Phát hiện khả năng tồn tại đại dương trên mặt trăng của sao Thiên Vương

Hàng trăm mặt trăng của Hệ Mặt trời giống như những mảnh ghép hình. Cùng nhau, chúng tạo nên bức tranh đa dạng trong Hệ Mặt trời của chúng ta. Một trong số đó là Miranda, một trong 28 mặt trăng quay quanh hành tinh băng khổng lồ là sao Thiên Vương. Miranda là mặt trăng lớn nhỏ nhất trong đó, có đường kính chỉ 471 km.

Miranda nổi bật so với các mặt trăng khác vì một lý do: bề mặt của nó có địa hình hỗn độn với đầy hố va chạm, vách đá gồ ghề và cả những vực sâu. Dù nhỏ nhưng Miranda lại có vách đá cao nhất trong Hệ Mặt trời, đó là vách đá cao 20 km có tên là Verona Rupes. Nhiều nhà nghiên cứu cho rằng bề mặt của nó bị biến dạng do nhiệt thủy triều từ các tương tác hấp dẫn với sao Thiên vương và một số mặt trăng khác lân cận.

Nghiên cứu mới trên Tạp chí Hành tinh được thực hiện để giải thích địa chất hỗn độn của Miranda. Bài báo có tựa đề "Độ dày hạn chế của vỏ băng và đại dương trên Miranda từ cấu trúc địa chất bề mặt và mô hình ứng suất". Tác giả chính là Caleb Strom, một sinh viên tốt nghiệp tại Đại học North Dakota.

Các nhà khoa học không có nhiều thông tin để tìm hiểu về Miranda. Tàu vũ trụ duy nhất chụp ảnh nó là Voyager 2 vào năm 1986. Ngay cả khi đó, chuyến bay ngang qua Miranda cũng rất ngắn và tàu vũ trụ chỉ chụp ảnh bán cầu nam của mặt trăng. Nhưng thế là đủ để tiết lộ các đặc điểm bề mặt địa chất kỳ lạ và phức tạp của mặt trăng. Các vành nhật hoa kỳ lạ trên bề mặt Miranda đã thu hút rất nhiều sự chú ý.

Khi những hình ảnh đầu tiên được nhận, các nhà khoa học đã rất bối rối trước sự phức tạp của Miranda. Một số người gọi nó là "hành tinh chắp vá" và có nhiều suy đoán táo bạo về thứ đã tạo ra nó. Những nỗ lực tìm hiểu về mặt trăng nhỏ nhất của sao Thiên vương vẫn còn hạn chế do lượng dữ liệu mà Voyager 2 cung cấp quá ít ỏi. Tuy nhiên, các nhà khoa học hiện đại có thể tiếp cận một công cụ mạnh mẽ hơn so với các nhà khoa học vào những năm 80: các chương trình mô phỏng máy tính ngày nay rất mạnh.

Strom và các đồng nghiệp đã sử dụng một mô hình máy tính để suy ngược từ bề mặt hiện tại của Miranda. Họ bắt đầu bằng cách lập bản đồ các đặc điểm bề mặt của Miranda, gồm các vết nứt, gờ và vành nhật hoa hình thang độc đáo, sau đó tiến hành truy ngược. Họ đã thử nghiệm các mô hình khác nhau từ bên trong mặt trăng để xem điều gì có thể gây ra bề mặt phức tạp này.

Kịch bản phù hợp nhất với bề mặt của Miranda hiện giờ là mặt trăng này có một đại dương bên dưới bề mặt của nó cách đây khoảng 100-500 triệu năm. Lớp vỏ băng có lẽ dày đến 30 km và đại dương có thể dày tới 100 km.

Các tác giả giải thích: "Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng lớp vỏ mỏng (30 km) rất có thể dẫn đến cường độ ứng suất đủ lớn để gây ra sự phá vỡ giòn của băng trên bề mặt Miranda. Kết quả của chúng tôi cũng cho thấy sự tồn tại hợp lý của một đại dương dày 100 km trên Miranda trong vòng 100–500 triệu năm qua".

Nhà khoa học hành tinh tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins (APL) ở Laurel (bang Maryland), Tom Nordheim và cũng là đồng tác giả của nghiên cứu nhận xét: “Việc tìm thấy bằng chứng về một đại dương bên trong một vật thể nhỏ như Miranda là điều vô cùng đáng ngạc nhiên. Điều này giúp ta tin vào câu chuyện rằng một số vệ tinh của sao Thiên Vương có thể thực sự thú vị. Rất có thể tồn tại một số nơi sở hữu đại dương xung quanh một trong những hành tinh xa nhất trong Hệ mặt trời của chúng ta. Điều này vừa thú vị, vừa kỳ lạ”.

Nhiệt thủy triều chịu trách nhiệm cho điều này và nó xuất phát từ tương tác hấp dẫn giữa Miranda và các vệ tinh khác của sao Thiên Vương. Các vệ tinh có chu kỳ khác nhau khi quay quanh sao Thiên vương. Khi chúng cộng hưởng quỹ đạo với nhau, thì những lực hấp dẫn đó được khuếch đại. Những lực này có thể làm biến dạng các vệ tinh theo chu kỳ và khi bị nhào nặn liên tục, vệ tinh sẽ nóng lên, giữ cho các đại dương bên dưới bề mặt ấm và lỏng.

Miranda và các vệ tinh khác của sao Thiên Vương có thể đã từng cộng hưởng trong quá khứ. Điều này có thể dẫn đến việc tạo ra các vết nứt bề mặt và địa hình liên quan.

Tuy nhiên, cộng hưởng không kéo dài mãi mãi và các nhà nghiên cứu cho rằng cách đây một thời gian, Miranda đã rời khỏi cộng hưởng quỹ đạo và bên trong của nó bắt đầu nguội đi. Họ không nghĩ rằng nó đã nguội hẳn vì nếu đại dương đã đóng băng hoàn toàn, nó sẽ hiển thị các vết nứt sâu trên bề mặt. Vì vậy, đại dương bên trong có thể vẫn tồn tại nhưng có lẽ mỏng hơn nhiều so với trước đây. Strom cho biết: "Nhưng gợi ý về một đại dương bên trong một trong những vệ tinh xa nhất trong hệ mặt trời là điều đáng chú ý".

Trước đó, không ai dự đoán rằng Miranda sẽ có một đại dương. Theo như các nhà khoa học từng đánh giá, đó là một quả cầu đông lạnh. Nhưng các nhà khoa học trước đây cũng đã sai khi đánh giá các mặt trăng khác.

Các nhà nghiên cứu từng nghĩ rằng mặt trăng Enceladus của sao Thổ chỉ là một quả cầu băng vì bề mặt của nó nhẵn và rõ ràng là đông cứng. Tuy nhiên, tàu vũ trụ Cassini đã cho chúng ta thấy rằng nó có thể không hoàn toàn đông lạnh. Có rất nhiều bằng chứng cho thấy Enceladus có một đại dương ấm bên dưới lớp băng.

Đồng tác giả Alex Patthoff nhắc lại: “Ít nhà khoa học nào dám nghĩ Enceladus có hoạt động địa chất. Tuy nhiên, nó đang phun hơi nước và băng ra khỏi bán cầu nam trong khi chúng ta đang ngồi đây nói chuyện”.

Vì cả Enceladus và Miranda đều có kích thước gần bằng nhau và có thể có lớp vỏ băng tương tự, nên khả năng Miranda cũng có đại dương càng cao. Các vệ tinh khác, như Europa của sao Mộc, cũng có thể là vệ tinh đại dương băng giá. Hiện nay, các nhà khoa học cho rằng những vệ tinh này và đại dương ấm của chúng là mục tiêu tốt nhất trong quá trình tìm kiếm sự sống trong Hệ Mặt trời của chúng ta.

Một nghiên cứu gần đây khác cho thấy Miranda có thể giống Enceladus hơn chúng ta nghĩ. Một nghiên cứu năm 2023 cho thấy vệ tinh này có thể giải phóng vật chất vào không gian giống như Enceladus. ESA và NASA đều đang gửi tàu thăm dò đến sao Mộc để nghiên cứu Europa và các vệ tinh có tiềm năng tồn tại đại dương khác. Câu hỏi đặt ra là chúng ta có nên mở rộng tìm kiếm đó sang tới sao Thiên Vương xa xôi và vệ tinh nhỏ Miranda của nó không?

Đồng tác giả nghiên cứu Nordheim cho biết “Chúng ta sẽ không biết chắc chắn rằng nó có đại dương hay không cho đến khi chúng ta quay lại đó và thu thập thêm dữ liệu. Chúng tôi đang khai thác chút thông tin khoa học cuối cùng có thể từ những hình ảnh của Voyager 2. Hiện tại, chúng tôi rất hào hứng với những khả năng mới phát hiện và mong muốn quay lại để nghiên cứu sâu hơn về sao Thiên Vương và các vệ tinh của nó mà có tiềm năng tồn tại đại dương.

Hiện tại, tất cả những gì chúng ta có là dữ liệu Voyager 2 từ nhiều chục năm trước. Tuy nhiên, dữ liệu và các mô hình máy tính mà nhóm nghiên cứu sử dụng đã làm sáng tỏ thêm về Miranda.

Các tác giả giải thích: “Chúng tôi diễn giải kết quả mô hình ứng suất thủy triều để chỉ ra rằng tại một thời điểm nào đó trong quá khứ địa chất của Miranda, nó đã trải qua một sự kiện gia nhiệt dữ dội dẫn đến lớp vỏ mỏng (30 km). Lớp vỏ mỏng như vậy cũng sẽ tạo ra một đại dương dày 100 km để giải thích cho phần nóng chảy của thủy quyển. Lớp vỏ băng mỏng và đại dương dày này có thể tạo ra ứng suất thủy triều dữ dội dẫn đến biến dạng địa chất đáng kể dưới dạng biến dạng giòn ở bề mặt của Miranda”.

Họ kết luận: “Tóm lại, kết quả của chúng tôi cho thấy Miranda có thể đã có một đại dương ngầm trong quá khứ địa chất gần đây từ một xung nhiệt dữ dội, phù hợp với kết quả mô hình động lực học của các nghiên cứu trước đây”.