Tóm tắt trong năm phút
Các vệ tinh của sao Mộc là một đại gia đình với hơn 90 thế giới đã biết, đứng đầu là bốn vệ tinh lớn mà Galileo Galilei quan sát được vào tháng 1 năm 1610: Io, Europa, Ganymede và Callisto. Chúng giống như một Hệ Mặt Trời thu nhỏ. Io là thiên thể có nhiều núi lửa hoạt động nhất từng biết, Europa giấu một đại dương mặn dưới lớp băng, Ganymede là vệ tinh lớn nhất Hệ Mặt Trời, còn Callisto là một khối băng và đá cổ xưa chi chít hố va chạm.
Cả bốn đều quay bên trong các vành đai bức xạ của sao Mộc, một trong những môi trường bức xạ khắc nghiệt nhất mà tàu vũ trụ phải băng qua. Tín hiệu vô tuyến cần khoảng 33 đến 54 phút để đi giữa Trái Đất và sao Mộc. Và Io, vệ tinh trong cùng của bốn vệ tinh này, chi phối các chùm sóng vô tuyến mà sao Mộc phát ra. Bài viết này lần lượt đi qua từng chủ đề đó. Nó nằm trong mạch lịch sử khoa học viễn tưởng của chúng tôi, bởi những thế giới này đã nuôi dưỡng trí tưởng tượng của các nhà văn kể từ thời kính thiên văn của Galileo.
Bốn vệ tinh Galilean
Vào các đêm từ 7 đến 13 tháng 1 năm 1610, Galileo nhận thấy những chấm sáng nhỏ cạnh sao Mộc thay đổi vị trí từ đêm này sang đêm khác. Đó là những vệ tinh quay quanh một hành tinh khác, bằng chứng mạnh mẽ cho thấy không phải mọi thứ đều quay quanh Trái Đất. Nhà thiên văn người Đức Simon Marius cũng tuyên bố đã nhìn thấy chúng gần như cùng lúc, và những cái tên ta dùng ngày nay là do ông đề xuất. Với một chiếc ống nhòm giữ thật vững, bạn vẫn có thể thấy chúng như một hàng chấm ngắn bên cạnh sao Mộc.
Io
Io có đường kính khoảng 3.643 km, lớn hơn Mặt Trăng của chúng ta một chút, và quay quanh sao Mộc một vòng hết 1,77 ngày. Lực hấp dẫn của sao Mộc, cùng với lực kéo từ Europa và Ganymede, liên tục bóp và uốn nó. Ma sát làm nóng phần bên trong và cung cấp năng lượng cho hơn 400 núi lửa đang hoạt động, trong đó có những hồ dung nham khổng lồ như Loki Patera. Tàu Voyager 1 đã chụp được một cột phun trào vào tháng 3 năm 1979, ngọn núi lửa đang hoạt động đầu tiên được thấy bên ngoài Trái Đất.
Europa
Europa có đường kính 3.122 km, nhỏ hơn Mặt Trăng một chút, và được bọc trong một lớp vỏ băng nước. Các phép đo từ trường của tàu Galileo cho thấy bên dưới có một đại dương mặn, có thể chứa lượng nước gấp khoảng hai lần tất cả các đại dương trên Trái Đất. Chưa ai nhìn thấy trực tiếp đại dương ấy. Đây là lý do chính khiến Europa trở thành mục tiêu hàng đầu trong việc tìm kiếm những nơi có thể tồn tại sự sống.
Ganymede
Ganymede có đường kính 5.268 km. Đây là vệ tinh lớn nhất Hệ Mặt Trời và rộng hơn cả Sao Thủy, dù khối lượng chỉ bằng khoảng 45% khối lượng Sao Thủy vì nó được cấu tạo từ băng và đá. Nó là vệ tinh duy nhất được biết là tự tạo ra từ trường, và các bằng chứng cho thấy bên dưới có một đại dương mặn. Tàu Juno đã bay qua ở khoảng cách chừng 1.000 km vào ngày 7 tháng 6 năm 2021, lần quan sát gần đầu tiên sau hơn hai mươi năm.
Callisto
Callisto có đường kính 4.821 km và là vệ tinh ngoài cùng trong bốn vệ tinh, cách sao Mộc khoảng 1,88 triệu km, với chu kỳ quỹ đạo 16,7 ngày. Bề mặt của nó là một trong những bề mặt có nhiều hố va chạm nhất Hệ Mặt Trời và gần như không đổi suốt hàng tỷ năm. Nó nằm ngoài vùng bức xạ dữ dội nhất, nên các nhà hoạch định sứ mệnh và các tác giả thường chọn đây là nơi an toàn nhất để lập căn cứ cho con người. Có thể có một đại dương sâu ở đó, nhưng bằng chứng yếu hơn so với Europa và Ganymede.
Ba vệ tinh phía trong bị khóa vào một nhịp điệu gọi là cộng hưởng Laplace: trong khi Ganymede quay một vòng thì Europa quay hai vòng và Io quay bốn vòng. Điều này giữ cho quỹ đạo của chúng hơi bị kéo dãn, góp phần nuôi các núi lửa của Io và làm ấm Europa. Callisto không nằm trong quy luật này.
Các vành đai bức xạ của sao Mộc
Sao Mộc có từ trường mạnh nhất trong các hành tinh. Từ trường này giữ lại các electron và ion rồi tăng tốc chúng tới năng lượng khổng lồ, tạo thành các vành đai bức xạ dữ dội hơn nhiều so với vành đai Van Allen của Trái Đất. Io tiếp thêm nguyên liệu cho chúng: các núi lửa của nó thải ra khoảng một tấn vật chất mỗi giây, và một phần bị ion hóa rồi bị từ trường giữ lại. Tàu Pioneer 10 thực hiện những phép đo đầu tiên vào tháng 12 năm 1973.
Vệ tinh càng gần sao Mộc thì liều bức xạ càng nặng. Bề mặt Europa thường được ước tính nhận vài sievert mỗi ngày, mức nguy hiểm với con người chỉ trong vòng một ngày. Io còn tệ hơn, Ganymede nhận ít hơn nhiều, còn Callisto rất ít. Tàu vũ trụ đối phó bằng thiết kế. Juno đặt các linh kiện điện tử nhạy cảm nhất trong một hầm titan có thành dày khoảng 1 cm và nặng chừng 200 kg. Europa Clipper sẽ không quay quanh Europa mà sẽ thực hiện gần 50 lần bay sượt qua và dành phần lớn thời gian ở xa hơn, nơi liều bức xạ thấp hơn.
Ánh sáng đi từ Trái Đất đến sao Mộc mất bao lâu
Sóng vô tuyến truyền với tốc độ ánh sáng, khoảng 299.792 km mỗi giây. Tùy vị trí của hai hành tinh trên quỹ đạo, sao Mộc cách Trái Đất từ khoảng 588 triệu km đến 968 triệu km. Chia khoảng cách cho tốc độ, một tín hiệu mất khoảng 33 phút một chiều khi gần nhất và khoảng 54 phút khi xa nhất. Ở khoảng cách trung bình, khoảng 5,2 đơn vị thiên văn, thời gian là khoảng 43 phút. Vì vậy một câu hỏi và câu trả lời của nó mất từ khoảng 65 đến 108 phút.
Đó là lý do không ai điều khiển tàu thăm dò sao Mộc bằng cần điều khiển. Các kỹ sư gửi lệnh trước hàng giờ hoặc hàng ngày, rồi tàu tự thực hiện. Các vệ tinh của sao Mộc cũng cho ta bằng chứng đầu tiên rằng ánh sáng có tốc độ hữu hạn. Năm 1676, nhà thiên văn người Đan Mạch Ole Rømer nhận thấy Io biến mất vào bóng của sao Mộc muộn hơn dự đoán khi Trái Đất ở xa sao Mộc hơn. Con số của ông còn thô, nhưng ý tưởng thì đúng.
Io và các chùm sóng vô tuyến của sao Mộc
Năm 1955, hai nhà thiên văn vô tuyến người Mỹ Bernard Burke và Kenneth Franklin thu được những chùm nhiễu lạ ở tần số khoảng 22 MHz và lần ra nguồn phát là sao Mộc. Loại sóng này được gọi là bức xạ vô tuyến decamet vì bước sóng cỡ mười mét. Năm 1964, Edward Bigg chỉ ra rằng các chùm sóng phụ thuộc vào vị trí của Io trên quỹ đạo.
Nguyên nhân là Io chuyển động trong từ trường của sao Mộc như một chiếc máy phát điện. Nó tạo ra dòng điện hàng triệu ampe chạy dọc theo các đường sức từ xuống vùng cực của sao Mộc. Các electron ở đó phát ra sóng vô tuyến thành một chùm, và chùm này quét qua Trái Đất như ngọn hải đăng. Người nghiệp dư có một ăng-ten đơn giản chỉnh quanh 20 MHz có thể nghe được những chùm sóng này, và dự án Radio JOVE của NASA giúp học sinh làm đúng việc đó.
Khoa học thật: Juno và những bước tiếp theo
Một số điều đã được xác lập vững chắc. Kích thước và quỹ đạo của bốn vệ tinh, các núi lửa của Io và từ trường của Ganymede đều đã được đo đạc. Đại dương ẩn dưới Europa được ủng hộ mạnh mẽ, dù chưa ai thấy trực tiếp. Sự sống trên bất kỳ vệ tinh nào trong số này chỉ là suy đoán: chưa ai tìm thấy dấu hiệu nào.
Tàu quỹ đạo Galileo đến sao Mộc vào tháng 12 năm 1995 và kết thúc sứ mệnh vào tháng 9 năm 2003 khi được chủ động lái vào khí quyển sao Mộc, nhằm giữ cho Europa không bị nhiễm bẩn. Juno phóng vào tháng 8 năm 2011 và vào quỹ đạo vào tháng 7 năm 2016. Tàu được chế tạo để nghiên cứu chính sao Mộc, nhưng trong giai đoạn mở rộng sứ mệnh, nó đã bay qua Ganymede năm 2021, Europa vào tháng 9 năm 2022, và Io vào tháng 12 năm 2023 cùng tháng 2 năm 2024. Europa Clipper phóng ngày 14 tháng 10 năm 2024 và dự kiến tới sao Mộc vào tháng 4 năm 2030. Tàu JUICE của Cơ quan Vũ trụ châu Âu phóng vào tháng 4 năm 2023 và dự kiến đến nơi vào tháng 7 năm 2031, để nghiên cứu Ganymede, Europa và Callisto.
Chúng xuất hiện ở đâu trong văn chương và phim ảnh
Trong 2001: A Space Odyssey của Arthur C. Clarke, hành trình dẫn tới vùng ngoài của Hệ Mặt Trời, và bộ phim đặt điểm đến ở sao Mộc. Phần tiếp theo của Clarke, 2010: Odyssey Two (1982), đặt Europa vào trung tâm câu chuyện, với sự sống dưới lớp băng. Lưu ý tiết lộ nội dung: cuốn sách đó còn biến sao Mộc thành một ngôi sao nhỏ. Trong The Expanse của James S. A. Corey, Ganymede là một thế giới nông nghiệp nuôi sống các thuộc địa vùng ngoài, khiến nó trở thành một phần thưởng chính trị.
Những hiểu lầm thường gặp
- “Sao Mộc có bốn vệ tinh.” Nó có bốn vệ tinh lớn, và tổng cộng hơn 90 vệ tinh đã biết. Phần lớn số còn lại chỉ rộng vài km.
- “Sao Mộc suýt trở thành một ngôi sao.” Nó cần khối lượng gấp khoảng 80 lần hiện nay mới có thể nung chảy hydro. Ngôi sao của Clarke trong 2010 là hư cấu.
- “Chúng ta biết Europa có đại dương đầy sự sống.” Đại dương nhiều khả năng tồn tại, còn sự sống vẫn là câu hỏi bỏ ngỏ.
- “Ganymede lớn hơn một hành tinh.” Nó rộng hơn Sao Thủy nhưng nhẹ hơn nhiều, và nó quay quanh sao Mộc nên là một vệ tinh.
Đọc tiếp
- Io: vệ tinh núi lửa, chi tiết hơn.
- Europa: lớp vỏ băng, đại dương và sứ mệnh Clipper.
- Ganymede: vệ tinh lớn nhất và từ trường của nó.
- Callisto: vệ tinh ngoài cùng cổ xưa đầy hố va chạm.
- 2001: A Space Odyssey: tiểu thuyết của Clarke về hành trình tới các hành tinh vòng ngoài.
