Bí ẩn thập giác mới xuất hiện ở cực nam sao Thổ: Khí quyển hành tinh đang biến đổi theo thời gian thực

Trong hơn bốn thập kỷ kể từ khi được phát hiện, hình lục giác khổng lồ nằm ở cực bắc sao Thổ luôn được coi là một trong những đặc trưng khí quyển kỳ lạ và bền vững nhất trong toàn bộ hệ Mặt Trời. Các nhà khoa học từng tin rằng vùng cực bắc mang một nét độc đáo riêng biệt mà cực nam không có. Thế nhưng, các quan sát mới nhất từ Kính thiên văn không gian Hubble phối hợp cùng dữ liệu kính thiên văn mặt đất đã làm đảo lộn góc nhìn này: một cấu trúc sóng khí quyển hình 10 cạnh (thập giác) khổng lồ đang âm thầm hình thành và gia tăng cường độ quanh cực nam của hành tinh vành đai. [1]

Khác với sự ổn định lâu dài của lục giác cực bắc, cấu trúc thập giác ở cực nam xuất hiện một cách đột ngột và dường như chỉ mới bắt đầu phát triển trong thời gian gần đây. Phát hiện này mang đến một cơ hội vô cùng hiếm hoi để các nhà thiên văn học chứng kiến tận mắt quá trình sinh ra và biến đổi của một hệ thống sóng khí quyển quy mô lớn trên một hành tinh khí khổng lồ. [1]

Từ phát hiện nghiệp dư đến bước ngoặt dữ liệu

Hành trình phát hiện ra cấu trúc 10 cạnh tại cực nam sao Thổ bắt đầu từ những nỗ lực kiên trì của cộng đồng quan sát thiên văn trên Trái Đất. Thông qua cơ sở dữ liệu của Phòng thí nghiệm Quan sát Thiên văn Hành tinh Ảo (Planetary Virtual Observatory Laboratory) do Đại học Xứ Basque ở Tây Ban Nha quản lý, các nhà thiên văn nghiệp dư từ nhiều quốc gia đã liên tục đóng góp những bức ảnh chụp chi tiết các hành tinh trong hệ Mặt Trời. [1]

Vào năm 2024, nhà nghiên cứu Agustín Sánchez-Lavega thuộc Đại học Xứ Basque cùng hai nhà thiên văn nghiệp dư là Trevor Barry và Jean-Paul Oger đã chú ý đến một dải mây lượn sóng mờ nhạt bao quanh vùng cực nam trong các bức ảnh đóng góp. Đến năm 2025, những góc chụp bổ sung từ các kính thiên văn mặt đất tiếp tục củng cố giả thuyết rằng dải sóng này đang định hình thành một cấu trúc hình thập giác đều đặn. [1]

Để xác minh chắc chắn hiện tượng này mà không bị ảnh hưởng bởi sự nhiễu loạn khí quyển Trái Đất, nhóm nghiên cứu đã đối chiếu với dữ liệu từ Kính thiên văn không gian Hubble. Góc nhìn từ không gian của Hubble mang lại độ phân giải không gian cùng độ sắc nét tuyệt đối qua trọn vẹn các chu kỳ tự quay của sao Thổ, giúp làm sáng tỏ hình dáng thực sự của cấu trúc mây cực nam. [1]

Dấu vết mới hình thành và sự đối lập với cực bắc

Sử dụng dữ liệu từ chương trình Di sản Khí quyển Các hành tinh Vòng ngoài (OPAL), nhóm nghiên cứu đã quay lại kiểm tra các bức ảnh chụp sao Thổ của kính Hubble và xác nhận sự hiện diện mờ nhạt của sóng 10 cạnh từ mốc thời gian năm 2023. Điều đáng nói là trước mốc này, tàu vũ trụ Cassini trong suốt hành trình bay quanh sao Thổ từ năm 2004 đến năm 2017 hoàn toàn không ghi nhận bất kỳ dấu vết nào của một cấu trúc dài hạn ở cực nam. [1]

Thậm chí, kính thiên văn Hubble đã kiên trì tìm kiếm một cấu trúc đối ứng với hình lục giác cực bắc tại bán cầu nam suốt từ năm 1990 nhưng chưa từng thấy bất cứ hình mẫu rõ ràng nào. Sự xuất hiện bất ngờ từ năm 2023 cho thấy sóng 10 cạnh này là một hiện tượng hoàn toàn mới phát sinh trong khí quyển sao Thổ. [1]

Trong khi cấu trúc lục giác ở cực bắc đã duy trì sự ổn định suốt hơn 40 năm qua mỗi lần con người quan sát, thì thập giác cực nam lại đang trong trạng thái biến chuyển và tăng cường độ. Nhà nghiên cứu Amy Simon, đồng tác giả nghiên cứu và là nhà điều hành chương trình OPAL tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard thuộc NASA, nhấn mạnh rằng việc chứng kiến một hình mẫu khí quyển khổng lồ vừa mới sinh ra là một trải nghiệm thiên văn vô cùng đặc biệt. [1]

Bản chất ba chiều của sóng khí quyển cực nam

Những phân tích chi tiết cho thấy cấu trúc 10 cạnh không chỉ là một dải mây nông hiển thị trên bề mặt khí quyển. Sóng thập giác này nằm ngay bên trong một dòng xiết (jet stream) có vận tốc cực lớn ở vùng cực nam và đâm sâu theo chiều thẳng đứng qua nhiều tầng khí quyển khác nhau của sao Thổ. [1]

Bằng chứng cho tính chất ba chiều này thể hiện ở việc vị trí biểu kiến của cấu trúc thập giác có sự dịch chuyển nhẹ khi được quan sát dưới các bước sóng ánh sáng khác nhau trên kính Hubble. Bởi vì mỗi bước sóng đại diện cho khả năng đâm xuyên đến một độ sâu và độ cao riêng biệt trong bầu khí quyển sao Thổ, sự dịch chuyển này phản ánh một hệ thống sóng có chiều sâu cấu trúc thực sự. [1]

Có thể hình dung hiện tượng này tương tự như một làn sóng cuộn chảy qua một khối chất lưu nhiều lớp dày đặc; áp suất và động lực học ở các tầng độ cao khác nhau sẽ tạo ra những chuyển dịch nhẹ trên biên độ sóng. Điều này khẳng định đây là một cấu trúc động lực học quy mô lớn chứ không phải hiện tượng thời tiết ngắn hạn thoáng qua.

Chu kỳ mùa và giá trị của chuỗi dữ liệu dài hạn

Sự phát hiện ra sóng thập giác ở cực nam sao Thổ còn có sự đóng góp quan trọng từ chu kỳ chuyển mùa của chính hành tinh này. Khi góc chiếu sáng của Mặt Trời và vị trí tương quan của sao Thổ thay đổi theo quỹ đạo, cực nam của hành tinh dần nghiêng về phía Trái Đất, mở ra góc quan sát thuận lợi cho các kính thiên văn mặt đất cũng như kính Hubble. [1]

Phát hiện này là bằng chứng minh chứng cho tầm nhìn của chương trình OPAL do Hubble thực hiện. Nhờ việc chụp ảnh định kỳ các hành tinh vòng ngoài suốt hơn một thập kỷ, chương trình OPAL cho phép các nhà khoa học theo dõi sự tiến hóa dài hạn của các hệ thống bão, sự thay đổi theo mùa và các dải khí quyển thay vì chỉ cung cấp những bức ảnh chụp nhanh riêng lẻ. [1]

Nhà nghiên cứu Mike Wong từ Đại học California, Berkeley cho biết nhiều khám phá từ chương trình OPAL không hề đến từ một lần quan sát đơn lẻ mà là thành quả tích lũy qua nhiều năm dữ liệu. Sự theo dõi bền bỉ qua thời gian chính là chìa khóa mở ra những bất ngờ ngoài kịch bản về các hành tinh khổng lồ. [1]

Những câu hỏi mở về chuyển động khí quyển hành tinh

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances đã mở ra hàng loạt câu hỏi mới cho giới thiên văn học. Các nhà khoa học đang ráo riết tìm lời giải cho nguyên nhân khiến sóng 10 cạnh này đột ngột xuất hiện, liệu nó sẽ dần ổn định thành một cấu trúc tồn tại lâu dài giống như lục giác cực bắc hay sẽ nhanh chóng biến đổi và tan biến. [1]

Trong các bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự định tiếp tục sử dụng kính thiên văn Hubble kết hợp với Kính thiên văn không gian James Webb và các mô hình máy tính mô phỏng khí quyển để tìm hiểu cơ chế kích hoạt dòng xiết tạo ra hình thập giác này. [1]

Khám phá này nhắc nhở chúng ta rằng các hành tinh khí khổng lồ trong hệ Mặt Trời vẫn luôn chuyển động và thay đổi không ngừng. Việc giải mã sóng thập giác ở cực nam sao Thổ không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành tinh vành đai mà còn cung cấp những dữ liệu quý giá để đối sánh với lý thuyết động lực học khí quyển trên Trái Đất cũng như các hành tinh ngoài hệ Mặt Trời. [1]