MỘT MẶT TRĂNG CỦA SAO THỔ ĐƯỢC TẠO TỪ BĂNG CỦA TITAN?

Hệ Sao Thổ có hai điều kỳ lạ. Iapetus, một trong những mặt trăng lớn của nó, giàu băng một cách bất thường: so với các thiên thể băng lớn ở vùng ngoài Hệ Mặt Trời — Quaoar, Sao Diêm Vương, Triton — nó chứa nhiều nước hơn đá rất nhiều. Quaoar nhỏ hơn Iapetus, nhưng đặc hơn nhiều. Còn Titan, mặt trăng khổng lồ của Sao Thổ, đi theo một quỹ đạo bị kéo giãn hơn dự kiến (độ lệch tâm hiện nay là 0,029).

Titan quay quanh Sao Thổ ở khoảng cách khoảng 1,2 triệu kilômét; Iapetus, khoảng 3,6 triệu.

Một cú va chạm, hai câu đố?

Ignacio Mosqueira thuộc Đại học Bang San José kiểm chứng một ý tưởng mà ông đã đề xuất cùng P. R. Estrada năm 2005: một cú va chạm khổng lồ vào Titan. Cú va chạm có thể đã thổi bung băng từ lớp phủ ngoài của Titan lên những quỹ đạo xa quanh Sao Thổ, nơi nó có thể đã tụ lại thành Iapetus. Cùng cú đánh đó có thể đã kéo giãn quỹ đạo của Titan.

Kịch bản này vay mượn từ các vụ va chạm kiểu “đâm rồi chạy”, vốn đã được viện dẫn để giải thích lõi sắt quá khổ của Sao Thủy: lõi đá của vật va chạm tiếp tục bay đi, trong khi băng bị tước khỏi các lớp phủ ở lại phía sau.

Những gì mô phỏng cho thấy

Nghiên cứu dùng các mô phỏng va chạm 3D (bằng mã Spheral của Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore), có tính đến lực hấp dẫn của Sao Thổ, rồi theo dõi các mảnh vỡ trong nhiều ngày, nhiều năm và tới 50 năm. Cả hai thiên thể đều có lõi đá và lớp phủ băng.

Kịch bản 1 — một vật va chạm đến từ bên ngoài hệ Sao Thổ. Một thiên thể có khối lượng bằng một phần mười Titan đâm xiên vào với tốc độ 10 km/s.

• Lượng mảnh vỡ bằng khoảng 3,5 lần khối lượng Iapetus vẫn bị Sao Thổ giữ lại năm ngày sau, 83 % trong đó là băng.
• 95 % lượng băng đó đến từ lớp phủ của Titan.
• Một mẫu băng đi theo quỹ đạo vươn tới xa hơn khoảng cách của Iapetus.
• Lõi đá của vật va chạm thoát khỏi Sao Thổ vĩnh viễn.
• Độ lệch tâm quỹ đạo của Titan tăng vọt lên khoảng 0,13.

Kịch bản 2 — một vật đồng hành vốn đã quay quanh Sao Thổ. Một thiên thể có khối lượng bằng một phần tư Titan đâm vào ở góc 45° với tốc độ khoảng 3,7 km/s.

• Nó giải phóng lượng băng bằng 0,60 lần khối lượng Iapetus.
• Lõi đá của nó sượt qua Titan, rồi — trong một lần chạy — quay lại và đâm vào Titan 6,9 năm sau. Sau khi hợp nhất, độ lệch tâm của Titan sẽ vào khoảng 0,10.

Những giới hạn, do chính tác giả nêu

Đây là những mô phỏng “thí điểm” độ phân giải thấp — chỉ khoảng 27 hạt cho mỗi khối lượng Iapetus. Chúng không phân giải được kích thước mảnh vỡ và chưa được chứng minh là hội tụ; thời điểm quay lại nhạy cảm với các thiết lập số.

Trên hết, Iapetus không hình thành trong các mô phỏng. Băng rơi vào những quỹ đạo rất dẹt vẫn cắt ngang đường đi của Titan. Để ổn định trên một quỹ đạo tròn ở khoảng cách của Iapetus, nó cần thêm 67 đến 86 % mômen động lượng — điều mà khí còn sót lại hoặc một đĩa mảnh vỡ có thể cung cấp bằng cách làm chậm và làm tròn các quỹ đạo. Bước này chưa được mô hình hóa. Độ lệch tâm hiện nay của Titan cũng thấp hơn các giá trị mô phỏng, nên cũng cần một sự suy giảm về sau.

Điều gì đứng vững, điều gì còn phải chứng minh

Bước đầu tiên của kịch bản đứng vững: một vụ va chạm có thể tạo ra một kho băng tương đương vài lần khối lượng Iapetus, phần lớn bị xé ra từ Titan, đồng thời kéo giãn quỹ đạo của Titan. Phần còn lại — lắp ráp Iapetus và làm tròn quỹ đạo của nó — vẫn còn phải chứng minh. Tác giả cũng gợi ý rằng một đĩa khí còn sót lại có thể giải thích những đặc điểm khác của hệ Sao Thổ, như các mặt trăng băng phía trong và các vành đai; đây là những ý tưởng, không phải kết quả.