Những vết nứt trên Ariel hé lộ đại dương ngầm sâu hơn 170 km ra sao?

Bề mặt Ariel không chỉ là một lớp băng phẳng lặng. Mặt trăng của sao Thiên Vương này có những vết nứt dài, sống núi và vùng vỏ bị hạ thấp, nằm xen với các địa hình có vẻ thuộc nhiều giai đoạn khác nhau. Chính các dấu vết ấy dẫn đến một khả năng đáng chú ý: Ariel có thể từng chứa một đại dương ngầm dày hơn 170 km dưới lớp vỏ đóng băng. [1]

Con số 170 km không đến từ một phép đo trực tiếp bên trong Ariel. Nó là kết quả của việc đối chiếu địa hình quan sát được với mô hình máy tính về ứng suất thủy triều. Nói cách khác, các nhà khoa học đọc những biến dạng còn lưu trên bề mặt để suy ngược ra quỹ đạo và cấu trúc bên trong mà Ariel có thể từng sở hữu. [1]

Bề mặt Ariel đang lưu giữ dấu vết gì?

Ariel có đường kính khoảng 1.159 km nhưng sở hữu bề mặt phức tạp so với kích thước của nó. Bên cạnh các hố va chạm cổ là những khu vực trông trẻ hơn, cùng mạng lưới khe nứt, sống núi và địa hào. Địa hào là vùng mà một phần vỏ bị tụt xuống thấp hơn địa hình xung quanh. Một số cấu trúc trên Ariel có quy mô đặc biệt lớn, vì vậy khó xem chúng chỉ là những vết rạn nhỏ xuất hiện ngẫu nhiên trên băng. [1]

Điều quan trọng không chỉ là từng vết nứt riêng lẻ, mà còn là cách nhiều cấu trúc cùng phân bố trên bề mặt. Nếu chúng hình thành khi toàn bộ mặt trăng bị kéo giãn và ép lại, hướng cùng vị trí của chúng có thể phản ánh kiểu ứng suất từng tác động lên lớp vỏ. Bề mặt khi ấy giống một bản ghi đã bị đứt đoạn: không kể trọn lịch sử, nhưng vẫn giữ những dấu hiệu có thể đem so với các kịch bản vật lý khác nhau. [1]

Quỹ đạo lệch tâm có thể làm băng nứt thế nào?

Quỹ đạo lệch tâm là quỹ đạo không hoàn toàn tròn. Khi Ariel di chuyển trên một quỹ đạo như vậy, khoảng cách giữa nó và sao Thiên Vương thay đổi trong mỗi vòng quay. Lực hấp dẫn tác động lên mặt trăng vì thế cũng biến thiên, khiến Ariel liên tục bị kéo giãn rồi ép lại. Sự biến dạng rất nhỏ nếu nhìn ở một thời điểm, nhưng ứng suất lặp đi lặp lại có thể góp phần tạo ra các đứt gãy lớn trên lớp vỏ băng. [1]

Có thể hình dung Ariel luân phiên chuyển từ dạng gần hình cầu sang hơi kéo dài rồi trở lại, dù sự thay đổi thực tế không rõ rệt như một vật mềm bị bóp bằng tay. Điều mà mô hình quan tâm là ứng suất xuất hiện ở đâu, theo hướng nào và mạnh đến mức nào. Nếu kiểu ứng suất dự đoán phù hợp với mạng lưới địa hình đã được lập bản đồ, kịch bản về quỹ đạo cổ và cấu trúc bên trong trở nên đáng cân nhắc hơn. [1]

Mô hình đã nối địa hình với đại dương ra sao?

Nhóm nghiên cứu trước hết lập bản đồ các cấu trúc lớn nhìn thấy trên Ariel, sau đó dùng chương trình máy tính để mô phỏng ứng suất thủy triều trên bề mặt. Họ thay đổi những yếu tố như độ lệch tâm quỹ đạo và cấu hình các lớp bên trong, rồi xem trường ứng suất thu được có thể giải thích các khe nứt quan sát được hay không. Đây là quá trình tìm một mô hình tương thích với dấu vết còn lại, chứ không phải chụp được đại dương dưới băng. [1]

Kết quả cho thấy Ariel có thể từng có độ lệch tâm quỹ đạo khoảng 0,04, xấp xỉ 40 lần giá trị hiện nay. Quỹ đạo với độ lệch tâm này vẫn trông gần tròn, nhưng mức biến thiên lực thủy triều sẽ lớn hơn đáng kể. Trong các cấu hình phù hợp với vết nứt, nhóm nghiên cứu nhận thấy cần có một đại dương: hoặc lớp băng khá mỏng nằm trên đại dương lớn, hoặc quỹ đạo lệch tâm hơn đi kèm một đại dương nhỏ hơn. [1]

Vì sao xuất hiện ước tính 170 km?

Độ dày hơn 170 km là một khả năng được suy ra trong quá trình ràng buộc mô hình, không phải kích thước duy nhất đã được xác nhận. Lớp vỏ băng, tầng nước bên dưới và độ lệch tâm quỹ đạo cùng ảnh hưởng đến cách Ariel phản ứng trước lực thủy triều. Vì nhiều tổ hợp tham số có thể tạo ứng suất, nhà nghiên cứu phải dùng địa hình để thu hẹp phạm vi, nhưng chưa thể loại bỏ mọi phương án chỉ từ những hình ảnh hiện có. [1]

Điểm đáng chú ý của ước tính này nằm ở tỷ lệ: một thế giới chỉ rộng hơn một nghìn kilômét có thể từng che giấu tầng nước sâu tới hàng trăm kilômét. Tuy nhiên, mô hình nói về Ariel trong quá khứ. Thời điểm đại dương tồn tại, thời gian nó duy trì và tình trạng hiện nay của tầng nước ấy vẫn chưa được xác định. [1]

Những vùng trơn có phải dấu tích phun trào?

Một số khu vực tương đối trơn trên Ariel được cho là có thể liên quan đến phun trào băng, hay cryovolcanism. Trong quá trình này, nước, băng hoặc vật chất dễ bay hơi thoát ra từ một thiên thể lạnh thay vì đá nóng chảy như núi lửa quen thuộc trên Trái Đất. Nếu cách giải thích đó đúng, vật chất từ bên trong đã có lúc đi lên và làm mới một phần bề mặt. [1]

Dù vậy, địa hình trơn tự nó chưa xác nhận rằng một vụ phun trào đã xảy ra, cũng không cho biết vật chất có đi thẳng từ đại dương sâu lên bề mặt hay không. Giá trị của dấu vết này nằm ở chỗ nó bổ sung cho bức tranh về một Ariel từng hoạt động mạnh hơn vẻ ngoài băng giá hiện nay. Các khe nứt cho thấy biến dạng, còn vùng trơn mở ra khả năng đã có sự dịch chuyển vật chất. [1]

Điều gì có thể kiểm tra giả thuyết này?

Một hạn chế lớn là con người mới chỉ quan sát được bán cầu nam của Ariel với mức chi tiết cần thiết cho việc lập bản đồ địa chất. Mô hình có thể dự đoán nơi các khe nứt và sống núi nên xuất hiện ở bán cầu bắc chưa được chụp. Nếu một tàu thăm dò tương lai ghi nhận được các cấu trúc phù hợp tại đó, phép đối chiếu sẽ bao quát hơn nhiều so với việc chỉ khớp mô hình với phần bề mặt đã biết. [1]

Ariel vì thế cho thấy cách nghiên cứu một thế giới chưa từng được khảo sát trực tiếp từ bên trong: bắt đầu bằng địa hình, xác định lực có thể tạo ra địa hình ấy, rồi thử nhiều cấu hình quỹ đạo và cấu trúc nội tại. Những vết nứt không phải cửa sổ nhìn thẳng xuống đại dương, nhưng chúng có thể là dấu vết cơ học của một tầng nước đã làm thay đổi cách toàn bộ lớp vỏ phản ứng với lực hấp dẫn. [1]