Nguyên nhân nào khiến sao Mộc không có vành đai tráng lệ như sao Thổ?

Cách đây hơn 400 năm - từ năm 1610, nhân loại lần đầu tiên có cái nhìn thoáng qua về các vành đai hành tinh. Nhìn vào sao Thổ qua kính viễn vọng sơ khai của mình, Galileo Galilei lưu ý rằng có những phần nhô ra từ cả hai bên của đĩa hành tinh: một đặc điểm mà ông ví như “đôi tai” của sao Thổ. Vào giữa thế kỷ này, các nhà thiên văn học khác như Christiaan Huygens đã tiến xa hơn và ghi nhận một khoảng trống ngăn cách những phần nhô ra này với chính hành tinh: Sao Thổ được bao quanh bởi một vành đai khổng lồ. Trong thời gian kể từ đó, chúng ta đã phát hiện ra những khoảng trống, mặt trăng và thiên thể nhỏ hơn trong hệ thống các vành đai này và hơn nữa, sao Thổ không phải là hành tinh duy nhất sở hữu các vành đai.

Bây giờ chúng ta biết rằng tất cả các hành tinh khí khổng lồ trong hệ Mặt trời đều sở hữu các vành đai: sao Mộc, sao Thiên Vương và sao Hải Vương đều có các vành đai nhưng chúng mờ hơn nhiều so với các vành đai của sao Thổ. Chúng ta cũng biết được rằng các vành đai của sao Thổ đang bốc hơi và có khả năng sẽ giống như vành đai của sao Mộc sau 50 - 200 triệu năm nữa. Ngoài ra, ít nhất hai vật thể phần ngoài hệ Mặt trời là Chiron và Quaoar đều sở hữu các vành đai và một số ngoại hành tinh đã biết cũng có dấu hiệu sở hữu vành đai.

Nhưng những gì gây ra vành đai hành tinh; chúng đến từ đâu? Hóa ra, bạo lực vũ trụ dưới hình thức va chạm với các vệ tinh đã tồn tại có thể là lời giải thích cho tất cả đằng sau chúng. Dưới đây là lý do tại sao.

Khi các vành đai của sao Thổ lần đầu tiên được phát hiện và trong nhiều thế kỷ sau đó, các nhà thiên văn học đã giả định một cách hợp lý rằng không có gì đặc biệt về việc chúng ta đang quan sát chúng ngay tức thì, tại thời điểm cụ thể này. Các vành đai, ít nhất là trên thang thời gian của con người, dường như ở trạng thái tĩnh, ngụ ý rằng chúng đã tồn tại trong một thời gian rất dài: thậm chí lâu như chính hệ Mặt trời.

Tuy nhiên, nếu chúng ta nhìn điều này qua lăng kính của thiên văn học và vật lý thiên văn hiện đại, đây không còn là lời giải thích ưa thích cho các vành đai của sao Thổ. Thay vào đó, hầu hết các nhà khoa học hiện nay ủng hộ một kịch bản rất khác: các vành đai chính của sao Thổ được hình thành rất gần đây, trong khoảng 200 triệu năm trước và thậm chí có thể vài chục triệu hay chỉ vài triệu năm trước, bởi một một trong những mặt trăng tồn tại từ trước của nó bị phá hủy.

Có một số bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ câu chuyện về nguồn gốc đặc biệt của các vành đai chính quanh sao Thổ này và điều rất quan trọng là phải xem xét chúng nếu chúng ta muốn hiểu về các hành tinh có vành đai khác mà chúng ta hiện biết. Xét cho cùng, việc phát hiện ra vành đai gần đây của Quaoar đã dẫn đến phủ nhận những tiên đề mà trước giờ chúng ta nghĩ rằng không thể tồn tại vành đai ở một khoảng cách nhất định.

Chúng ta hãy xem xét một số điểm tương đồng và khác biệt giữa hai hành tinh lớn nhất trong hệ Mặt trời của chúng ta: sao Mộc và sao Thổ.

Bản thân các hành tinh đều tự quay tương đối nhanh: Sao Mộc hoàn thành một vành đai quay 360° sau mỗi 9,9 giờ, trong khi sao Thổ hoàn thành một vành đai sau 10,5 giờ. Tuy nhiên, trục quay của sao Thổ nghiêng nhiều hơn so với của sao Mộc: 26,73° so với 3,13°.

Trong khi tất cả các mặt trăng lớn của Sao Mộc quay quanh quỹ đạo có độ nghiêng <1° so với trục quay của sao Mộc, thì sao Thổ có những ngoại lệ. Iapetus - mặt trăng lớn thứ hai của sao Thổ quay quanh quỹ đạo nghiêng hơn 15° so trục quay của hành tinh.

Và trong khi sao Mộc có một hệ thống mỏng gồm các vành đai hầu như không thể phát hiện được trong ánh sáng khả kiến, thì sao Thổ tỏa sáng rực rỡ và lớn hơn nhiều cả về quy mô vật lý lẫn khối lượng. Trên thực tế, các ước tính về khối lượng vành đai của cả hai hành tinh cho thấy vành đai của sao Thổ lớn gấp 1.000 lần sao Mộc và có thể lớn gấp 100 triệu lần. Các vành đai của sao Mộc được cấu tạo chủ yếu bằng vật liệu bụi dường như phù hợp với cấu tạo của một số mặt trăng ở gần nó, nhưng các vành đai của sao Thổ lại có độ phản chiếu đáng kinh ngạc: được cấu tạo gần như hoàn toàn bằng nước đá.

Nhưng đáng báo động nhất, các vành đai của sao Thổ hiện trong quá trình biến mất khá nhanh. Trên thực tế, có hai quá trình đang hoạt động khá mạnh khiến các vành đai của sao Thổ bốc hơi.

Mưa vành đai ion hóa: Hiện tượng này xảy ra khi tia cực tím từ Mặt trời chiếu vào các phân tử nước đá trong mưa và có thể được khuếch đại bất cứ khi nào các thiên thạch va chạm xảy ra, vì những va chạm đó tạo ra các đám mây plasma. Những phản ứng này kích thích các phân tử và nguyên tử bên trong các vành đai, tạo ra các ion. Tầng điện ly tích điện của sao Thổ tương tác với các ion đó, tăng tốc và chuyển hướng chúng về các vĩ độ cao xung quanh cả hai cực của sao Thổ. Điều này làm phát sinh cái mà chúng ta gọi là “mưa vành đai” và gây ra sự phân rã của các vành đai chính ở mọi khoảng cách tính từ sao Thổ.

Sự xâm nhập của bụi và băng vào xích đạo: Điều này được phát hiện bởi tàu Cassini, khi tàu thăm dò lao vào sao Thổ “tự vẫn”. Trong những giây phút liên lạc cuối đời, các thiết bị của Cassini đã phát hiện ra rằng các hạt ở vành đai trong đang tích cực rơi xuống đường xích đạo của hành tinh, bao gồm nước, khí mê tan, ni tơ, carbon dioxide, cũng như silicat và các hợp chất hữu cơ (chứa carbon).

Bằng cách kết hợp tốc độ quan sát được của hai quá trình làm cạn kiệt vành đai này, chúng ta có thể ước tính cả thời gian mất bao lâu để các vành đai còn lại phân rã, cũng như các vành đai này có thể được tạo ra cách đây bao lâu. Kết luận đáng báo động là những vành đai này có khả năng được tạo ra không quá ~100 triệu năm trước và sẽ gần như biến mất hoàn toàn trong vành đai ~100 triệu năm tới.

Mọi người thường thắc mắc tại sao các vành đai của sao Thổ không hợp lại thành một mặt trăng mới. Tương tự như vậy, và với một câu trả lời rất giống nhau, họ đã tự hỏi tại sao vành đai tiểu hành tinh cũng không hợp nhất thành hành tinh lớn duy nhất. Câu trả lời liên quan đến 3 yếu tố: tổng khối lượng của các vành đai mảnh vụn; ảnh hưởng hấp dẫn của các vật thể khác trên quỹ đạo; và sự ổn định (hoặc không ổn định) vốn có trong các hạt nhỏ cố gắng phát triển thành các vật thể lớn hơn.

Với khối lượng lớn hơn, một vật thể có lực hấp dẫn lớn có thể dễ dàng hình thành. Tuy nhiên, với khối lượng nhỏ hơn, việc hợp nhất thành một đối tượng sẽ khó khăn hơn. Mặc dù được phân bổ giữa hàng nghìn trên hàng nghìn thiên thể khổng lồ, vành đai tiểu hành tinh chỉ bằng khoảng 3% khối lượng mặt trăng của Trái đất và các vành đai chính của sao Thổ chỉ bằng 41% khối lượng của Mimas, mặt trăng lớn thứ 7 của sao Thổ.

Và cuối cùng, khi nhìn vào bên trong các vành đai của sao Thổ, ta tìm thấy một số lượng lớn các mặt trăng tạo thành các khoảng trống trên các vành đai, nhưng chúng không tồn tại được lâu trước khi bị xé toạc bởi lực thủy triều của sao Thổ cộng với các thiên thể xung quanh, hoặc trước khi chúng bị một hạt chuyển động tương đối nhanh có khả năng thổi bay những vệ tinh này thành mảnh vụn, “bón” cho vành đai chính.