Một nghiên cứu về khí quyển đã hé lộ những phát hiện bất ngờ về hành tinh lớn nhất láng giềng của chúng ta cũng như cấu trúc sâu bên trong bầu khí quyển của nó.

Những đám mây khổng lồ vươn cao quét qua bề mặt Sao Mộc. Giống như mây trên Trái Đất, các đám mây này có chứa nước, nhưng trên hành tinh khí khổng lồ này, chúng dày đặc hơn rất nhiều, tạo thành các tầng mây dày đến mức chưa có tàu vũ trụ nào có thể trực tiếp đo đạc được những gì nằm bên dưới chúng.

Giờ đây, một nghiên cứu mới do các nhà khoa học tại Đại học Chicago và Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (Jet Propulsion Laboratory) dẫn đầu đã mang lại cái nhìn chưa từng có vào bên dưới các tầng mây đó. Bằng cách xây dựng mô hình khí quyển chi tiết nhất của Sao Mộc từ trước đến nay, nhóm nghiên cứu đã có thể thăm dò cấu trúc sâu của hành tinh theo những cách trước đây chưa từng thực hiện được.

Một kết quả then chốt của nghiên cứu giúp giải đáp một câu hỏi đã tồn tại từ lâu về thành phần của Sao Mộc. Nhóm ước tính rằng hành tinh này chứa lượng oxy nhiều hơn Mặt Trời khoảng một lần rưỡi. Phát hiện này cung cấp manh mối quan trọng cho các nhà khoa học trong việc tìm hiểu cách Sao Mộc — cũng như các hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời — được hình thành ban đầu.

“Đây là một cuộc tranh luận kéo dài trong nghiên cứu hành tinh,” Jeehyun Yang, nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Đại học Chicago và là tác giả chính của bài báo, cho biết. “Kết quả này cho thấy thế hệ mô hình tính toán mới nhất có thể làm thay đổi mạnh mẽ cách chúng ta hiểu về các hành tinh khác.”

Mây và hóa học

Các nhà thiên văn học đã biết đến bầu khí quyển đầy biến động của Sao Mộc ít nhất trong vòng 360 năm qua. Những quan sát bằng kính thiên văn từ thời kỳ đầu đã phát hiện một đặc điểm kỳ lạ và tồn tại bền bỉ trên “khuôn mặt” của hành tinh này: một cơn bão khổng lồ, về sau được gọi là Vết Đỏ Lớn.

Cơn bão này, có kích thước lớn gấp khoảng hai lần Trái Đất, đã hoành hành suốt nhiều thế kỷ và chỉ là một phần trong hệ thống gió dữ dội và các tầng mây cao đồ sộ bao trùm toàn bộ hành tinh. Toàn bộ bề mặt có thể quan sát được của Sao Mộc là một bức tranh luôn biến đổi của các cơn bão nối tiếp nhau.

Điều vẫn còn chưa rõ là những gì tồn tại bên dưới lớp vỏ khí quyển đang cuộn xoáy đó. Các tầng mây của Sao Mộc dày đặc đến mức tàu thăm dò Galileo của NASA đã mất liên lạc với Trái Đất khi lao sâu vào khí quyển của hành tinh này vào năm 2003. Hiện nay, sứ mệnh Juno của NASA nghiên cứu Sao Mộc từ quỹ đạo, thu thập dữ liệu trong khi vẫn giữ khoảng cách an toàn với những tầng sâu có áp suất khủng khiếp bên dưới.

Các phép đo từ quỹ đạo cho phép xác định thành phần của tầng khí quyển phía trên, bao gồm amoniac, metan, amoni hydro sunfua, nước và carbon monoxide, cùng nhiều chất khác. Các nhà khoa học đã kết hợp những dữ liệu này với hiểu biết về các phản ứng hóa học để xây dựng các mô hình về khí quyển sâu của Sao Mộc.

Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây vẫn còn bất đồng về một số điểm, chẳng hạn như lượng nước — và do đó là lượng oxy — mà Sao Mộc chứa đựng. Yang nhận thấy đây là cơ hội để áp dụng một thế hệ mô hình hóa hóa học mới nhằm giải quyết câu hỏi phức tạp này.

Hóa học của khí quyển Sao Mộc vô cùng phức tạp. Các phân tử di chuyển giữa những vùng có nhiệt độ cực cao ở sâu trong khí quyển và các tầng trên mát hơn, trải qua quá trình thay đổi trạng thái và tái sắp xếp thành các phân tử khác nhau thông qua hàng nghìn loại phản ứng hóa học khác nhau. Tuy nhiên, hành vi của các tầng mây và các giọt chất lỏng cũng cần được tính đến.

Để mô tả đầy đủ các hiện tượng này, Yang đã cùng các cộng sự kết hợp cả hóa học và thủy động lực học vào trong một mô hình thống nhất — điều chưa từng được thực hiện trước đây.

“Cần phải có cả hai,” Yang cho biết. “Hóa học rất quan trọng, nhưng không bao gồm các giọt nước hay hành vi của mây. Thủy động lực học đơn thuần lại đơn giản hóa hóa học quá mức. Vì vậy, việc kết hợp chúng là điều cần thiết.”

Những câu hỏi về thành phần nguyên tố

Trong số các phát hiện của nghiên cứu có một phép tính mới về lượng oxy của Sao Mộc. Theo phân tích của nhóm, hành tinh này có khả năng chứa lượng oxy cao hơn Mặt Trời khoảng một lần rưỡi.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã tranh luận về con số này. Một nghiên cứu lớn gần đây từng đưa ra ước tính thấp hơn nhiều, chỉ bằng khoảng một phần ba so với Mặt Trời.

Việc xác định chính xác thông số này đặc biệt quan trọng để hiểu rõ cách Hệ Mặt Trời được hình thành. Các nguyên tố cấu tạo nên các hành tinh — cũng như chính chúng ta — đều có nguồn gốc từ cùng vật chất tạo nên Mặt Trời. Tuy nhiên, sự khác biệt về tỷ lệ các nguyên tố có thể cung cấp manh mối giúp tái dựng quá trình hình thành các hành tinh.

Chẳng hạn, Sao Mộc được hình thành ngay tại vị trí hiện nay hay ở gần hoặc xa Mặt Trời hơn rồi dần dịch chuyển theo thời gian? Câu trả lời có thể đến từ việc phần lớn oxy trên hành tinh này tồn tại dưới dạng nước, chất sẽ đóng băng — và có hành vi khác — nếu ở quá xa nguồn nhiệt từ Mặt Trời. Băng dễ tích tụ thành hành tinh hơn so với hơi nước.

Từ đó, việc hiểu rõ những điều kiện nào tạo ra các loại hành tinh khác nhau cũng giúp các nhà khoa học trong quá trình tìm kiếm những hành tinh có khả năng sinh sống bên ngoài Hệ Mặt Trời của chúng ta.

Mô hình này cũng cho thấy khí quyển của Sao Mộc có thể lưu thông theo chiều lên – xuống chậm hơn rất nhiều so với những gì từng được tin tưởng trước đây.

“Mô hình của chúng tôi cho thấy tốc độ khuếch tán có thể chậm hơn khoảng 35–40 lần so với giả định tiêu chuẩn,” Yang cho biết. Ví dụ, một phân tử đơn lẻ có thể mất đến vài tuần để di chuyển qua một tầng khí quyển, thay vì chỉ vài giờ như trước kia.