Theo hiểu biết thông thường của chúng ta, một hành tinh càng gần Mặt trời thì nhiệt độ càng cao và càng xa Mặt trời thì nhiệt độ càng thấp, nhưng điều này không hợp lý với Sao Mộc. Mặc dù Sao Mộc nằm rất xa Mặt Trời, xếp sau Trái Đất và Sao Hỏa, nhưng nhiệt độ của tầng khí quyển trên của Sao Mộc thực sự có thể lên tới 400 độ C, có thể nói là liên tục "nóng".
Sơ đồ hệ mặt trời, bạn có biết sao Mộc là hành tinh nào không? (Nguồn ảnh: veer photo gallery)
Hiện tượng bất thường này đã làm các học giả bối rối trong 50 năm, nhưng một nghiên cứu gần đây cuối cùng đã tìm ra "lực đẩy đằng sau" và đưa ra câu trả lời cho "cuộc khủng hoảng năng lượng Sao Mộc" khó hiểu.
Hồ sơ sao Mộc
Trước tiên chúng ta hãy tìm hiểu về Sao Mộc, hành tinh nổi tiếng với kích thước khổng lồ.
Sao Mộc là một hành tinh khí khổng lồ có khối lượng gấp 2,5 lần tổng khối lượng của tất cả các hành tinh khác và chủ yếu bao gồm hydro và heli. Sao Mộc có nhiều vệ tinh, trong đó có thể nhìn thấy từ Io đến Callisto bằng kính viễn vọng vào bầu trời đêm quang đãng. Bức ảnh bên dưới cho thấy Sao Mộc và ba vệ tinh của nó được tác giả chụp bằng kính thiên văn ở Devingelo, Hà Lan.
(Nguồn hình ảnh: do tác giả cung cấp)
Sao Mộc có từ trường hành tinh mạnh nhất trong hệ mặt trời, với mômen từ gấp khoảng 18.000 lần từ trường của Trái Đất. So với Trái Đất, Sao Mộc ở rất xa Mặt Trời. Trục bán chính của quỹ đạo Sao Mộc là 5,204 AU, gấp khoảng năm lần khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời.
"Cuộc khủng hoảng năng lượng Sao Mộc" đã gây rắc rối cho con người trong năm mươi năm
Theo trực giác, Sao Mộc, hành tinh xa Mặt Trời hơn, sẽ lạnh hơn Trái Đất. Dựa trên lượng bức xạ mặt trời nhận được, nhiệt độ trung bình của tầng khí quyển phía trên của Sao Mộc phải vào khoảng âm 73 độ C. Tuy nhiên, giá trị đo được thực tế cao hơn 400 độ C. Nhiệt độ cao bất thường không thể giải thích này được gọi là "cuộc khủng hoảng năng lượng" của Sao Mộc. Cuộc khủng hoảng năng lượng mà Trái Đất đang phải đối mặt hiện nay là nguồn năng lượng sẵn có đang gần cạn kiệt. Tuy nhiên, không giống như cuộc khủng hoảng năng lượng trên Trái Đất, cuộc khủng hoảng năng lượng của Sao Mộc là “có năng lượng (năng lượng nhiệt) nhưng không tìm thấy nguồn”.
Nhiệt độ cao bất thường của Sao Mộc đã gây rắc rối cho loài người trong năm mươi năm. Trong thời gian này, các học giả đã đưa ra nhiều giả thuyết về cơ chế làm nóng của hành tinh khí quá nóng này. Một số học giả tin rằng hiện tượng này là do siêu bão Đốm Đỏ Lớn của Sao Mộc gây ra, vì theo các phép đo, Đốm Đỏ Lớn thực sự nóng hơn khu vực xung quanh.
Các học giả suy đoán rằng siêu bão sẽ tạo ra một lượng lớn nhiễu loạn ở tầng khí quyển thấp hơn, lan truyền lên trên dưới dạng sóng hấp dẫn và sóng âm rồi tiêu tan dưới dạng năng lượng nhiệt ở tầng khí quyển cao hơn, làm nóng tầng khí quyển cao hơn. Tuy nhiên, không có suy đoán nào trong số này có thể cung cấp mô tả cơ học hoàn chỉnh về quá trình nóng lên toàn cầu của Sao Mộc.
Hình ảnh Đốm Đỏ Lớn đang nóng lên (Nguồn ảnh: NASA)
Cường độ bức xạ quang phổ cho thấy Đốm Đỏ Lớn là một khu vực có nhiệt độ cao (Nguồn hình ảnh: Nature 536,190–192 (2016))
Bầu khí quyển của sao Mộc được nung nóng bởi cực quang
Gần đây, J. O'Donoghue của Đại học Leicester đã dẫn đầu một nhóm thực hiện quan sát chung Sao Mộc bằng nhiều thiết bị. Kết quả chính của quan sát này đến từ phép đo độ phân giải không gian cao về nhiệt độ khí quyển của Sao Mộc. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng ba thiết bị: Đài quan sát Keck ở Hawaii - sử dụng kính viễn vọng cận hồng ngoại để quan sát quang phổ phát xạ của các cation trihydro nhằm đo nhiệt độ; Tàu vũ trụ Juno của NASA và vệ tinh Hisaki của JAXA của Nhật Bản đã được sử dụng để hỗ trợ quan sát từ trường và vệ tinh "Io" của Sao Mộc.
Hình dưới đây là kết quả quan sát phân bố nhiệt độ. Sự phân bố nhiệt độ cao xuất hiện ở các vùng cực quang ở phía bắc và phía nam của Sao Mộc, trong khi nhiệt độ tương đối thấp dần chuyển từ hai cực sang xích đạo. Điều này cho thấy các vùng cực của Sao Mộc là nguồn nhiệt chính ở tầng khí quyển trên của nó, và nhiệt ở các vùng cực có thể truyền qua toàn cầu đến vùng xích đạo, làm nóng toàn bộ tầng khí quyển trên của Sao Mộc.
Phân bố nhiệt độ của Sao Mộc (Nguồn hình ảnh: Nature 596, 54–57 (2021))
Điều này có nghĩa là nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng tầng khí quyển trên có nhiệt độ cao bất thường của Sao Mộc được làm nóng bởi các vùng cực quang ở Cực Bắc và Cực Nam (được nhấn mạnh thêm), giải đáp được bí ẩn về tầng khí quyển trên có nhiệt độ cao bất thường của Sao Mộc đã khiến chúng ta bối rối trong 50 năm qua. Kết quả này hiện đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature.
'Mặt trăng núi lửa' đằng sau cực quang của Sao Mộc
Tại sao cực quang của Sao Mộc lại mạnh như vậy? Chúng ta phải hỏi Io.
Bản thân Sao Mộc có cấu trúc đặc biệt. Là một hành tinh khí khổng lồ, nó có từ trường hành tinh mạnh nhất trong hệ mặt trời và có một vệ tinh rất hoạt động trong từ trường đó là Io. Quỹ đạo của Io là quỹ đạo lệch tâm. Lực thủy triều trong các pha quỹ đạo khác nhau sẽ kéo căng nó theo những cách khác nhau, gây ra ma sát trong cấu trúc bên trong, kích hoạt các hoạt động địa chất tích cực và dẫn đến sự hình thành của hàng trăm ngọn núi lửa trên Io.
Các vụ phun trào núi lửa trên Io sẽ hình thành nên tầng khí trung tính bao quanh nó. Các nguyên tử khí tương tác với các electron và proton trong từ quyển của Sao Mộc để ion hóa và tạo thành các hạt tích điện. Các hạt tích điện này được tăng tốc trong từ trường của Sao Mộc để trở thành các hạt tích điện năng lượng cao. Một số hạt tích điện năng lượng cao bị giới hạn trong từ trường của Sao Mộc, giúp Sao Mộc xây dựng vành đai bức xạ mạnh hơn vành đai bức xạ của Trái Đất hàng chục triệu lần. Sơ đồ bên dưới mô tả quá trình Io tạo ra các hạt tích điện năng lượng cao trong từ trường của Sao Mộc.
Io, vành đai plasma và từ trường của Sao Mộc (Nguồn ảnh: Wikipedia: Io (mặt trăng))
Các hạt tích điện này di chuyển dọc theo từ trường mạnh đến các vùng cực của Sao Mộc, đi vào bầu khí quyển của Sao Mộc và sau khi lắng xuống, tạo ra cực quang mạnh nhất trong hệ mặt trời và giải phóng một lượng năng lượng lớn. Những nguồn năng lượng này là nguồn "năng lượng" gây ra nhiệt độ cao bất thường trên bề mặt Sao Mộc.
Cực quang của Sao Mộc (Nguồn ảnh: NASA)
Tại sao hai cực của Trái Đất lại lạnh đến vậy mặc dù chúng ta đều có cực quang giống nhau?
Khi nhìn thấy hình ảnh này, bạn có thể thắc mắc - chúng cũng là cực quang của các hành tinh, tại sao cực quang của Trái Đất lại không có năng lượng mạnh mẽ như vậy?
Sự khác biệt cơ bản nằm ở nguồn cung cấp các hạt tích điện năng lượng cao khác nhau. Các núi lửa của Io và từ trường siêu mạnh của Sao Mộc cung cấp nguồn hạt tích điện năng lượng cao ổn định và lớn cho từ quyển của Sao Mộc, trong khi cực quang của Trái Đất xuất phát từ sự phun trào các hạt tích điện năng lượng cao trong gió Mặt Trời (Ghi chú của biên tập viên: ám chỉ luồng hạt tích điện plasma siêu thanh phát ra từ tầng khí quyển phía trên của Mặt Trời). Đồng thời, từ trường của Trái Đất tương đối yếu, khả năng vận chuyển các hạt tích điện năng lượng cao đến các cực không mạnh, số lượng hạt được vận chuyển đến các cực không nhiều.
Do đó, cường độ cực quang của Trái Đất nhỏ hơn nhiều so với cực quang của Sao Mộc. Nó không thể làm nóng đáng kể bầu khí quyển và không có tác động đáng kể đến khí hậu Trái Đất. Trái Đất vẫn lạnh ở hai cực và nóng ở xích đạo.
Nếu từ trường của Trái Đất mạnh hơn gấp 10 lần, từ trường nội tại (Ghi chú của biên tập viên: từ trường tự phát xuất hiện, duy trì và thay đổi bên trong một hành tinh) có thể bao phủ hoàn toàn quỹ đạo Mặt Trăng. Cùng lúc đó, các vụ phun trào núi lửa sẽ bắt đầu trên Mặt Trăng, phun một lượng lớn các hạt tích điện vào vành đai bức xạ của Trái Đất. Khi đó, cực quang cực sáng sẽ xuất hiện ở hai cực Trái Đất và hiệu ứng nhiệt sẽ khiến hai cực nóng hơn cả đường xích đạo.
Cực quang của Trái Đất được chụp từ Trạm vũ trụ quốc tế (ISS) (Nguồn ảnh: NASA)
Mô hình + quan sát, hiểu được mặt chưa biết của các hành tinh
Chúng ta biết rất ít về các hành tinh khác ngoài Trái Đất, chủ yếu là vì chúng ở quá xa. Chúng ta chỉ có thể cố gắng mô tả các quá trình vật lý xảy ra trên các hành tinh xa xôi thông qua phương pháp "quan sát + mô hình hóa".
Quá trình nghiên cứu được mô tả trong bài viết này là một ví dụ điển hình. Trên thực tế, trong các quan sát trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng vùng cực quang của Sao Mộc là vùng có nhiệt độ cao, nhưng mô hình khi đó tin rằng sự lưu thông theo vĩ độ trong khí quyển của Sao Mộc đã cô lập nhiệt ở vùng cực và ngăn không cho nhiệt lan đến vùng xích đạo. Ngược lại, Đốm Đỏ Lớn nằm gần đường xích đạo hơn. Các quan sát chung được mô tả trong bài viết này, sử dụng độ phân giải chưa từng có là 2 độ cho mỗi pixel, đã phát hiện ra rằng nhiệt không bị giữ lại ở các cực mà dần dần chuyển từ nhiệt độ cao ở các cực sang nhiệt độ thấp ở đường xích đạo. Kết quả quan sát này đã phát hiện ra một hiện tượng mà các mô hình trước đây không mô tả được, từ đó đề xuất hướng cải tiến mô hình.
Một mặt, khi công nghệ phát triển, các thiết bị có thể đạt được độ phân giải ngày càng cao và các tàu thăm dò có thể bay xa hơn và thậm chí hạ cánh trên một số hành tinh để phát hiện tại chỗ. Một mặt, bằng cách thu thập và đồng hóa dữ liệu quan sát, mô hình trở nên hoàn thiện hơn, có thể dự đoán và mô tả các góc mà các thiết bị không thể quan sát được. Có thể nói các mô hình và quan sát chính là đôi mắt của chúng ta để khám phá không gian sâu thẳm và hiểu biết thêm về nhiều hành tinh hơn. Mô hình hướng dẫn quan sát, và quan sát cải thiện mô hình.
"Cuộc khủng hoảng năng lượng Sao Mộc" đã có câu trả lời, và trong tương lai sẽ có nhiều ngôi sao hơn đang chờ chúng ta khám phá khía cạnh chưa biết của nó. Những bí ẩn vũ trụ nào đã làm bạn bận tâm trong một thời gian dài? Hãy thoải mái bày tỏ sự tò mò của bạn ở phần bình luận nhé!
Tài liệu tham khảo:
[1] O'Donoghue J, Moore L, Bhakyapaibul T, và cộng sự. Sự nóng lên toàn cầu của tầng khí quyển trên của Sao Mộc do cực quang ở cực[J]. Thiên nhiên, 2021, 596(7870): 54-57.
[2] O'Donoghue J, Moore L, Stallard TS, và cộng sự. Sự nóng lên của tầng khí quyển phía trên của Sao Mộc phía trên Đốm Đỏ Lớn[J]. Thiên nhiên, 2016, 536(7615): 190-192.
[3] Lam HA, Achilleos N, Miller S, và cộng sự. Một nghiên cứu quang phổ cơ bản về cực quang hồng ngoại của Sao Mộc[J]. Icarus, 1997, 127(2): 379-393.
[4] Đốm Đỏ Lớn của Sao Mộc Có Thể Là Một Nguồn Nhiệt Lớn: NASA
[5] Từ quyển của Sao Mộc https://en.wikipedia.org/wiki/Từ_quy_của_Sao_Mộc
Tác giả: Trương Bội Cẩn
Đơn vị: Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc
Bài viết này được xuất bản lần đầu trên Science Park và chỉ thể hiện quan điểm của tác giả, không đại diện cho lập trường của Science Park.
Viện Hàn lâm Khoa học là nền tảng phổ biến khoa học chính thức của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Sự kiện này do Cục Truyền thông Khoa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc tổ chức và được điều hành bởi nhóm Triển lãm phổ biến khoa học Trung Quốc. Cam kết diễn giải sâu sắc các kết quả nghiên cứu khoa học mới nhất và tiếng nói khoa học về các sự kiện xã hội nóng hổi.
