh nói chung. Nếu điều kiện khí quyển của một hành tinh có thể tạo ra các dòng điện lan ra môi trường không gian xung quanh, thì việc hiểu những gì đang xảy ra trong tầng bình lưu của các thế giới khác có thể tiết lộ những tương tác mà chúng ta thậm chí còn chưa từng hình dung.”
Cấu trúc mật độ bất đối xứng, cho thấy nơi dòng điện cực quang ưu tiên chảy vào (tối hơn) và ra khỏi (sáng hơn) hành tinh. Những cấu trúc này bị lệch so với các đỉnh nhiệt độ, nhưng cuối cùng lại chi phối sự bất đối xứng nhiệt độ đó. Nguồn: NASA/ESA/CSA, Tom Stallard (Đại học Northumbria), Melina Thévenot, Macarena Garcia Marin (STScI/ESA).
Kính thiên văn không gian James Webb là đài quan sát khoa học không gian hàng đầu thế giới. Webb đang giải quyết những bí ẩn trong Hệ Mặt Trời, quan sát xa hơn tới các thế giới quanh những ngôi sao khác, và thăm dò các cấu trúc bí ẩn cũng như nguồn gốc của vũ trụ và vị trí của chúng ta trong đó. Webb là một chương trình quốc tế do NASA dẫn dắt với các đối tác ESA (Cơ quan không gian châu Âu) và CSA (Cơ quan không gian Canada).
Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học từ Đại học Northumbria, cùng với các cộng sự từ Đại học Boston, Đại học Leicester, Đại học Aberystwyth, Đại học Reading, Imperial College London, Đại học Lancaster và Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng thuộc Đại học Johns Hopkins. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Hội đồng Cơ sở Khoa học và Công nghệ (STFC).
Bryan
Nguồn: Phys.org, Đại học Northumbria
