Các nhà khoa học muốn gửi một phi thuyền quỹ đạo lên thám hiểm hành tinh băng giáng khổng lồ Thiên vương tinh, nhưng những tài nguyên hiện có liệu có ủng hộ một dự án nhiều tham vọng như thế hay không?
Hồi đầu năm nay, Chương trình Khoa học Hành tinh Decadal đã khiến cáo NASA nên xem xét việc gửi một sứ mệnh đến Thiên vương tinh. Với toàn bộ sự chú ý đã dành cho Hỏa tinh, Mộc tinh, và thậm chí hành tinh lùn tội nghiệp Pluto, vậy cái gì khiến người ta nghĩ tới việc chinh phục Thiên vương tinh?
Nhiều thứ lắm chứ, theo lời Mark Hofstadter thuộc Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực ở Mĩ.
“Thiên vương tinh thuộc một loại hành tinh mà chúng ta biết rất ít”, ông nói. “Hồi 39 năm trước, chúng ta đã nghĩ Thiên vương tinh và Thổ tinh mà thôi”.
Phi thuyền Voyager 2 đã chụp bức ảnh này của Thiên vương tinh vào năm 1986. Ảnh: NASA
Ngày nay, chúng ta biết rằng những hành tinh ngoài cùng trong nhóm láng giềng hệ mặt trời của chúng ta không phải là những hành tinh khí khổng lồ chứa đầy hydrogen và helium, mà là “những khối băng khổng lồ” chứa một hỗn hợp lớn gồm nước, methane, ammonia, và carbon dioxide.
Số liệu hiện nay về những hành tinh ngoài hệ mặt trời cho thấy những hành tinh băng giá khổng lồ trong thiên hà của chúng ta là phổ biến hơn so với những hành tinh khí to lớn hơn.
“Chúng tôi muốn nghiên cứu những thí dụ cục bộ của chúng ta của loại hành tinh phổ biến này”, Hofstadter nói.
Nếu bạn phải chọn một, thì Thiên vương tinh có lẽ là đích đến tốt hơn so với Hải vương tinh. Nó thách thức các mô hình khoa học với chuyển động quay độc nhất vô nhị của nó và cấu trúc bên trong gây khó hiểu. Hơn nữa, hành tinh thứ 7 còn dễ đi tới hơn so với hành tinh thứ 8.
Hofstadter là một thành viên thuộc một nhóm nhà khoa học đang khảo sát khả năng gửi một phi thuyền quỹ đạo lên Thiên vương tinh. Một đề xuất đặc biệt, gọi là (Người tìm đườngThiên vương tin (Uranus Pathfinder), mới đây đã được Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) xem xét.
“Cả phía châu Âu lẫn phía Mĩ đều bị thuyết phục rằng một tàu quỹ đạo là cần thiết thay cho một chuyến bay sớt qua”, phát biểu của Chris Arridge thuộc trường Đại học College London và nhóm PI của chương trình Uranus Pathfinder. “Nhưng rồi vấn đề chi phí đã làm cùn đầu óc xấu xí của họ”.
Kính thiên văn Keck đã chụp một số thời tiết khắc nghiệt trên Thiên vương tinh vào năm 2004, chứng minh rằng hành tinh này không đơn giản là một quả cầu màu xanh nhàm chán. Ảnh: Lawrence Sromovsky, Trung tâm Khoa học và Kĩ thuật Không gian
Uranus Pathfinder chật vật mới lọt vào quá trình chọn lựa những sứ mệnh tầm trung tiếp theo của ESA, nhưng cuối cùng đã nó được thông qua.
“Sự hào hứng đang dâng tràn với việc trở lại Thiên vương tinh”, Arridge nói.
Thiên vương tinh có một không hai
Thật sự đúng là trở lại.
Năm 1986, phi thuyền vũ trụ Voyager 2 đã bay ngang Thiên vương tinh trên hành trình của nó đến biên giới của hệ mặt trời. Những bức ảnh chụp liên tiếp gửi về cho thấy một quả cầu màu xanh đồng đều gần như nhàm chán so với những bề mặt phong phú, đầy màu sắc của Mộc tinh và Thổ tinh. Nhưng vẻ ngoài không có gì đặc biệt của Thiên vương tinh đang che ẩn phần bên trong lạ lùng nhất trong hệ mặt trời.
Khía cạnh nổi bật nhất của Thiên vương tinh là cách nó nghiêng, với trục quay của nó nằm trên đĩa mặt phẳng của hệ mặt trời. Các nhà khoa học cho rằng một cú va chạm khủng khiếp nào đó cách nay lâu rồi đã làm lật nhào Thiên vương tinh kể từ đó.
Sự định hướng trục quay kì lạ như thế có lẽ có một số tác động đối với động lực học bên trong. Thiên vương tinh là hành tinh duy nhất chúng ta biết không thể khớp với một mô hình ba lớp đơn giản gồm một lõi đá, một lớp bao giàu nước, và một bầu khí quyển. Bên trong Thiên vương tinh, những pha khác nhau của vật chất phải hòa trộn với nhau theo một số kiểu phức tạp.
Để phân loại cấu trúc bên trong này, Hofstadter và Arridge và các đồng sự của họ muốn gửi một phi thuyền quỹ đạo lên lập bản đồ trường hấp dẫn xung quanh Thiên vương tinh. Ngoài ra, những phép đo từ xa trong vùng bước sóng vi sóng và hồng ngoại có thể cung cấp thêm các chi tiết của thành phần khí quyển, ví dụ như hàm lượng của những loại băng khác nhau.
[Nên lưu ý là từ “băng” được dùng để mô tả những phân tử như nước và methane bị đóng băng tại quỹ đạo của Thiên vương tinh. Tuy nhiên, những hợp chất này có khả năng ở trong một trạng thái đặc kiểu chất lỏng ở những lớp sâu bên dưới của hành tinh, nơi áp suất cực kì cao.]
Hình minh họa so sánh đại dương bên trong của vệ tinh Europa của Mộc tinh với một đại dương tương tự mà người ta nghi ngờ có trên vệ tinh Titania của Thiên vương tinh. Ảnh: Chris Arridge/UCL/UP Consortium
Một sự hiểu biết rõ hơn cấu trúc nội tại này có thể giúp giải thích từ trường kì lạ của Thiên vương tinh, nó nghiêng 60 độ so với trục quay của nó. Cái này tựa như cực từ của Trái đất đi qua New Orleans vậy.
“Đây chẳng phải là cái chúng ta hiểu rõ cho lắm” Arridge nói. “Nếu chúng ta có thể nghiên cứu nó kĩ lưỡng hơn với những phép đo từ trường, thì chúng ta có thể biết được đôi điều khái quát về những hành tinh đã tạo ra từ trường như thế nào”.
Lạnh hơn cả lạnh
Do sự định hướng quay kì lạ của Thiên vương tinh, nên mùa đông và mùa hè đúng là ngày và đêm xa nhau. Trong một phần tư chu kì 84 năm của hành tinh, một bán cầu giữ độc quyền hứng ánh sáng mặt trời, trong khi bán cầu kia hoàn toàn tối đen. Đây là cách Voyager 2 đã nhìn thấy Thiên vương tinh, với bán cầu nam của nó đang ngập tràn ánh nắng mùa hè. Và đây có lẽ nguyên do khiến hành tinh trông ôn hòa nhạt nhẽo như vậy.
Những bức ảnh gần đây hơn chụp bằng kính thiên văn mặt đất trong mùa thu phương nam đã phát hiện ra những đám mây và những cơn bão gió khổng lồ truyền đi nhanh đến 900 km/h.
“Thiên vương tinh hoạt động mạnh hơn cái những bức ảnh Voyager cho biết”, Hofstadter nói.
Hoạt động khí hậu trên Thiên vương tinh có lẽ có nguồn gốc rất khác với những hệ thời tiết đã biết trên Mộc tinh và Thổ tinh. Những cơn bão ấn tượng và những đám mây trang hoàng cho diện mạo của những hành tinh khí khổng lồ chủ yếu được cấp nguồn bởi nhiệt bên trong hành tinh dâng lên bề mặt, nhưng nguồn cung nhiệt này trên Thiên vương tinh phần lớn bị mất.
Các nhà khoa học rất muốn nghiên cứu chi tiết hơn hiện tượng này. Có lẽ cấu trúc nội kì lạ của Thiên vương tinh đã chặn mất dòng nhiệt dâng lên bề mặt một cách liên tục hay theo mùa chăng? Hoặc có lẽ nhiệt đã bị “knock out” trong vụ va chạm giả định đã làm lật hành tinh mãi mãi? Một sứ mệnh phi thuyền quỹ đạo có thể làm sáng tỏ những câu hỏi này bằng cách đo các biến thiên nhiệt độ trên bề mặt liên quan đến sự truyền nhiệt.
Sự thiếu nhiệt từ bên dưới dâng lên khiến Thiên vương tinh là hành tinh lạnh lẽo nhất trong hệ mặt trời, với nhiệt độ trung bình – 224oC. (Pluto có lẽ còn lạnh hơn, nhưng nó không còn là một hành tinh nữa – nếu bạn chưa nghe nói tới.)
Nhiều mục tiêu khoa học đã được xem xét đối với sứ mệnh Uranus Pathfinder đã đề xuất. Ảnh: Chris Arridge/UCL/UP Consortium
Thật trớ trêu, cơ sở nhiệt động lực học trên Thiên vương tinh siêu lạnh có thể cho chúng ta biết đôi điều về những “Mộc tinh nóng”, những hành tinh ngoại (hành tinh ngoài hệ mặt trời) có quỹ đạo cực kì gần ngôi sao chủ của chúng. Nhiệt độ bên ngoài của một Mộc tinh nóng được cho là bị điều khiển bởi bức xạ sao rọi đến.
“Tương tự như vậy, Thiên vương tinh có nhận toàn bộ năng lượng của nó từ ánh sáng mặt trời”, Hofstadter giải thích.
