Các xoáy thuận cực hé lộ cấu trúc ẩn giấu bên trong của Sao Mộc Và Sao Thổ

Nghiên cứu mới giải mã sự khác biệt bí ẩn giữa hai hành tinh khí khổng lồ

Nghiên cứu mới của các nhà khoa học hành tinh tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho thấy, sự khác biệt rõ rệt trong cấu trúc xoáy thuận ở vùng cực của Sao Mộc và Sao Thổ có thể bắt nguồn từ đặc tính sâu bên trong của lõi hành tinh, từ đó mở ra những manh mối quan trọng về cấu trúc nội tại của các hành tinh khí khổng lồ.

Hình ảnh tổng hợp này được xây dựng từ dữ liệu thu thập bởi thiết bị JIRAM trên tàu thăm dò Juno của NASA, cho thấy một xoáy thuận trung tâm tại cực Bắc Sao Mộc, được bao quanh bởi tám xoáy thuận nhỏ hơn. JIRAM hoạt động trong dải hồng ngoại, và màu sắc trong ảnh thể hiện nhiệt bức xạ:

• Mây màu vàng (mỏng hơn) có nhiệt độ sáng khoảng -13°C,

• Trong khi vùng đỏ sẫm (mây dày nhất) có thể xuống tới -83°C.
  Nguồn ảnh: NASA / JPL-Caltech / SwRI / ASI / INAF / JIRAM.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy, các đặc tính bên trong hành tinh và độ ‘mềm’ của đáy xoáy thuận có ảnh hưởng trực tiếp đến mô hình dòng chảy chất lưu quan sát được trên bề mặt,” tiến sĩ Wanying Kang (MIT) cho biết.

Nghiên cứu được truyền cảm hứng từ những hình ảnh chi tiết về Sao Mộc và Sao Thổ do các sứ mệnh Juno và Cassini của NASA cung cấp.

Juno và Cassini: Hai sứ mệnh mở khóa cực Bắc của các hành tinh khí

Tàu Juno đã quay quanh Sao Mộc từ năm 2016 và ghi lại những hình ảnh ngoạn mục về cực Bắc với nhiều xoáy khí xoáy tròn dữ dội.
Từ dữ liệu này, các nhà khoa học ước tính mỗi xoáy thuận của Sao Mộc có đường kính lên tới 5.000 km.

Trong khi đó, tàu Cassini – trước khi tự hủy trong khí quyển Sao Thổ vào năm 2017 – đã hoạt động quanh hành tinh này suốt 13 năm.
Cassini phát hiện tại cực Bắc Sao Thổ chỉ tồn tại một xoáy thuận duy nhất, có hình lục giác, với kích thước lên tới 29.000 km.

“Sao Mộc và Sao Thổ gần như giống nhau về kích thước và đều chủ yếu cấu tạo từ hydro và heli, nhưng các xoáy thuận ở vùng cực lại hoàn toàn khác biệt, và điều đó khiến giới khoa học bối rối trong nhiều năm,” nghiên cứu sinh Jiaru Shi (MIT) chia sẻ.

Mô hình 2D giúp giải thích hiện tượng xoáy cực

Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu tìm ra cơ chế vật lý lý giải vì sao một hành tinh hình thành một xoáy cực duy nhất, trong khi hành tinh còn lại lại xuất hiện nhiều xoáy nhỏ.

Họ sử dụng mô hình động lực học chất lưu hai chiều (2D) để mô phỏng sự tiến hóa của các xoáy khí trên bề mặt hành tinh.
Dù xoáy thuận thực chất là hiện tượng ba chiều, nhưng do tốc độ tự quay cực nhanh của Sao Mộc và Sao Thổ, chuyển động chất lưu có xu hướng đồng nhất theo trục quay, cho phép giản lược bài toán 3D thành 2D mà vẫn đảm bảo độ chính xác.

“Trong các hệ quay nhanh, dòng chất lưu gần như không thay đổi theo trục quay, vì vậy mô hình 2D là hoàn toàn hợp lý,” tiến sĩ Kang giải thích.
“Điều này giúp việc mô phỏng nhanh hơn hàng trăm lần và tiết kiệm đáng kể chi phí tính toán.”

Mô hình được xây dựng dựa trên một phương trình mô tả sự tiến hóa của dòng chảy xoáy, vốn đã được ứng dụng rộng rãi để mô phỏng bão xoáy ở vĩ độ trung bình trên Trái Đất, và được điều chỉnh để phù hợp với vùng cực của các hành tinh khí.

Độ “mềm” của đáy xoáy: chìa khóa tạo nên khác biệt

Trong các kịch bản mô phỏng, nhóm nghiên cứu thay đổi nhiều tham số như:

• Kích thước hành tinh
• Tốc độ tự quay
• Nguồn nhiệt nội tại
• Và độ mềm hoặc độ cứng của lớp khí ở đáy xoáy.

Ban đầu, chất lưu được đặt trong trạng thái nhiễu loạn ngẫu nhiên, sau đó để hệ tiến hóa theo thời gian.

Kết quả cho thấy:

• Một số kịch bản hình thành một xoáy cực khổng lồ, giống Sao Thổ.
• Trong khi các kịch bản khác tạo ra nhiều xoáy nhỏ cùng tồn tại, giống Sao Mộc.

Phân tích sâu hơn cho thấy, yếu tố quyết định nằm ở độ mềm của lớp vật chất bên dưới xoáy thuận:

• Nếu lớp khí ở đáy xoáy nhẹ và mềm, xoáy không thể phát triển quá lớn, cho phép nhiều xoáy nhỏ cùng tồn tại tại cực hành tinh - như trên Sao Mộc.
• Ngược lại, nếu lớp đáy đặc và cứng hơn, xoáy có thể mở rộng đến quy mô hành tinh, hình thành một xoáy cực duy nhất - như trên Sao Thổ.

Nếu cơ chế này là chính xác, điều đó ngụ ý rằng Sao Mộc có cấu trúc bên trong nhẹ và mềm hơn, trong khi Sao Thổ có thể chứa vật chất nặng hơn, giàu kim loại và vật chất ngưng tụ, tạo ra sự phân tầng mạnh mẽ hơn.

“Những gì chúng ta quan sát được trên bề mặt có thể phản ánh trực tiếp cấu trúc sâu bên trong hành tinh,” Shi nhấn mạnh.
“Điều này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bản chất thực sự của các hành tinh khí khổng lồ.”

Nghiên cứu này sẽ được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).