Vén màn bí ẩn về lõi của Sao Mộc

Tiết lộ của Juno

Trong hàng tỷ năm, Sao Mộc - hành tinh lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, vẫn luôn chứa đầy bí ẩn. Theo nghiên cứu các của các nhà khoa học, thể tích của Sao Mộc lớn đến mức có thể chứa hơn 1.300 Trái Đất, khối lượng gấp 318 lần hành tinh của chúng ta và mạnh mẽ đến nỗi trường hấp dẫn của nó định hình quỹ đạo của nhiều thiên thể nhỏ trong Hệ Mặt Trời. Thế nhưng, nghịch lý nằm ở chỗ, con người biết rất ít về phần bên trong Sao Mộc, nơi mà trọng lực, áp suất và nhiệt độ khủng khiếp đến mức mọi quy luật vật lý trên Trái Đất dường như sụp đổ.

Tàu vũ trụ Juno của NASA đã ghi lại hình ảnh ấn tượng về Đốm Đỏ Lớn và vùng bán cầu nam hỗn loạn của Sao Mộc khi nó bay qua gần hành tinh khí khổng lồ này. Nguồn: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Kevin M. Gill.

Câu hỏi lớn nhất được đặt ra là bên Sao Mộc có gì, liệu có phải là một lõi rắn hay chỉ là lớp khí dày đặc kéo dài đến vô tận? Trước đây, hầu hết mô hình khoa học đều cho rằng Sao Mộc có một lõi rắn, có thể là đá hoặc kim loại, với khối lượng gấp 10-20 lần Trái Đất, bao quanh là các lớp hydro và heli. Cấu trúc này được ví giống như “một hạt nhân vũ trụ” hình thành đầu tiên trong đám mây khí, sau đó hút thêm vật chất nhẹ và trở thành hành tinh khí khổng lồ.

Nhưng từ năm 2016, tàu thăm dò Juno của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ quốc gia của Mỹ (NASA) bắt đầu bay quanh Sao Mộc, gửi về Trái Đất những dữ liệu chưa từng có về trọng lực, từ trường và cấu trúc sâu bên trong. Và từ đó, các nhà khoa học phát hiện ra: lõi Sao Mộc không hề rắn chắc như họ từng nghĩ. Ngược lại, các dữ liệu của Juno lại cho thấy một điều lạ lùng: lực hấp dẫn của Sao Mộc không tương thích với mô hình lõi rắn.

Tờ The Nature cho hay, các phép đo trọng lực chính xác cao cho thấy mật độ vật chất bên trong không giảm dần một cách đều đặn, mà thay đổi phức tạp, gợi ý rằng các nguyên tố nặng bị hòa lẫn vào vùng khí sâu hơn. Chưa hết, dữ liệu từ tàu vũ trụ Juno còn cho thấy lõi Sao Mộc không kết thúc đột ngột như các nhà khoa học từng giả định. Thay vào đó, nó hòa trộn một cách mượt mà vào các lớp giàu hydro xung quanh, tạo thành cái gọi là lõi loãng.

“Lõi Sao Mộc có thể là một vùng chuyển tiếp ‘mờ nhòe’, nơi vật chất nặng không tập trung ở trung tâm mà phân tán ra ngoài”, báo cáo của NASA về sứ mệnh Juno ghi. Ngay lập tức, giới khoa học gọi đó là “lõi mờ nhòe”, không có ranh giới rõ ràng giữa phần lõi và lớp khí xung quanh. Như vậy, thay vì là một quả cầu rắn, “trái tim” của Sao Mộc giống như một vũng vật chất hỗn loạn, nơi đá, kim loại, hydro và heli hòa trộn trong áp suất cực cao.

Từ trái sang, Ganymede, Europa và Io - 3 vệ tinh của Sao Mộc mà sứ mệnh Juno của NASA đã bay qua. Nguồn: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS.

Tranh luận về nguồn gốc mờ nhòe

Kể từ khi Juno phát hiện ra cấu trúc đáng ngạc nhiên này, các nhà nghiên cứu đã cố gắng xác định cách thức hình thành một lõi khuếch tán như vậy. Một trong những giả thuyết đầu tiên nhằm giải thích “lõi mờ nhòe” này xuất hiện năm 2019. Nghiên cứu của nhóm nhà khoa học thuộc Đại học Kyoto (Nhật Bản) và Viện Khoa học Carnegie (Mỹ) công bố trên Science Advances cho rằng, một hành tinh nguyên thủy có khối lượng gấp 10 lần Trái Đất đã va chạm với Sao Mộc khoảng 4,5 tỷ năm trước. Cú va chạm khổng lồ đó làm vỡ nát lõi rắn ban đầu, khiến vật chất nặng hòa lẫn vào hydro và heli, tạo ra cấu trúc “lõi lỏng lẻo” hay “lõi mờ nhòe” mà Juno quan sát được ngày nay.

Nhưng cuối tháng 8 vừa qua, một nghiên cứu được công bố trên thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia Anh lại đưa ra một lời giải thích khác. Theo đó, lõi của Sao Mộc có thể phát triển từ cách hành tinh dần dần hút cả các nguyên tố nặng và nhẹ vào trong quá trình phát triển và tiến hóa của nó. Để củng cố cho giả thuyết này, tờ SciTechDaily cũng đã đăng lại kết quả nghiên cứu của nhóm nhà khoa học thuộc Đại học Durham (Anh).

Cụ thể, các nhà khoa học từ Đại học Durham đã hợp tác với đồng nghiệp tại NASA, Viện Tìm kiếm trí tuệ ngoài trái đất (SETI) của Mỹ, và Đại học Oslo (Na Uy) để thực hiện các mô phỏng máy tính tiên tiến về các vụ va chạm hành tinh. Các mô hình này sử dụng các phương pháp mới để theo dõi tốt hơn cách các vật liệu khác nhau kết hợp với nhau, giúp kiểm tra xem liệu một vụ va chạm lớn có thể là nguyên nhân gây ra hình dạng bất thường của lõi hay không.

Kể từ khi đến Sao Mộc vào năm 2016, tàu vũ trụ Juno của NASA đã thăm dò bên dưới những đám mây dày đặc, bí ẩn bao quanh hành tinh khổng lồ này.

Các mô phỏng này được chạy trên siêu máy tính DiRAC COSMA đặt tại Đại học Durham bằng phần mềm mã nguồn mở SWIFT hiện đại. Và nghiên cứu phát hiện ra rằng không có cấu trúc lõi loãng ổn định nào được tạo ra trong bất kỳ mô phỏng nào được thực hiện, ngay cả trong những mô phỏng liên quan đến các vụ va chạm trong điều kiện khắc nghiệt nhất. Đồng thời, các mô phỏng cũng chứng minh rằng, vật liệu lõi đá và băng đặc bị dịch chuyển bởi một vụ va chạm sẽ nhanh chóng định hình lại, để lại một ranh giới riêng biệt với các lớp hydro và heli bên ngoài, thay vì hình thành một vùng chuyển tiếp trơn tru giữa hai vùng.

Nói thêm về những phát hiện này, tác giả chính của nghiên cứu, Tiến sĩ Thomas Sandnes thuộc Đại học Durham, cho biết: “Thật thú vị khi khám phá cách một hành tinh khổng lồ như Sao Mộc phản ứng với một trong những sự kiện dữ dội nhất mà một hành tinh đang phát triển có thể trải qua. Chúng tôi thấy trong các mô phỏng của mình rằng, loại va chạm này thực sự làm rung chuyển hành tinh đến tận lõi, nhưng không theo cách phù hợp để giải thích phần bên trong Sao Mộc mà chúng ta thấy ngày nay”.

Trong khi đó, Tiến sĩ Ravit Helled, đồng tác giả nghiên cứu, phát biểu trên SciTechDaily: “Chúng tôi không tìm thấy bằng chứng rằng va chạm lớn có thể tạo nên “lõi mờ nhòe” như kết quả quan sát được từ Juno. Điều đó gợi ý rằng Sao Mộc được sinh ra với một lõi đã pha trộn sẵn”. Thay vào đó, các nguyên tố nặng dường như đã được trộn lẫn từ giai đoạn hình thành ban đầu - tức là “lõi mờ nhòe” là kết quả tự nhiên của quá trình tích tụ vật chất, chứ không phải hậu quả của một vụ va chạm.

Nói cách khác, bí ẩn của “lõi mờ nhòe” trên Sao Mộc không phải là câu chuyện của một cú nổ, mà là câu chuyện của sự trộn lẫn kéo dài hàng triệu năm trong quá trình hình thành hành tinh. Khi Sao Mộc còn trẻ, nó hút vật chất nặng từ đĩa khí xung quanh và chính sự đối lưu, hỗn loạn bên trong đã “nhào trộn” lõi với các lớp ngoài, tạo nên một “trái tim” không có ranh giới.

Tàu vũ trụ Juno của NASA mang đến những hình ảnh cận cảnh tuyệt đẹp của Sao Mộc.

Minh chứng từ Sao Thổ về áp suất khủng khiếp cùng vật chất lạ

Đáng chú ý là Sao Mộc không phải là hành tinh duy nhất có lõi loãng. Gần đây, các nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng cho thấy Sao Thổ cũng có lõi loãng. Tiến sĩ Luis Teodoro, thuộc Đại học Oslo cho hay, những phát hiện của nghiên cứu này cũng có thể giúp các nhà khoa học hiểu biết và giải thích nhiều ngoại hành tinh có kích thước tương đương Sao Mộc và Sao Thổ đã được quan sát xung quanh các ngôi sao xa xôi. Nếu lõi loãng không được tạo ra bởi những va chạm hiếm gặp và cực mạnh, thì có lẽ hầu hết hoặc tất cả các hành tinh này đều có cấu trúc bên trong tương đối phức tạp.

Thực tế là, cho dù được hình thành bằng cách nào, bên trong Sao Mộc là một thế giới hoàn toàn xa lạ với con người. Theo mô phỏng của NASA, nhiệt độ ở trung tâm Sao Mộc có thể đạt 20.000 độ C, trong khi áp suất vượt quá 100 triệu lần áp suất khí quyển Trái Đất. Dưới điều kiện khắc nghiệt đó, hydro - nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ không còn là khí, mà chuyển thành “hydro kim loại”, một dạng vật chất lạ có khả năng dẫn điện và phản xạ ánh sáng như kim loại. “Hydro kim loại là thứ chúng ta chỉ có thể tạo ra trong vài micro-giây trong phòng thí nghiệm, nhưng bên trong Sao Mộc, nó tồn tại ổn định hàng tỷ năm”, báo cáo của NASA viết.

Lớp hydro kim loại này được cho là nguồn gốc của từ trường cực mạnh của Sao Mộc (gấp 20.000 lần Trái Đất), tạo nên một “bức tường điện từ” khổng lồ bao quanh hành tinh. Chính nó đã giúp Sao Mộc “bắt giữ” các hạt năng lượng cao từ Mặt Trời và bảo vệ phần còn lại của hệ hành tinh khỏi bức xạ mạnh. Nói cách khác, Sao Mộc có thể là “người bảo vệ vô hình” của Trái Đất, ngăn không cho vô số thiên thể nhỏ đâm vào hành tinh của chúng ta.

Rõ ràng, việc hiểu được lõi Sao Mộc không chỉ để thỏa mãn trí tò mò mà nó còn là chìa khóa để giải mã cách các hành tinh khổng lồ hình thành và tiến hóa, cả trong Hệ Mặt Trời lẫn ngoài vũ trụ. Các nhà thiên văn học hiện nay đã phát hiện hơn 5.000 ngoại hành tinh, trong đó có hàng trăm hành tinh khí khổng lồ tương tự Sao Mộc. Nếu chúng ta hiểu được vì sao lõi Sao Mộc “mờ nhòe”, chúng ta cũng có thể hiểu được vì sao các hành tinh khác lại có cấu trúc hoặc từ trường khác biệt.

Huyền Chi