Mộc tinh và nguồn gốc hệ mặt trời: câu chuyện sắp được kể (Phần 1)

Stephen Ornes (Physics World, tháng 7/2016)

Với sứ mệnh Juno của NASA sẽ tới đích Mộc tinh trong tuần tới, các nhà nghiên cứu có cơ hội khảo sát anh bạn khổng lồ cổ xưa của chúng ta để tìm hiểu các hành tinh hình thành như thế nào, kể cả Trái đất của chúng ta.

Ảnh: NASA/JPL

Trong 5 năm qua, phi thuyền vũ trụ Juno của NASA vẫn đang tiến về đích đến cuối cùng của nó: Mộc tinh, vua của các hành tinh. Vào ngày 4 tháng 7 năm nay (ngày 4 tháng 7 ở Mĩ, tức ngày 5 tháng 7 ở Việt Nam), phi thuyền nặng 4 tấn này sẽ bật các bộ đẩy phụ và giảm tốc đủ cho lực hấp dẫn của hành tinh khổng lồ bắt giữ nó. Quá trình đốt nhiên liệu chỉ kéo dài khoảng 40 phút, nhưng đó sẽ là 40 phút căng thẳng: trong thời gian đó, khi Juno chuyển từ quay xung quanh Mặt trời sang quay xung quanh Mộc tinh, các dụng cụ còn lại của nó sẽ tạm dừng hoạt động. Sau đó, các dụng cụ sẽ mở trở lại, và trong hành trình hơn 35 vòng quỹ đạo dẹt, sát cực trong năm tới, Juno sẽ tiến hành một quan sát cự li gần và chưa có tiền lệ của chàng khổng lồ trong xóm hành tinh của chúng ta, truyền dữ liệu về Trái đất.

Nhà nghiên cứu Juno Scott Bolton cho biết nỗ lực nghiên cứu Mộc tinh không gì hơn là ước muốn tìm hiểu câu chuyện nguồn gốc của hệ mặt trời. Bolton là một nhà vật lí không gian tại Viện Nghiên cứu Southwest ở San Antonio, Texas, và ông đã chỉ đạo sứ mệnh trị giá 1,1 tỉ đô này từ lúc hình thành ý tưởng cho đến lúc triển khai. “Khi bạn muốn tìm hiểu tất cả chúng ta từ đâu đến và các hành tinh đã ra đời như thế nào, thì bạn phải bắt đầu với Mộc tinh,” ông nói. Thành phần của Mộc tinh trông giống sao hơn là hành tinh, vì nó chủ yếu gồm hydrogen, kế đến là helium. Đồng thời, khí quyển của nó có rải rác những nguyên tố nặng hơn – bao gồm carbon, nitrogen và oxygen – các nguyên tố tạo nên sự sống trên Trái đất. “Mộc tinh có phong phú chất liệu giống như cái tạo nên chúng ta,” Bolton nói. “Chúng tôi đang cố gắng tìm hiểu câu chuyện lịch sử của chính chúng ta.”

Lời của Bolton phản ánh một sự trải nghiệm của các nhà thiên văn học: nếu bạn muốn biết chi tiết về hệ mặt trời đã ra đời như thế nào, hay các hành tinh khí khổng lồ đã kết tụ như thế nào xung quanh các ngôi sao, bạn phải hỏi đến Mộc tinh. Nó có khả năng đã hình thành sớm và nhanh, quét lấy hết đa số vật liệu còn lại sau khi Mặt trời ra đời. Mộc tinh nặng hơn hai lần tổng khối lượng của các hành tinh khác, các vệ tinh, các tiểu hành tinh, các sao chổi và các vật thể vành đai Kuiper trong hệ mặt trời của chúng ta cộng lại. Do tuổi và khối lượng của nó, Mộc tinh có khả năng giữ một vai trò thiết yếu trong việc sắp xếp hệ mặt trời, giúp thúc các hành tinh vào vị trí hiện nay của chúng. (Với 67 vệ tinh đã biết, có thể xem Mộc tinh là một hệ hành tinh riêng của nó.) Các nhà thiên văn còn ghi nhận sức mạnh hấp dẫn của Mộc tinh trong việc làm lệch hướng các sao chổi và tiểu hành tinh nếu không thì chúng đã lao vào Trái đất và đem lại một cái kết nhanh chóng cho sự sống mà chúng ta biết.

Một núi lửa phun trên vệ tinh Io, chụp bởi sứ mệnh New Horizons. (Ảnh: Trung tâm Du hành Vũ trụ Goddard thuộc NASA)

Các nền văn minh cổ đại đã quan sát Mộc tinh với sự kinh sợ và hứng thú, và các nhà thiên văn học đã và đang khám phá các bí ẩn của nó kể từ khi Galileo Galilei lần đầu tiên nghiên cứu nó và các vệ tinh của nó qua một chiếc kính thiên văn cách đây 400 năm – các quan sát cho thấy không phải cái gì trên bầu trời cũng quay xung quanh Trái đất. Càng có nhiều nhà khoa học tìm hiểu về Mộc tinh, thì họ tìm thấy càng nhiều điều chưa biết. Dẫu sau hàng thế kỉ khám phá, Mộc tinh vẫn bao phủ trong bí ẩn.

Các nhà khoa học không biết cấu trúc của bầu khí quyển dày đặc, nóng bỏng của nó, hay bầu khí quyển đó chứa bao nhiêu nước. Còn bí ẩn hơn nữa là cấu trúc nhân của nó, nằm ẩn sâu bên dưới. Các màn trình diễn ánh sáng rực rỡ, gọi là cực quang, vây quanh hai cực giống như hai cái vương miện – và thậm chí tỏa sâu hơn trong khí quyển – mặc dù các nhà nghiên cứu còn bất đồng về cách chúng hình thành. Các quan sát trên mặt đất của Mộc tinh và các vệ tinh của nó mang lại những gợi ý trả lời những bí ẩn này, nhưng cách tốt nhất để hỏi thăm vua của các hành tinh là đi đến nơi rồi tự chúng ta quan sát lấy.

Các mục tiêu của Juno thật đơn giản. Mộc tinh đã hình thành và tiến hóa như thế nào? Cái gì ẩn náu bên dưới các đám mây của Mộc tinh? Đáp án cho những câu đố hiểm hóc ấy có thể giúp trả lời những câu hỏi còn rộng hơn nữa về sự hình thành các hành tinh. “Chúng ta đang đi tìm công thức chế biến hệ mặt trời,” Bolton phát biểu.

Câu chuyện cho đến nay

Trong thần thoại La Mã, Juno là vợ (và em gái) của Jupiter, vua của các vị thần, và bà rất hay ghen tuông trước thói lăng nhăng của ông chồng. Để che giấu chuyện tình vụng trộm với một nàng sinh tử tên là Io, Jupiter đã tự ẩn mình dưới một đám mây dày đặc. Không hề bị lừa, Juno dùng tay vén mây mù – một hành động na ná như sứ mệnh Juno hiện nay.

Mộc tinh, một nguồn hứng khởi thôi miên những người thích ngắm sao, đã xuất hiện trong một trong những quyển tiểu thuyết khoa học viễn tưởng đầu tiên. Vào năm 1752, nhà triết học người Pháp Voltaire cho xuất bản quyển Micromégas, một câu chuyện đọc na ná như Gulliver’s Travels, nhưng trong ngữ cảnh không gian vũ trụ. Câu chuyện kể về những chuyến phiêu lưu của một người ngoài hành tinh cao 37 km và người bạn cao 2 km của anh ta khi họ so sánh các trải nghiệm và thám hiểm hệ mặt trời. Quỹ đạo của họ đưa họ đến với các vệ tinh của Mộc tinh và rồi nhanh chóng đến Mộc tinh: “Họ dừng chân tại Mộc tinh và nghỉ lại một tuần, trong thời gian đó họ đã tìm hiểu được một số bí ẩn rất thú vị,” thật không may, những chuyện thú vị đó là gì thì không được nói rõ trong truyện. (Sau đó, hai người bạn đến thăm Trái đất, nhưng vì các cư dân Trái đất quá nhỏ để nhìn thấy, nên họ bỏ lỡ mất cơ hội tìm thấy sự sống thông minh ở đây.)

Sứ mệnh Juno là chuyến viếng thăm Mộc tinh lần thứ chín bởi một phi thuyền do con người chế tạo. Sứ mệnh gần đây nhất là New Horizons, nay đang trên hành trình tiếp cận Pluto, hồi năm 2007. Phi thuyền đầu tiên tới nơi vào năm 1972, khi ấy phi thuyền Pioneer 10 đã chụp 300 hình ảnh và tiến hành các phép đo khi nó bay ở tốc độ 132.000 km/h, cách phía trên đầu các đám mây chừng 130.000 km. Dữ liệu thu từ sứ mệnh đó đã giúp các nhà khoa học đưa ra những giả thuyết ban đầu về nhân chứa đầy chất lỏng và phân tích plasma trong từ quyển khổng lồ của hành tinh – vùng không gian trong đó các hạt tích điện bị ảnh hưởng bởi từ trường Mộc tinh. Sứ mệnh trên đã không hoàn toàn thuận buồm xuôi gió: một số thiết bị trên tàu bị hỏng hóc do cường độ bức xạ xung quanh Mộc tinh, nhưng những trục trặc đó đã giúp thiết kế sự bảo vệ tốt hơn cho các sứ mệnh tương lai. Vào năm sau đó, trên đường bay đến Thổ tinh, Pioneer 11 đã bay qua Mộc tinh, ở cự li gần hơn và bay nhanh hơn tiền bối của nó. Các sứ mệnh Voyager 1 và 2 vào cuối những năm 1970 sau đó đã gửi về nhiều dữ liệu hơn – và cả những câu hỏi chưa có lời đáp.

“Các sứ mệnh Voyager đã mở ra cả một trời cái chưa biết,” phát biểu của nhà vật lí Theodor Kostiuk thuộc Trung tâm Du hành Vũ trụ Goddard của NASA ở Maryland, người đã sử dụng kính thiên văn mặt đất để nghiên cứu khí quyển của Mộc tinh. Chẳng hạn, Voyager đã nhận ra các núi lửa hoạt động trên Io, một vệ tinh lớn nhóm trong, ảnh hưởng đến toàn bộ hệ hành tinh. (Trước Voyager, các nhà thiên văn không biết có hoạt động núi lửa tồn tại ở nơi nào khác trong vũ trụ.)

Từ quyển của Mộc tinh nhìn từ Trái đất nếu như có thể thấy được. (Ảnh: Trung tâm Du hành Vũ trụ Goddard thuộc NASA)

Phi thuyền vũ trụ Ulysses đã đo từ quyển của Mộc tinh trong các chuyến bay qua vào năm 1992 và 2000, khi nó sử dụng sức hút hấp dẫn từ phía Mộc tinh để lướt về phía Mặt trời, đích đến nghiên cứu chính của nó. Phi thuyền vũ trụ Cassini–Huygens, trên hành trình đến Thổ tinh, đã chụp hàng chục nghìn bức ảnh của Mộc tinh và đã tiến hành các phép đo chi tiết của khí quyển của nó trong thời gian sáu tháng trong năm 2000 và 2001. Tàu quỹ đạo đầu tiên đi tới Mộc tinh là Galileo, nó mất tám năm bay vòng quanh xích đạo của hành tinh và nghiên cứu các vệ tinh nhóm Mộc tinh, nhưng nó gặp một số trục trặc và cuối cùng thì không hoàn thành hết các mục tiêu khoa học của nó.

Nhà vật lí không gian hành tinh học Fran Bagenal, thuộc trường Đại học Colorado ở Boulder, đã làm việc với đội khoa học Galileo và nay lãnh đạo các đội nghiên cứu plasma cho cả Juno và New Horizons, phi thuyền đã đi tới Pluto hồi năm ngoái. “Các quan sát của phi thuyền Galileo cho chúng ta biết rất nhiều về các vệ tinh, nhưng nó gặp phải vấn đề này,” bà nói. Vào năm 1991, anten hiệu suất cao 4,8 m của Galileo, có hình dạng giống như cái dù và được thiết để truyền tín hiệu vô tuyến về Trái đất, chỉ mở được một phần. Các nhà khoa học đã cố gắng trong 5 năm trời nhằm sửa chữa trục trặc đó từ Trái đất, nhưng chẳng thành công. “Nó có nghĩa là chúng ta không thể tiến hành nhiều nghiên cứu trên bản thân Mộc tinh,” Bagenal nhớ lại. Sứ mệnh đã không thể gửi về nhiều dữ liệu như các nhà khoa học trông đợi, và phi thuyền đã bị nghiền nát trong chuyến bay cuối cùng, có chủ ý xuyên vào khí quyển hỗn loạn của Mộc tinh.

Juno là hậu duệ khoa học tiếp nối Galileo, nhưng nó khác ở nhiều điểm quan trọng. Giá thành của Galileo là khoảng 1,4 tỉ đô, còn chi phí của Juno ước tính khoảng 1,1 tỉ đô. Trong khi Galileo bay vòng quanh xích đạo, thì Juno sẽ bay vòng quanh hai cực. Galileo, giống như đa số phi thuyền vũ trụ khác, sử dụng nhiên liệu hạt nhân để du hành xuyên không gian. Juno hoạt động dựa trên năng lượng mặt trời. Ba cánh tay xuyên tâm của nó là các ma trận 9 m chứa 19.000 tế bào pin mặt trời, và hồi tháng giêng năm nay Juno đã lập kỉ lục quãng đường bay xa nhất dùng năng lượng mặt trời. (Kỉ lục trước đây thuộc về phi thuyền vũ trụ Rossetta của Cơ quan Không gian châu Âu, phi thuyền đã đi tới vành đai tiểu hành tinh nằm giữa Hỏa tinh và Mộc tinh.)

Trong vùng lân cận Trái đất, các tế bào pin mặt trời của Juno nhận đủ ánh sáng mặt trời để phát ra 14 kW – năng lượng đủ cấp cho 10 lò vi sóng hoạt động cùng lúc. Ở gần Mộc tinh, nơi ánh sáng mặt trời yếu hơn, các tế bào chỉ thu đủ ánh sáng cho khoảng 400 W. Năng lượng đó không đủ để chạy một máy sấy tóc, nhưng nó đủ cho bộ thiết bị khoa học của Juno. “Nó chứng minh rằng năng lượng mặt trời hoạt động được trong một môi trường mới mà chúng ta không nghĩ là có thể,” Bolton nói. Theo ông, vành đai bức xạ xung quanh Mộc tinh là “một trong những vùng khắc nghiệt nhất trong hệ mặt trời”.

>> Xem tiếp Phần 2

Nguồn: Physics Wolrd