Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Northumbria ở Anh đã sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) tiên tiến nhất để đưa ra câu trả lời chính cho một vấn đề khiến cộng đồng khoa học hành tinh bối rối trong nhiều thập kỷ: Tại sao tốc độ quay của Sao Thổ lại có vẻ "thay đổi" tùy thuộc vào các phương pháp đo khác nhau?

Nghiên cứu mới nhất được công bố trên "Tạp chí Nghiên cứu Địa vật lý: Vật lý Không gian" lần đầu tiên đã lập bản đồ hình ảnh chi tiết về nhiệt độ và sự phân bố hạt tích điện trong vùng cực quang của Sao Thổ, cho thấy hiện tượng này bắt nguồn từ một hệ thống phản hồi tự duy trì liên tục do Sao Thổ điều khiển. cực quang, do đó tạo ra ảo giác về "sự thay đổi tốc độ quay" trong dữ liệu quan sát.

Hành vi bất thường của Sao Thổ đã khiến các nhà thiên văn học bối rối trong nhiều thập kỷ. Dữ liệu thu được từ các máy dò được đại diện bởi tàu vũ trụ Cassini vào khoảng năm 2004 đã chỉ ra rằng chu kỳ quay của Sao Thổ dường như thay đổi theo thời gian. Kết quả này mâu thuẫn với hiểu biết vật lý truyền thống - chuyển động quay tổng thể của hành tinh sẽ duy trì ổn định trong thời gian dài. Vào năm 2021, một nghiên cứu do Tom Stallard, giáo sư thiên văn học hành tinh tại Đại học Northumbria, đã đưa ra một manh mối quan trọng: Điều thực sự thay đổi không phải là tốc độ quay của chính hành tinh mà là trường gió tốc độ cao ở tầng khí quyển phía trên. Những cơn gió này tạo ra dòng điện ở tầng trên của khí quyển, từ đó ảnh hưởng đến các tín hiệu cực quang, khiến cho “phép đo góc quay” dựa trên sóng điện từ cực quang dường như đang thay đổi.

Tuy nhiên, bản thân lời giải thích này lại đặt ra những câu hỏi mới: Nếu những cơn gió ở độ cao thúc đẩy dòng hải lưu, thì những cơn gió này được "bốc cháy" và duy trì như thế nào ngay từ đầu?

Các quan sát mới nhất của JWST cung cấp mảnh ghép còn thiếu. Nhóm của Stallard đã hợp tác với nhiều tổ chức ở Anh và Mỹ để sử dụng JWST để liên tục theo dõi vùng cực quang ở cực bắc của Sao Thổ - tương tự như cực quang trên Trái đất - bao trùm một "ngày Sao Thổ" hoàn chỉnh và thu được dữ liệu quan sát với độ phân giải không gian và thời gian chưa từng có. Các nhà nghiên cứu tập trung vào việc phân tích bức xạ hồng ngoại của một phân tử gọi là cation trihydrogen (H₃⁺) trong bầu khí quyển phía trên của Sao Thổ. Phân tử này là một "đầu dò" tự nhiên về sự thay đổi nhiệt độ và có thể được sử dụng để đảo ngược các điều kiện làm nóng khí quyển và phân bố mật độ hạt.

Các quan sát trên mặt đất và quỹ đạo trước đây có độ không đảm bảo đo nhiệt độ khoảng 50 độ C, gần tương đương với sự dao động nhiệt độ mà các nhà nghiên cứu đang cố gắng giải quyết và chỉ có thể tính trung bình trên một phạm vi lớn các vùng cực. Dữ liệu JWST cải thiện độ chính xác này lên khoảng một bậc độ lớn, cho phép các nhà khoa học lần đầu tiên giải quyết các cấu trúc sưởi ấm và làm mát cục bộ chi tiết ở vùng cực quang.

Kết quả quan sát rất phù hợp với mô hình số được thiết lập hơn mười năm trước, nhưng chỉ khi nguồn nhiệt chính được đặt chính xác ở khu vực mà cực quang chìm vào khí quyển, tức là khu vực mà các hạt tích điện "đập" vào bầu khí quyển phía trên dọc theo các đường sức từ. Điều này cho thấy cực quang của Sao Thổ không chỉ là một quang cảnh ngoạn mục mà còn là nguồn năng lượng cục bộ mạnh mẽ: các hạt cực quang lắng xuống và tích tụ năng lượng trong một phạm vi độ cao cụ thể, làm tăng nhiệt độ khí quyển cục bộ, do đó tạo ra các trường gió ở độ cao lớn. Những cơn gió này sẽ kích thích các dòng điện trong khu vực tiếp giáp giữa từ quyển của hành tinh và khí quyển. Các dòng điện lần lượt cung cấp năng lượng cho cực quang, giúp cực quang duy trì và tiếp tục làm nóng bầu khí quyển trong thời gian dài, tạo thành một chu trình khép kín “cực quang-nóng-gió-dòng-cực quang”.

Stallard đã so sánh một cách sinh động quá trình này với "một máy bơm nhiệt hành tinh": cực quang làm nóng bầu khí quyển, bầu khí quyển tạo ra gió, gió tạo ra dòng điện và dòng điện cung cấp lại cực quang, hệ thống tự cung cấp năng lượng và hoạt động lặp đi lặp lại. Chính hệ thống phản hồi hoạt động ổn định này đã khiến “tốc độ quay” được tính toán dựa trên tín hiệu điện từ cực quang trôi đi theo thời gian, khiến cho có vẻ như chuyển động quay của chính Sao Thổ đang dần thay đổi.

Ý nghĩa của nghiên cứu này không chỉ giới hạn ở việc giải thích bí ẩn về “sự quay có tốc độ thay đổi” của Sao Thổ. Kết quả cho thấy có sự liên kết chặt chẽ giữa bầu khí quyển của Sao Thổ và từ quyển của nó: Các quá trình khí quyển có thể đẩy dòng điện và năng lượng ra bên ngoài, làm thay đổi môi trường từ quyển, trong khi năng lượng và các hạt trong từ quyển có thể lắng lại, vận chuyển năng lượng trở lại khí quyển. Cơ chế trao đổi năng lượng và động lượng hai chiều này có thể là chìa khóa cho sự ổn định lâu dài của những tín hiệu bất thường như Sao Thổ. Nó cũng gợi ý rằng trên các hành tinh khác có từ trường và khí quyển mạnh (bao gồm các hành tinh khí khổng lồ và thậm chí cả các ngoại hành tinh), cũng có thể có các quá trình liên kết môi trường khí quyển-không gian vẫn chưa được hiểu đầy đủ.

Stolard cho biết kết quả này làm thay đổi cách chúng ta hiểu về bầu khí quyển hành tinh: Nếu trạng thái của bầu khí quyển hành tinh có thể đẩy dòng điện ra ngoài và do đó làm thay đổi môi trường không gian xung quanh, thì khi nghiên cứu bầu khí quyển phía trên và tầng bình lưu của các hành tinh khác và thậm chí cả các ngoại hành tinh, những tương tác bất ngờ cho đến nay có thể được phát hiện. Các kết quả liên quan đã được công bố trên "Tạp chí Nghiên cứu Địa vật lý: Vật lý Không gian" với tiêu đề "JWST/NIRSpec tiết lộ cơ chế điều khiển khí quyển của tốc độ quay từ quyển thay đổi của Sao Thổ". Nghiên cứu được tài trợ bởi Hội đồng Cơ sở Khoa học và Công nghệ Anh và các tổ chức khác.