Tuổi thơ dữ dội tạo nên 'trái tim băng giá' của sao Diêm Vương

Đó là kết quả công trình nghiên cứu của một nhóm do các nhà vật lý thiên văn quốc tế Đại học Bern và các thành viên của Trung tâm Năng lực Nghiên cứu Quốc gia (NCCR) PlanetS khởi xướng. Nhóm nghiên cứu là những người đầu tiên tái tạo thành công khởi nguồn hình dạng bất thường bằng mô phỏng số.

Kể từ khi camera của tàu vũ trụ New Horizons của NASA phát hiện ra cấu trúc hình trái tim lớn trên bề mặt hành tinh lùn Pluto vào năm 2015, “trái tim” này đã khiến các nhà khoa học bối rối vì hình dạng, thành phần địa chất và độ cao độc đáo của nó. Các nhà khoa học từ Đại học Bern ở Thụy Sĩ và Đại học Arizona đã sử dụng mô phỏng số để điều tra nguồn gốc của Sputnik Planitia, phần hình giọt nước phía tây của “trái tim” trên sao Diêm Vương.

Theo nghiên cứu của họ, lịch sử ban đầu của sao Diêm Vương được đánh dấu bằng một sự kiện thảm khốc hình thành nên thung lũng Sputnik Planitia. Đó một vụ va chạm giữa sao Diêm Vương với một vật thể cỡ tiểu hành tinh có đường kính khoảng 650 km, gần bằng kích thước chiều dọc bang Arizona. Phát hiện của nhóm, được công bố trên tạp chí Nature Astronomy, cũng cho thấy cấu trúc bên trong của sao Diêm Vương khác với những gì được giả định trước đây, bác bỏ ý tưởng hành tinh lùn này có đại dương dưới bề mặt.

Adeene Denton, một nhà khoa học hành tinh tại Phòng thí nghiệm Mặt trăng và Hành tinh UArizona, đồng tác giả của báo cáo, cho biết: “Sự hình thành của Sputnik Planitia cung cấp một lối vào quan trọng để khám phá thời kỳ sớm nhất trong lịch sử của sao Diêm Vương. Bằng cách mở rộng nghiên cứu khi tính đến các kịch bản hình thành bất thường hơn, các nhà khoa học đã nắm được một số khả năng hoàn toàn mới về quá trình tiến hóa của sao Diêm Vương, có thể áp dụng cho các vật thể khác trong Vành đai Kuiper”.

Một trái tim bị chia cắt

“Trái tim” hay tên chính thức là Tombaugh Regio, đã thu hút sự chú ý của công chúng ngay khi được phát hiện. Trái tim đồng thời cũng ngay lập tức thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học vì nó được bao phủ bởi một loại vật liệu có suất phản chiếu cao, phản chiếu ánh sáng nhiều hơn môi trường xung quanh, tạo ra màu trắng hơn. Tuy nhiên, trái tim không được cấu thành một cách đồng nhất. Chẳng hạn, riêng thung lũng Sputnik Planitia có diện tích khoảng 2.000 x 1.250 km, tương đương 1/4 diện tích Châu Âu hoặc nước Mỹ, có độ cao thấp hơn hầu hết bề mặt của Sao Diêm Vương khoảng 4 km.

Tác giả chính của nghiên cứu, Harry Ballantyne, một cộng tác viên nghiên cứu tại Bern cho biết: “Trong khi phần lớn bề mặt của sao Diêm Vương bị băng metan và các dẫn xuất của nó bao phủ lớp vỏ băng nước, thì Sputnik Planitia chủ yếu chứa đầy băng nitơ, rất có thể đã tích tụ nhanh chóng sau vụ va chạm do độ cao thấp hơn”. Phần phía đông của trái tim cũng được bao phủ bởi một lớp băng nitơ tương tự nhưng mỏng hơn nhiều, nguồn gốc của lớp băng này vẫn chưa được các nhà khoa học nắm rõ nhưng có lẽ có liên quan đến Sputnik Planitia ở phía tây trái tim.

Một vụ va chạm xiên thời sơ khai

Theo Martin Jutzi thuộc Đại học Bern, người khởi xướng nghiên cứu, hình dạng thon dài của Sputnik Planitia và vị trí của nó tại đường xích đạo sao Diêm vương cho thấy rõ ràng rằng vụ va chạm không phải là một cú đâm trực diện mà là một cú đâm xiên. Giống như một số nhóm nghiên cứu khác, nhóm tác giả ở Đại học Bern đã sử dụng phần mềm mô phỏng Thủy động lực học hạt mịn để tái tạo kỹ thuật số những tác động như vậy, thay đổi cả thành phần của sao Diêm Vương và vật va chạm của nó, cũng như vận tốc và góc va chạm. Những mô phỏng này đã xác nhận sự nghi ngờ của các nhà khoa học về độ xiên của góc va chạm và xác định thành phần của vật thể va chạm.

Ballantyne phân tích: “Lõi của sao Diêm Vương lạnh đến mức đá vẫn rất cứng và không tan chảy dù có sức nóng từ vụ va chạm, và nhờ vụ va chạm theo hướng xiên với vận tốc thấp nên lõi của vật thể va chạm không chìm vào lõi của sao Diêm Vương mà vẫn nguyên vẹn và để lại một vết xước trên bề mặt”. Lực va chạm vừa đủ và vận tốc tương đối thấp trong mô phỏng đã cho ra kết quả như hiện tại: Nếu va chạm yếu hơn sẽ làm bề mặt còn sót được mài mịn qua thời gian chứ không giống hình dạng giọt nước kỳ dị mà tàu thăm dò New Horizons của NASA quan sát được trong chuyến bay ngang qua sao Diêm Vương vào năm 2015 .

Giáo sư Phòng thí nghiệm Mặt trăng và Hành tinh và đồng tác giả nghiên cứu Erik Asphaug, người đã cộng tác với nhóm nghiên cứu của nó, cho biết: “Chúng ta thường coi các vụ va chạm giữa các hành tinh là những sự kiện cực kỳ khốc liệt nên chỉ tập trung vào những thứ như năng lượng, động lượng hay mật độ và thường dễ bỏ qua các chi tiết khác”. Các nhà khoa học Thụy Sĩ từ năm 2011 đã khám phá ý tưởng về các “mảnh ghép” hành tinh để giải thích, ví dụ, các đặc điểm ở mặt sau của Mặt trăng (vệ tinh của Trái đất). “Trong vùng xa hệ mặt trời, vận tốc (các thiên thể) chậm hơn rất nhiều so với ở gần mặt trời và băng rất rắn, vì vậy phải tính toán chính xác hơn nhiều”, Asphaug lưu ý.

Không có đại dương dưới bề mặt trên sao Diêm Vương

Nghiên cứu hiện tại cũng làm sáng tỏ cấu trúc bên trong của sao Diêm Vương. Trên thực tế, trong lịch sử sơ khai hình thành sao Diêm Vương, nhiều khả năng đã xảy ra sự kiện như các nhà khoa học tại Đại học Bern mô phỏng. Tuy nhiên, điều này đặt ra một vấn đề: Một thung lũng khổng lồ như Sputnik Planitia được cho là sẽ từ từ trôi về phía cực của hành tinh lùn theo thời gian do các định luật vật lý. Đáng lẽ vì khối lượng của Sputnik Planitia nhỏ hơn xung quanh nên bị kéo lùi về cực theo hiệu ứng lực ly tâm. Tuy nhiên, nó vẫn ở gần xích đạo. Lời giải thích lý thuyết trước đây giả định có một đại dương nước lỏng dưới bề mặt, tương tự như một số hành tinh khác ở vùng ngoài hệ mặt trời. Theo giả thuyết này, lớp vỏ băng giá của Sao Diêm Vương sẽ mỏng hơn ở vùng Sputnik Planitia, khiến đại dương phình lên và do nước ở dạng lỏng đặc hơn băng, gây ra chênh lệch khối lượng dẫn đến sự di chuyển về phía xích đạo.

Theo các tác giả, nghiên cứu mới đưa ra một góc nhìn khác, chỉ ra các mô phỏng trong đó toàn bộ lớp phủ nguyên thủy của sao Diêm Vương bị xới bật do va chạm và khi vật liệu lõi của vật va chạm đạp vào lõi của sao Diêm Vương. Kết quả là nó tạo ra sự dư thừa khối lượng cục bộ có thể giải thích việc Sputnik Planitia di chuyển về phía xích đạo mà không có đại dương dưới bề mặt, hoặc cùng lắm là một đại dương rất mỏng.

Denton hiện đã bắt tay vào một dự án nghiên cứu để ước tính tốc độ di chuyển này. Ông cho biết giả thuyết mới và sáng tạo về nguồn gốc hình trái tim của sao Diêm Vương có thể giúp hiểu rõ hơn về lịch sử ra đời của hành tinh lùn.