Mộc tinh và nguồn gốc hệ mặt trời: câu chuyện sắp được kể (Phần 2)

• Stephen Ornes (Physics World, tháng 7/2016)

Chuẩn bị đón bão

Mộc tinh là nơi rất khắc nghiệt. Gió thổi 650 km/h hoặc nhanh hơn. Sét đánh gấp 100 lần cường độ sét trên Trái đất. Vết Đỏ Lớn – cơn bão lớn nhất hệ mặt trời, đã vần vũ trong hơn ba thế kỉ qua – có kích cỡ lớn đến mức nó có thể nuốt chửng cả Kim tinh.

>> Xem Phần 1

Tuy nhiên, mối đe dọa lớn nhất của Mộc tinh đối với sự du hành không gian là bức xạ. Từ trường của Mộc tinh mạnh gấp 10 lần từ trường của Trái đất. Thật vậy, từ quyển của nó là cấu trúc lớn nhất được biết trong toàn hệ mặt trời. Nếu có thể nhìn thấy được, thì từ quyển đó sẽ xuất hiện trước người quan sát trên Trái đất với kích cỡ lớn hơn hai Mặt trăng tròn. Một từ quyển rộng lớn như thế làm bẫy rất nhiều hạt năng lượng cao, tạo ra các vành đai bức xạ vây xung quanh Mộc tinh, tạo thành cái phải là vòng xuyến nguy hiểm nhất trong không gian. (Các vành đai bức xạ đó giống về hình dạng và cấu trúc với các vành đai Van Allen của Trái đất.)

“Bạn có dòng electron và proton này vây tròn xung quanh hành tinh, và chúng gây nguy hại cho phi thuyền vũ trụ,” phát biểu của nhà thiên văn học thành viên đội Juno, Tobias Owen thuộc Đại học Hawaii, mục tiêu của ông là đo lượng oxygen trong khí quyển Mộc tinh. “Cho đến nay, các phi thuyền vũ trụ tiếp cận ở ngoài xa. Chúng ta sắp tiến vào bên trong nó.”

Khí quyển Mộc tinh được chụp bởi phi thuyền Voyager 1. Các dải mây dao động được mang bởi những cơn gió có thể vượt quá 650 km/h liên tục vây tròn xung quanh khí quyển của hành tinh. Những cơn gió như vậy nuôi dưỡng các vùng xoáy nghịch như Vết Đỏ Lớn – một cơn bão dữ rộng gấp 3,5 lần kích cỡ Trái đất. (Ảnh: Trung tâm Du hành Vũ trụ Goddard thuộc NASA)

Các thiết bị trên Juno bao gồm một detector hạt, một từ kế, các quang phổ kế tử ngoại và hồng ngoại, và các thiết bị vô tuyến dùng để đo các thăng giáng trong trường hấp dẫn. (Tải trọng còn bao gồm ba bức tượng LEGO nhỏ, miêu tả Juno, Jupiter và Galileo.) Các dụng cụ điện tử nói chung sẽ bị ảnh hưởng bởi bức xạ mạnh, nên chúng được chứa an toàn trong một vòm bảo vệ với các thành titanium bề dày centi-mét. Kế hoạch bay của Juno, đưa nó lướt trên hai cực, sẽ cũng giảm bớt liều lượng chịu bức xạ mạnh.

Chính từ trường khiến sứ mệnh chịu nguy hiểm trước một trong những bí ẩn nhất của hành tinh. Các núi lửa hoạt động của Io, như Voyager đã quan sát, phun trào các hạt lưu huỳnh dioxide, chúng bị ion hóa và chứa đầy từ quyển, theo lời Bagenal. Khi chúng tăng tốc đến các năng lượng cao, nhiều hạt đi tới bắn phá khí quyển của Mộc tinh – một quá trình được cho là đã góp phần gây nên các màn trình diễn ánh sáng cực quang tại hai cực.

Tuy nhiên, “chúng ta chưa từng bay trên hai cực của Mộc tinh, và chúng ta không biết ở đó như thế nào”, Bagenal nói, nghiên cứu của bà tập trung vào plasma trong các từ quyển hành tinh. “Chúng ta không biết những quá trình nào làm gia tốc các hạt đó vào trong khí quyển.” Theo bà, Juno sẽ có thể đo từ trường, các hạt tích điện và các sóng plasma khi nó nhìn xuống các phát xạ cực quang trong khí quyển. “Chúng ta đang cố gắng ghép nên bức tranh lớn hơn của những cái gây ra cực quang, và cách chúng vận hành.”

Bên dưới các đám mây

Cái thôi thúc người ta là giả định dạng cực quang của Mộc tinh giống như trên Trái đất, chúng phát sinh sau khi các hạt tích điện từ gió mặt trời bị gia tốc dọc theo các đường sức từ vào thượng tầng khí quyển, nơi đó chúng va chạm với các hạt khác và phát xạ ánh sáng. Nhưng một lí giải như thế có thể quá đơn giản đối với Mộc tinh. Các ảnh chụp tử ngoại bởi Kính thiên văn vũ trụ Hubble hồi 20 năm trước cho thấy cực quang tạo ra các cấu trúc hình oval ở gần hai cực. Mặc dù có những biến thiên vi mô thỉnh thoảng xảy ra bên trong và với mỗi oval, nhưng “nó thật sự không biến thiên nhiều xét trên tổng thể,” Bagenal cho biết.

Điều đó có thể một phần là do từ quyển mạnh của Mộc tinh bảo vệ khí quyển của nó trước gió mặt trời. Trong trường hợp đó, cực quang có thể phát sinh tự bên trong, từ “một vùng khí quyển nằm sâu trong khí quyển”, theo lời Kostiuk. Sử dụng ảnh chụp hồng ngoại, phi thuyền Voyager đã nhận ra một cực quang nhiệt ở sâu hơn trong khí quyển ở bán cầu bắc, đó là cái mà các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu trong ba thập kỉ với các phép đo trên mặt đất và, vào năm 2001, với dữ liệu thu từ chuyến bay qua của phi thuyền Cassini. Kostiuk cho biết các phép đo trên mặt đất mới đây của cực quang trong vùng hồng ngoại thật sự cho thấy một biến thiên nào đó theo chu kì mặt trời – đề xuất một đóng góp từ phía gió mặt trời.

Từ bên trong hay từ bên ngoài? “Đó là cái gây nhiều tranh cãi,” Bagenal phát biểu. Bà nghi ngờ các phát xạ cực quang phát sinh từ cách plasma trong từ quyển chuyển động so với hành tinh, nó hoàn tất một vòng quay trong thời gian chưa tới 10 giờ. “Vào lúc nào đó, đám plasma bắt đầu trượt,” bà nói. “Chúng tôi nghĩ các dòng điện đi cùng với quá trình đó phần nào chi phối cực quang.” Nhưng các nhà khoa học không biết chắc chắn cho đến khi Juno tiến hành quan sát.

Một mục tiêu khoa học khác của Juno là tìm hiểu rõ hơn các dải mây xoáy, nhiều màu sắc. Cho đến nay, thật khó cho các nhà khoa học thám hiểm độ sâu bởi vì nó quá nóng, và áp suất là quá lớn. Bức xạ kế vi sóng đa tần của Juno sẽ thu nhận bức xạ nhiệt từ các độ sâu của đám mây che Mộc tinh, lên tới áp suất khoảng 1000 lần áp suất khí quyển bình thường ở mực nước biển Trái đất. Sự thâm nhập đó sẽ giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn chuyển động quay của khí quyển so với nhân – nếu nó tồn tại – và các nguyên tố có mặt ở đó.

Ba tượng LEGO nhỏ trên Juno miêu tả vị thần La Mã Jupiter, vợ của ông, Juno, và Galileo Galilei. (Ảnh: NASA/JPL-Caltech/KSC)

“Cái hấp dẫn nhất đối với tôi là sự xác định nước ở sâu trong khí quyển,” Owen phát biểu. “Bằng cách đo nước, chúng ta sẽ có được ý tưởng về cách Mộc tinh đã ra đời.” Nhiều nhà thiên văn đã đề xuất các mô hình lí giải sự hình thành của Mộc tinh, nhưng các mô hình khác nhau dự đoán các hàm lượng khác nhau của nước. Đo được hàm lượng nước, theo lời Owen, sẽ giúp các mô hình tiếp cận gần hơn đến nguồn gốc của hành tinh. “Hàm lượng nước là chìa khóa nếu bạn muốn tìm hiểu các hành tinh đã ra đời như thế nào trong hệ mặt trời của chúng ta,” Bolton nói.

Juno cũng sẽ nghiên cứu cái nằm bên dưới các đám mây. Mộc tinh có khả năng chứa một đại dương mênh mông và kì lạ không giống như bất cứ cái gì tìm thấy trên Trái đất – và không giống bất cứ cái gì có thể mô phỏng trên Trái đất. Nó được tạo bởi hydrogen dưới điều kiện áp suất cao đến mức các electron tách khỏi proton, và chất lỏng đó dẫn điện giống như kim loại. Khi đại dương lạ này chuyển động quay so với hành tinh, nó tạo ra từ trường mạnh của Mộc tinh. “Chúng tôi nghĩ đó là nơi dynamo được tạo ra,” Bagenal nói.

Nhưng các nhà khoa học không biết lớp hydrogen kim loại lỏng đó sâu bao nhiêu, hay cái gì nằm bên dưới nó. Họ giả thuyết rằng nhân của Mộc tinh có dạng đá và được cấu tạo bởi các nguyên tố nặng hơn. Vì không có dụng cụ nào có thể đi tới biển hydrogen – chứ đừng nói lớp nhân nằm sâu bên dưới – cho nên Juno sẽ lập bản đồ cấu trúc bên trong bằng cách theo dõi các biến thiên trường hấp dẫn khi nó bay vòng quanh trên quỹ đạo.

Kết thúc của Juno

Juno sẽ dành trọn một năm đo và gửi dữ liệu về cho các nhà thiên văn vật lí trên Trái đất, nhưng Bolton lưu ý rằng những câu trả lời rõ ràng về Mộc tinh sẽ không hiển hiện ngay. “Chúng ta bị hạn chế ở cách chúng ta có thể lí giải dữ liệu của Juno,” ông nói. Việc sử dụng các phép đo lực hấp dẫn để lập bản đồ phân bố khối lượng sẽ khá đơn giản. Nhưng để liên kết dữ liệu trên các biến số như nhiệt độ và áp suất, thì bức tranh lớn, kết hợp sẽ đòi hỏi các nhà vật lí phải thống nhất về một phương trình trạng thái mô tả các điều kiện trên Mộc tinh. Đó là một thách thức lớn: chưa ai có bất kì ý tưởng nào về hydrogen kim loại phải hành xử như thế nào. Người ta cũng nghi ngờ, nhưng không thể chứng minh, rằng các nguyên tố nặng hơn có khả năng hòa tan trong món súp lạ này.

Bagenal cho biết phương trình trạng thái là một mảnh thiết yếu và còn thiếu của câu đố trên. “Mỗi lần chúng tôi có cuộc họp của nhóm làm việc nội bộ thuộc sứ mệnh Juno, thì các nhân vật này lại đi tới một phương trình trạng thái mới,” bà phát biểu. “Họ luôn luôn cải tiến, và luôn luôn thay đổi suy nghĩ của mình. Kể từ khi chúng tôi công bố, chúng tôi đã thay đổi suy nghĩ của mình vài ba lần rồi.”

Đồng thời, dữ liệu Juno sẽ lập tức được các nhà lí thuyết sử dụng để đi tới các mô hình hình thành Mộc tinh. “Tất cả các lí thuyết về cách Mộc tinh ra đời sẽ phải phù hợp với những cái Juno nhìn thấy,” Bolton nói. “Bằng cách tiến hành những phép đo này, chúng ta sẽ ràng buộc được các mô hình đó.” Các ràng buộc đó sẽ đưa đến những mô hình rõ ràng hơn mô tả chính xác hơn thực tại của Mộc tinh.

Một khi bữa tiệc thu thập dữ liệu kéo dài một năm của Juno kết thúc, nó sẽ đổi hướng một lần cuối. Phi thuyền sẽ không được phép bay vòng quanh vô hạn định vì có khả năng nó sẽ va chạm và làm ô uế Europa, một vệ tinh của Mộc tinh có một đại dương ngầm, nơi các nhà khoa học hi vọng một ngày nào đó sẽ tìm kiếm sự sống. Cho nên thay vì trôi giạt lênh đênh, Juno sẽ tự kết liễu, giống như Galileo trước đây, bằng cách tự hủy diệt trong một chuyến bay cuối cùng đâm xuyên vào hành tinh chủ.

Nguồn: Physics World