Mô hình máy tính mới về Mặt trăng Titan

Titan, mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ, là một thế giới xa lạ và hấp dẫn bao phủ trong bầu khí quyển dày đặc khí mêtan. Với nhiệt độ bề mặt trung bình là -185ºC và đường kính nhỏ hơn phân nửa Trái đất, Mặt trăng Titan khoe những đám mây và sương mêtan cùng những trận mưa bão và nhiều hồ mêtan lỏng. Ngoài trái đất, mặt trăng này là nơi duy nhất trong Thái dương hệ chứa khối lượng lớn chất lỏng trên bề mặt.

>>> Chế tạo máy bay thám hiểm mặt trăng của sao Thổ

Nguồn gốc những đặc trưng này vẫn là câu hỏi lớn cho các nhà khoa học. Giờ đây các nhà nghiên cứu tại Viện công nghệ California (Caltech) đã phát triển một mô hình trên máy tính về khí quyển mặt trăng Titan và chu trình của mêtan, từ đó nhiều hiện tượng lần đầu tiên đã được giải thích một cách khá chặt chẽ và đơn giản.

Đặc biệt, mô hình mới giải thích được ba vấn đề hóc búa khi quan sát mặt trăng Titan. Một trong những trường hợp kì lạ quan sát được vào năm 2009, là khi các nhà nghiên cứu nhận thấy các hồ mêtan có xu hướng tập trung lại ở hai cực, và họ để ý thấy chúng có mặt ở bán cầu bắc nhiều hơn bán cầu nam.

Hiện tượng thứ hai là các vùng vĩ độ thấp gần xích đạo của mặt trăng Titan được cho là khô ráo, ít hồ và không có mưa đều đặn. Nhưng khi tàu thăm dò Huygens đáp xuống Titan năm 2005, nó cho thấy những dòng kênh tạo bởi mêtan lỏng, khả năng do mưa tạo nên. Vào năm 2009, các nhà nghiên cứu Viện Caltech đã phát hiện những cơn bão dữ dội, chúng có thể đã mang mưa đến khu vực được xem là khô ráo này.

Cuối cùng, các nhà khoa học đã giải mã được bí ẩn thứ ba khi họ lưu ý những đám mây quan sát được suốt thập niên vừa rồi – trong mùa hè ở bán cầu nam của Titan – chụm lại xung quanh vùng trung nam ở vĩ độ cao. Các nhà khoa học khi đó đã nêu ra nhiều ý tưởng lý giải những đặc điểm này, nhưng hoặc mô hình của họ chưa thể giải thích trọn vẹn các hình ảnh, hoặc họ dựa vào các chu trình kì lạ như núi lửa siêu hàn phun thải khí mêtan để hình thành mây. Ngược lại, các nhà nghiên cứu Viện Caltech cho biết mô hình máy tính mới giải thích được mọi quan sát với nguyên lý cơ bản và tương đối dễ hiểu về sự tuần hoàn khí quyển.

“Chúng tôi có sự lý giải thống nhất cho mọi đặc điểm quan sát được mà không cần tới các núi lửa siêu hàn hay bất cứ điều gì bí hiểm". Nhà nghiên cứu Viện Caltech Tapio Schneider nói.

Schneider cho biết những mô phỏng của nhóm nghiên cứu tái hiện được sự phân bố những đám mây đã quan sát thấy, điều mà các mô hình trước đây không làm được. Mô hình mới cũng đã giúp tạo sự phân bố chính xác các hồ. Ông nói mêtan có xu hướng tập trung tại các hồ xung quanh vùng cực vì ở đó ánh sáng mặt trời yếu hơn mức bình quân. Năng lượng ánh sáng Mặt trời thường làm mêtan lỏng trên bề mặt bốc hơi, mà ánh sáng Mặt trời ở vùng cực nhìn chung yếu hơn nên mêtan dễ hóa lỏng và tích tụ thành các hồ.

Vậy thì vì sao ở bán cầu bắc có nhiều hồ hơn? Schneider chỉ ra quỹ đạo thon dài của Sao Thổ cũng có nghĩa là mặt trăng Titan xa mặt trời hơn vào mùa hè ở bắc bán cầu. Định luật 2 của Kepler nói rằng khi quỹ đạo hành tinh ra xa Mặt trời hơn thì tốc độ của nó cũng chậm lại, nghĩa là mặt trăng Titan di chuyển chậm hơn khi ở rìa xa của quỹ đạo êlíp vào mùa hè của vùng phía bắc. Và như thế, mùa hè phía bắc dài hơn phía nam. Cũng vì mùa hè là mùa mưa ở hai vùng cực Titan, nên mùa mưa dài hơn ở phía bắc.

Cho dù những trận mưa mùa hè ở nam bán cầu mạnh hơn – do tác động mạnh hơn của ánh sáng mặt trời khi Titan gần Mặt trời hơn trong mùa hè của phía nam – nhưng mưa vẫn nhiều hơn trong suốt cả năm ở bắc bán cầu và tạo nên nhiều hồ hơn.

Nhìn chung, tuy thời tiết của Titan khá ôn hòa, các nhà nghiên cứu cho biết rằng các vùng gần xích đạo lại đặc biệt u ám. Có thể nhiều năm không có một giọt mưa làm cho những vùng vĩ độ thấp này trở nên khô cằn. Bất ngờ xảy đến sau đó, khi tàu thăm dò Huygens phát hiện bằng chứng về những dòng chảy do mưa ở địa hình này. Sự ngạc nhiên được nhân lên vào năm 2009 khi Schaller, Brown, Schneider và Henry Roe phát hiện những cơn bão cũng trong vùng được cho là không có mưa này.

Chưa ai thực sự hiểu được những cơn bão đã hình thành như thế nào, và những mô hình trước đây chưa tạo ra gì hơn ngoài những trận mưa phùn. Mô hình mới đã tái tạo được những trận mưa dữ dội trút xuống, trong giai đoạn Xuân phân và Thu phân của Titan, một lượng mêtan lỏng đủ để lấp đầy kiểu dòng kênh mà tàu Huygens phát hiện. Với mô hình mới này, các nhà khoa học bây giờ có thể lý giải về các cơn bão. “Mưa rất hiếm hoi ở những vùng vĩ độ thấp. Nhưng một khi đã mưa thì nó sẽ trút xuống dữ dội". Schneider nói.

Khác với những mô hình trước đây, mô hình mới này là mô hình 3-D và có thể mô phỏng khí quyển mặt trăng Titan trong 135 năm của nó – tương đương 3000 năm của Trái đất – và để đạt được một trạng thái ổn định. Mô hình này cũng liên tưởng bầu khí quyển với một hồ chứa mêtan trên bề mặt, mô phỏng cách mêtan lưu chuyển trên khắp mặt trăng.

Mô hình đã thành công khi tái hiện được những gì mà các nhà khoa học quan sát thấy, nhưng có lẽ thú vị nhất như Schneider từng nói, là nó có thể dự báo những gì các nhà khoa học sẽ nhìn thấy trong vài năm tới. Thí dụ, dự trên mô phỏng, các nhà nghiên cứu dự báo do chuyển mùa nên mặt hồ vùng phía bắc sẽ dâng lên từ từ trong 15 năm tới. Họ cũng dự đoán các đám mây sẽ hình thành quanh cực bắc trong hai năm nữa. Schneider nói: “Đưa ra được những dự đoán có thể kiểm chứng là cơ hội hiếm hoi và đẹp đẽ trong ngành khoa học vũ trụ. Vài năm nữa thôi, chúng ta sẽ biết được chúng đúng hay sai".

“Đây chỉ là khởi đầu", ông nói thêm. “Bây giờ chúng ta đã có một công cụ để nghiên cứu khoa học mới, chúng ta sẽ làm và còn làm được rất nhiều”.