Lý thuyết mới về tái tạo sự hình thành các vệ tinh Galileo trên Sao Mộc.

Nghiên cứu về các hành tinh ngoài hành tinh đã tạo nên một cuộc cách mạng trong hiểu biết của chúng ta về cách các hành tinh được sinh ra và phát triển. Và bây giờ, một lý thuyết mới áp dụng những hiểu biết sâu sắc đó gần với chúng ta hơn. Vậy, lý thuyết mới đó là gì? Nó có thực sự quan trọng không trong việc tại tạo lại sự hình thành vệ tinh Galileo trên Sao Mộc hay không ? Hãy cùng với Tinh Vân Optics khám phá và tìm ra câu trả lời nhé.

Sử dụng những hiểu biết thu thập được từ việc nghiên cứu các hành tinh phía ngoài hành tinh, các nhà thiên văn học đã phát triển một lý thuyết mới giải thích sự hình thành của tất cả các mặt trăng và vệ tinh Galileo trên Sao Mộc của Sao Mộc. Nhóm nghiên cứu, do Konstantin Batygin của Caltech dẫn đầu, sau đó đã tiếp tục sử dụng lý thuyết này để tạo ra các mô phỏng máy tính mô phỏng sự hình thành của các Mặt Trăng. Kết quả đầy hứa hẹn – ít nhất phải nói rằng.
Như Batygin nói với Astronomy, các mô phỏng bao gồm một lần chạy gần với thực tế đến mức anh ta “phải thực hiện hai lần”. Nó thật chói tai, anh ấy nói, “Tôi đã chạy để lấy lại bình tĩnh. Quay lại. Và đã nhìn lại nó một lần nữa ”.

Các nhà nghiên cứu kể một câu chuyện về cách các mặt trăng jovian tự xây dựng – từng cái một – từ những hạt bụi băng giá nhỏ còn sót lại từ quá trình hình thành ban đầu của hệ mặt trời . Khi đủ lớn, mỗi mặt trăng sau đó sẽ di chuyển vào trong, cuối cùng định cư vào một quỹ đạo giống như kim đồng hồ.

Sự cần thiết của một lý thuyết mới

Những nỗ lực trước đây nhằm tìm hiểu nguồn gốc của các hành tinh và Mặt Trăng đã được điều chỉnh để giải thích hệ mặt trời của chúng ta. Nhưng những lý thuyết đó không hiệu quả khi chúng tôi cố gắng áp dụng chúng vào một loạt các hệ thống ngoại hành tinh được phát hiện trong vài chục năm qua.

Batygin nói: “Cuộc cách mạng phía ngoài hành tinh trong hai thập kỷ qua đã viết lại hoàn toàn câu chuyện về cách các hành tinh được hình thành. Anh ấy đã so sánh điều này với việc trở thành một võ sư karate, nhưng sau đó bạn nổi lên từ võ đường của bạn và tìm hiểu về nhiều môn võ khác và được luyện tập trên khắp thế giới.
Vì vậy, dựa trên dữ liệu ngoài hành tinh cập nhật nhất, Batygin nghĩ rằng có thể đã đến lúc viết lại hiểu biết của chúng ta về cách các mặt trăng được tạo thành.
Ông nói: “ Mô hình tốt nhất cho đến nay về sự hình thành vệ tinh là từ hai thập kỷ trước, và mọi thứ đã tiến bộ hơn kể từ đó. “Câu hỏi tại sao lại có Mặt Trăng băng giá mà chúng ta ít biết đến một cách ngượng ngùng.”

Tạo Mặt Trăng của sao Mộc

Để giúp làm sáng tỏ bí ẩn về Mặt Trăng, Batygin, cùng với Alessandro Morbidelli của Đài quan sát Côte d’Azur, đã đặt ra để giải thích cách hành tinh lớn nhất trong hệ mặt trời của chúng ta, Sao Mộc, có vệ tinh.

Lý thuyết mới của họ đã vẽ ra bức tranh về một Sao Mộc trẻ được bao quanh bởi một đĩa khí kéo dài, được gọi là đĩa hành tinh mạch. Khi vật chất lưu thông qua hệ mặt trời trong những năm đầu của nó, Batygin cho biết đĩa hành tinh mạch của Sao Mộc đóng vai trò như một “bẫy bụi” thu giữ những hạt vật chất băng giá cực nhỏ (rộng khoảng 0,4 inch, hay 10 mm).

Theo thời gian, lượng bụi băng trong đĩa tiếp tục phát triển, dẫn đến va chạm và hợp nhất giữa các hạt ngày càng nhiều. Cuối cùng, không biết bao nhiêu “satellitesimals” – cơ quan có khoảng 62 dặm (100 km) rộng – bắt đầu hình thức. Những thiên thể này sau đó tiếp tục kết tụ lại với nhau cho đến khi cuối cùng chúng phát triển thành phôi thai của Mặt Trăng tròn chính thức.

Khi vệ tinh đang phát triển đầu tiên này quay quanh đĩa bụi, nó sẽ để lại một hình xoắn ốc trên đường đi của nó. Sự đánh thức này, cũng như lực cản gia tăng từ khí còn lại trong đĩa, đều đặn kéo mặt trăng lại gần Sao Mộc. Cuối cùng, mặt trăng sơ sinh đã chạm tới rìa trong của đĩa, thoát ra khỏi vùng kiếm ăn và như bài báo mô tả, nó đã tạm dừng “chuyến di cư” vào trong.

Cuối cùng, quá trình này lặp lại, dẫn đến việc tạo ra bốn Mặt Trăng Galileo của Sao Mộc, hoạt động từ trong ra ngoài. Theo Batygin, các mặt trăng trong cùng của Sao Mộc – lần lượt là Io và Europa – hình thành chỉ trong khoảng 6.000 năm. Ganymede, gần nhất tiếp theo, mất khoảng 30.000 năm.

Tuy nhiên, theo lý thuyết, vào thời điểm băng giá Callisto bắt đầu kết tụ lại, Mặt Trời tăng cường đã làm bốc hơi phần lớn khí ban đầu trong đĩa của Sao Mộc. Vì vậy, mặc dù Callisto đạt khoảng một nửa khối lượng cuối cùng của nó chỉ trong 50.000 năm, nhưng phải mất gần 9 triệu năm để tích lũy phần còn lại.

Giống nhau nhưng khác

Trong khi các yếu tố của lý thuyết này đã được đề xuất trước đây, Batygin nói rằng phiên bản của họ bao gồm một hiểu biết mới về cách thức hoạt động của bẫy bụi. Họ khẳng định rằng điều này giải quyết được khó khăn lâu dài trong việc tính toán tất cả, không chỉ một số, vấn đề cần thiết để hình thành các Mặt Trăng Galileo mà chúng ta thấy ngày nay.

Lý thuyết cũng giải thích cách quỹ đạo của Io, Europa và Ganymede phát triển cộng hưởng quỹ đạo ấn tượng của chúng, điều này đã khiến các nhà khoa học mê mẩn trong nhiều thế kỷ. Đối với mỗi quỹ đạo bên ngoài Ganymede thực hiện, Europa tạo ra hai quỹ đạo và Io trong cùng thực hiện bốn – quay trở lại thiết lập ban đầu của chúng cứ sau 172 giờ. Theo Batygin, lý thuyết mới của họ giải thích mối quan hệ này có thể phát triển một cách ổn định như thế nào: đầu tiên Europa kết hợp với Io, sau đó Ganymede sau đó đồng bộ với Europa.

Mặc dù nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu lý thuyết này từ năm 2018, nhưng phải đến năm ngoái, các quan sát mới xác nhận tính logic và tính toán của họ.
Vào năm 2019, các nhà thiên văn quan sát hệ thống PDS 70, nằm cách xa khoảng 370 năm ánh sáng, đã tìm thấy ví dụ đầu tiên về một đĩa hình thành Mặt Trăng quay quanh một hành tinh ngoài hành tinh. Và, như Batygin nói, “Nó bẩn hơn nhiều so với những gì bất kỳ ai có thể đoán được.” Lý thuyết được củng cố thêm bởi các quan sát bổ sung vào năm 2019 cho thấy các dấu hiệu của khí lưu thông qua hệ thống HD 163296, giống như dự đoán của mô hình mới. Tìm kiếm hành tinh ngoài không chỉ là tìm ET. Một động lực lớn khác là việc tìm hiểu về các thế giới xa xôi có thể tiết lộ rất nhiều điều về hệ mặt trời của chúng ta, cũng như bản thân Trái Đất.

Ví dụ, Miki Nakajima, một trợ lý giáo sư tại Đại học Rochester, nói với Astronomy rằng cô ấy tin rằng những hiểu biết sâu sắc từ các hành tinh ngoài hành tinh cũng truyền cảm hứng cho dự đoán nổi tiếng của Batygin về Hành tinh Chín, một siêu Trái Đất giả định ẩn náu trong hệ Mặt Trời bên ngoài.

Bà nói: “Việc quan sát các hệ ngoại hành tinh đã cung cấp cho chúng tôi các cửa sổ để quan sát các sự kiện có thể đã xảy ra trong hệ Mặt Trời trong quá khứ, và lưu ý rằng điều này thúc đẩy các nhà khoa học khám phá các cơ chế hình thành mới. “Một trong những phần mới của tác phẩm này là cung cấp một lịch sử hoàn chỉnh về các Mặt Trăng,” Nakajima nói. Cô ấy không nghĩ có thể thử nghiệm những ý tưởng này nếu không có các mô phỏng số hiện có.

Jonathan Lunine, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Cornell, người đã đưa ra một trong những mô hình có ảnh hưởng trước đó về cách các Mặt Trăng và vệ tinh Galileo trên Sao Mộc có thể hình thành, nói với Astronomy rằng anh ấy muốn biết thêm về sự hình thành của Ganymede và Callisto. Mặc dù hai mặt trăng này có kích thước tương tự nhau, nhưng chúng có lịch sử địa chất khác nhau. Lunine cho biết các sứ mệnh tới mặt trăng trong tương lai có thể thực hiện các phép đo chi tiết hơn về trường hấp dẫn của chúng, tiết lộ thêm về nội thất của chúng và cung cấp hiểu biết sâu sắc về sự khác biệt giữa hai Mặt Trăng.

Mở rộng mô hình Trăng non

Mặc dù nghiên cứu mới tập trung đặc biệt vào việc viết ra lịch sử của các Mặt Trăng băng giá và các vệ tinh Galileo trên Sao Mộc của Sao Mộc, Batygin tin rằng các khái niệm của nó cũng có thể áp dụng cho Sao Thổ, cũng như các hành tinh khí khổng lồ xa xôi. Nakajima, đối với một người, nói rằng cô ấy rất thích xem các mô phỏng tái tạo sự hình thành của các mặt trăng của Sao Thổ. Và trong khi phát triển hơn nữa sự hiểu biết của chúng ta về nguồn gốc của các Mặt Trăng băng giá trong hệ Mặt Trời có thể dẫn đến nhiều hướng thú vị, Batygin nói rằng nó đặc biệt hấp dẫn do tiềm năng của chúng – tuy không chắc – lưu trữ sự sống ngoài Trái Đất.