Một nghiên cứu mới dựa trên dữ liệu từ tàu thăm dò Cassini-Huygens cho thấy cấu trúc và hoạt động của từ quyển, lớp từ trường bảo vệ xung quanh Sao Thổ, khá khác so với những gì các nhà khoa học mong đợi dựa trên kinh nghiệm trên Trái đất. Nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng phát hiện này cho thấy các hành tinh khổng lồ quay nhanh như Sao Thổ tuân theo một bộ "quy tắc" khác với Trái đất khi nói đến cách hình thành và vận hành của từ quyển.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí "Nature Communications". Nhóm tác giả bao gồm Tiến sĩ Licia Ray và Tiến sĩ Sarah Badman của Đại học Lancaster ở Vương quốc Anh, cũng như Tiến sĩ Chris Arridge, người đã từng làm việc tại trường. Họ đã sử dụng dữ liệu do Cassini thu được khi nó quay quanh Sao Thổ từ năm 2004 đến năm 2010, tập trung vào phân tích vị trí không gian và các mô hình thay đổi của cái gọi là "đỉnh từ quyển" trong từ quyển của Sao Thổ.

Sứ mệnh "Cassini-Huygens" do NASA, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu và Cơ quan Vũ trụ Ý phối hợp thực hiện. Nó quay quanh Sao Thổ từ năm 2004 đến năm 2017, khám phá một cách có hệ thống phần thân, các vành đai, nhiều vệ tinh và môi trường không gian xung quanh nó. Trong quá trình tích lũy dữ liệu lâu dài này, các nhà nghiên cứu đã khóa vị trí thống kê của đỉnh từ quyển Sao Thổ và so sánh nó với các quan sát tương tự từ Trái đất. Từ quyển là khu vực mà từ trường của hành tinh chống lại “gió mặt trời” của các hạt tích điện từ mặt trời. Nó hoạt động như một “lá chắn” vô hình làm chệch hướng và chặn các hạt năng lượng cao trên quy mô lớn; nhưng ở gần các cực, từ quyển sẽ có một lỗ mở dạng phễu - đầu từ quyển - qua đó các hạt gió mặt trời có thể tiếp cận bầu khí quyển phía trên dọc theo các đường từ trường.

Kết quả cho thấy vị trí của đầu từ quyển của Sao Thổ khác biệt đáng kể so với của Trái đất. Trên Trái đất, do tốc độ quay chậm và sự cân bằng tương đối đơn giản giữa từ trường và áp suất gió mặt trời, mũi từ quyển thường nằm gần hướng “trưa địa phương”, tức là phía hành tinh hướng về phía mặt trời. Đối với Sao Thổ, tình hình lại hoàn toàn khác: hiệu ứng quay mạnh dường như “kéo” đầu từ quyển từ “hướng trưa” sang hướng tối. Thống kê cho thấy đỉnh từ quyển của Sao Thổ nằm trung bình trong khoảng thời gian từ 13:00 đến 15:00 giờ địa phương và có thể dịch chuyển xa đến 20:00, rõ ràng là bị lệch theo "hướng chạng vạng". Nhóm nghiên cứu

đã chỉ ra rằng "độ lệch phía chạng vạng" này có nghĩa là bản thân tốc độ quay của hành tinh này đủ để định hình lại môi trường không gian xung quanh nó ở một mức độ lớn, thậm chí vượt quá khả năng kiểm soát của gió mặt trời. Sao Thổ mất khoảng 10,7 giờ để quay một vòng, nhanh hơn nhiều so với 24 giờ của Trái đất và từ quyển của nó cũng chứa một lượng lớn vật chất bị ion hóa từ vệ tinh “Enceladus”. Những yếu tố này cùng nhau tăng cường hiệu ứng “kéo” quay của từ trường và plasma. Theo cơ chế như vậy, từ trường của Sao Thổ và vật chất tích điện quay nhanh bên trong nó sẽ tạo thành một góc phức tạp hơn với gió mặt trời, khiến cấu trúc tổng thể của từ trường dịch chuyển một cách có hệ thống về phía hoàng hôn.

Kết quả mới này không chỉ làm mới sự hiểu biết của mọi người về cấu trúc hình học của từ quyển của hành tinh khổng lồ mà còn đưa ra các yêu cầu sửa đổi để hiểu biết về nhiều quá trình vật lý quan trọng. Những thay đổi về vị trí của đầu từ quyển sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích và hiệu quả kết nối lại từ trường. Hiện tượng bùng nổ “phá vỡ và kết nối lại” các đường sức từ này có thể chuyển năng lượng từ trường thành động năng của các hạt tích điện trong thời gian rất ngắn, gia tốc chúng lên hàng nghìn electron volt hoặc thậm chí là những năng lượng cao hơn. Đồng thời, sự hình thành và phân bố độ sáng của cực quang trên Sao Thổ cũng liên quan chặt chẽ đến vị trí kết nối lại từ tính, năng lượng của các hạt tới và cấu trúc hình học của từ quyển. Phần đầu của từ quyển thiên về phía hoàng hôn, điều đó có nghĩa là "lối vào năng lượng" và hình dạng của cực quang có thể cần phải được giải thích lại.

"Kết quả này cho phép chúng tôi xây dựng một lý thuyết mới hoàn chỉnh hơn về cách từ quyển hành tinh tương tác với gió mặt trời." Licia Ray của Đại học Lancaster cho biết cô đặc biệt nhấn mạnh tầm quan trọng của vị trí đầu từ quyển ở phía hoàng hôn để hiểu được cực quang sáng của Sao Thổ và dự đoán khu vực xảy ra sự kết nối lại từ trường. Bà chỉ ra rằng thậm chí 8 năm sau khi kết thúc sứ mệnh Cassini, những dữ liệu này vẫn chứa đựng giá trị khoa học phong phú và cần được tiếp tục khám phá.

Ở cấp độ vĩ mô hơn, nghiên cứu này củng cố niềm tin của cộng đồng khoa học đối với phỏng đoán lâu đời rằng "các hành tinh khổng lồ quay nhanh là một vấn đề khác". Đối với các hành tinh đất đá như Trái đất quay chậm, hình dạng của từ trường chủ yếu được xác định bởi sự cân bằng giữa áp suất gió mặt trời bên ngoài và cường độ từ trường bên trong. Tuy nhiên, đối với các hành tinh khí khổng lồ như Sao Thổ, tốc độ quay cao và nguồn plasma bên trong sẽ chi phối cấu trúc từ quyển ở mức độ lớn, gây khó khăn cho việc áp dụng trực tiếp các mô hình thực nghiệm truyền thống trên Trái đất. Nhóm nghiên cứu

tuyên bố rằng việc lập bản đồ và phân tích cơ chế chính xác của đầu từ quyển của Sao Thổ sẽ cung cấp tài liệu tham khảo quan trọng cho việc phát hiện các hành tinh khổng lồ khác như Sao Mộc, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương trong tương lai, đồng thời cũng sẽ giúp giải thích hành vi từ trường của các hành tinh quay nhanh với từ trường mạnh trong các ngoại hành tinh như "Sao Mộc nóng". Với các sứ mệnh khám phá không gian sâu hơn, các nhà khoa học dự kiến ​​​​sẽ thử nghiệm bức tranh này về "từ quyển do chuyển động quay" trên một mẫu hành tinh rộng hơn, cải thiện hơn nữa sự hiểu biết tổng thể của chúng ta về sự tương tác giữa từ trường hành tinh và thời tiết không gian.