Sao Diêm Vương – Phần 2: Đặc điểm của hành tinh

Khoảng cách từ Sao Diêm Vương tới Trái Đất khiến việc nghiên cứu sâu về hành tinh này rất khó khăn. Nhiều chi tiết về Sao Diêm Vương sẽ vẫn chưa được biết tới cho đến năm 2015, khi tàu vũ trụ New Horizons tới đó.

Hình dạng bên ngoài và thành phần

Độ sáng biểu kiến bên ngoài của Sao Diêm Vương trong khoảng 15.1, lên tới 13.65 ở điểm cận nhật. Để quan sát được nó, một kính viễn vọng phải có độ mở khoảng 30 cm (12 in). Sao Diêm Vương trông không rõ ràng và giống sao thậm chí khi được quan sát bằng kính viễn vọng lớn bởi đường kính góc của nó chỉ là 0.11″. Nó có màu xám sáng pha chút vàng.

Phân tích quang phổ bề mặt Sao Diêm Vương cho thấy nó có thành phần gồm hơn 98% băng nitơ, với các dấu hiệu của methane và carbon monoxide. Khoảng cách và những giới hạn về hiện tại trong kỹ thuật kính viễn vọng khiến không thể chụp ảnh trực tiếp các chi tiết bề mặt Sao Diêm Vương. Các hình ảnh từ Kính viễn vọng không gian Hubble không thể hiện bất kỳ một đặc điểm hay dấu hiệu bề mặt có thể phân biệt nào.

Những hình ảnh tốt nhất về Sao Diêm Vương có từ các bản đồ sáng được tạo ra từ các quan sát gần các lần thực của nó với vệ tinh lớn nhất, Charon. Sử dụng quá trình xử lý máy tính, những quan sát được tiến hành bằng những yếu tố sáng khi Sao Diêm Vương bị Charon che khuất. Ví dụ, việc che khuất một điểm sáng trên Pluto sẽ tạo ra một sự thay đổi tổng độ sáng lớn hơn khi che khuất một điểm tối. Sử dụng kỹ thuật này, ta có thể đo đạc tổng độ sáng của hệ Sao Diêm Vương-Charon và theo dõi những thay đổi độ sáng theo thời gian. Những bản đồ được Kính viễn vọng không gian Hubble tổng hợp cho thấy bề mặt Sao Diêm Vương có đặc điểm ở sự không đồng nhất, một sự thực cũng được chứng nhận bởi sự làm cong ánh sáng và bởi những thay đổi định kỳ trong các phổ của nó. Bề mặt Sao Diêm Vương hướng về phía Charon chứa nhiều băng methane hơn, trong khi phía bề mặt đối diện chứa nhiều nitơ và băng carbon monoxide. Điều này biến Sao Diêm Vương thành vật thể có sự trái ngược lớn thứ hai trong Hệ Mặt Trời sau Iapetus.

Kính viễn vọng không gian Hubble cho rằng mật độ Sao Diêm Vương ở trong khoảng 1.8 và 2.1 g/cm³, cho thấy thành phần bên trong của nó gồm khoảng 50–70 phần trăm đá và 30–50 phần trăm băng. Vì sự phân rã phóng xạ của các khoáng chất cuối cùng sẽ làm nóng băng tới mức đủ để chúng tách khỏi đá, các nhà khoa học chờ đợi kết cấu bên trong của Sao Diêm Vương có sự khu biệt, với vật liệu đá lắng xuống thành một lõi đặc bao quanh bởi một áo băng. Có thể quá trình nóng lên đó đang diễn ra ở thời điểm hiện tại, tạo ra một biển nước ngầm bên dưới bề mặt.

Kích thước và khối lượng

Sao Diêm Vương không những nhỏ hơn tất cả các hành tinh khác trong Thái Dương Hệ mà còn nhỏ hơn các vệ tinh sau đây: Ganymede, Titan, Callisto, Io, Mặt Trăng, Europa và Triton. Trong khi đó, Sao Diêm Vương lại lớn hơn tất cả các tiểu hành tinh của vòng đai chính, giữa Sao Hoả và Sao Mộc, hay của vòng đai Kuiper. Điều này làm cho các nhà khoa học tin rằng Sao Diêm Vương không phải là một hành tinh chính thức mà thuộc một loại thiên thể nhiều người gọi là plutino – loại hành tinh nhỏ giống Pluto.

Khối lượng của Sao Diêm Vương không được biết hàng chục năm sau khi nó được khám phá. Sự khám phá của vệ tinh Charon đã giúp các nhà khoa học tính được khối lượng của Sao Diêm Vương, dùng một công thức của Isaac Newton dựa vào các định luật của Johannes Kepler.

Khí quyển

Sao Diêm Vương chỉ có một bầu khí quyển mỏng có thành phần bao gồm nitơ, metan và CO trong trạng thái cân bằng với nitơ rắn và các tảng băng CO trên bề mặt. Khi Sao Diêm Vương đi xa khỏi điểm cận nhật, xa dần Mặt Trời thì các thành phần khí quyển của nó sẽ đóng băng lại và rơi xuống đất. Khi nó quay trở lại gần Mặt Trời hơn, nhiệt độ của bề mặt rắn của Sao Diêm Vương sẽ gia tăng và gây ra sự thăng hoa cho các lớp băng nitơ, chúng gây nên hiệu ứng tạo gas và chống lại hiệu ứng nhà kính. Thông thường, khi một hành tinh không có khí quyển đi ngang phía trước một ngôi sao, độ sáng của ngôi sao đó sẽ đột ngột biến mất … cho đến khi nó không còn bị che nữa. Trong năm 1988, các nhà khoa học nhìn thấy một ngôi sao dần dần mờ đi trước khi hoàn toàn bị che bởi Sao Diêm Vương. Điều này chứng minh cho sự hiện diện của một bầu khí quyển. Sau một quan sát tương tự vào năm 2003, bầu khí quyển của Sao Diêm Vương được ước lượng có áp suất vào khoảng 3 micrôbar và bao gồm đạm khí (N₂), cácbon mônôxít (CO) …

Quỹ đạo

Quỹ đạo của Sao Diêm Vương khác với các hành tinh khác do có độ nghiêng quỹ đạo >17° và tâm sai ~0,25. Chỉ quỹ đạo của Sao Thủy có độ nghiêng đáng kể là ~7° và tâm sai là ~0,2; còn các hành tinh khác thì có quỹ đạo tròn, hơi elip một chút. Tâm sai lớn có nghĩa là một phần của quỹ đạo Sao Diêm Vương gần với Mặt Trời hơn quỹ đạo của Sao Hải Vương. Khi đến gần điểm cận nhật, Sao Diêm Vương ở gần Mặt Trời hơn Sao Hải Vương. Nhưng do độ nghiêng quỹ đạo, điểm cận nhật của nó ở phía bên trên (~8.0 AU) mặt phẳng hoàng đạo. Các sơ đồ trên hai hình bên biểu diễn vị trí tương đối của quỹ đạo Sao Diêm Vương so với mặt phẳng hoàng đạo (mặt cắt vuông góc mặt phẳng hoàng đạo – ecliptic view), và hình chiếu từ trên xuống vuông góc với mặt phẳng hoàng đạo (polar view) với vị trí hiện hành của Sao Diêm Vương và Sao Hải Vương. Các đoạn quỹ đạo phía trên mặt phẳng hoàng đạo được tô màu sáng hơn, các đoạn nằm dưới thì có màu tối hơn; điểm cận nhật và điểm viễn nhật được đánh dấu lần lượt bằng các chữ q và Q.

Quỹ đạo tránh Sao Hải Vương

Dù rõ ràng quỹ đạo của Sao Diêm Vương cắt quỹ đạo Sao Hải Vương khi quan sát trực tiếp từ phía trên hoàng đạo, hai vật thể này không thể va chạm. Điều này bởi các quỹ đạo của chúng được sắp thẳng hàng sao cho Sao Diêm Vương và Sao Hải Vương không bao giờ tiếp cận gần. Nhiều yếu tố tác động tới việc này.

Ở mức độ đơn giản nhất, một người có thể xem xét hai quỹ đạo và thấy rằng chúng không giao nhau. Khi Sao Diêm Vương ở vị trí cận nhật, và ví thế cũng ở điểm gần nhất với quỹ đạo của Sao Hải Vương như được quan sát ở hình chiếu từ trên xuống, nó cũng ở điểm xa nhất phía trên hoàng đạo. Điều này có nghĩa thực tế quỹ đạo Sao Diêm Vương chạy qua phía trên quỹ đạo Sao Hải Vương, khiến chúng không thể va chạm. Quả vậy, phần quỹ đạo Sao Diêm Vương ở gần Mặt Trời hơn quỹ đạo Sao Hải Vương nằm khoảng 8 AU phía trên hoàng đạo, và cũng cách một khoảng tương tự với quỹ đạo Sao Hải. Giao điểm lên của quỹ đạo của Sao Diêm Vương, điểm tại đó quỹ đạo cắt ngang hoàng đạo, hiện cách khỏi quỹ đạo Sao Hải Vương hơn 21°; các giao điểm xuống của chúng cũng cách nhau một khoảng cách góc tương tự (xem biểu đồ). Bởi quỹ đạo Sao hải Vương hầu như phẳng so với mặt phẳng hoàng đạo, Sao Diêm Vương luôn cách xa phía trên khi hai hành tinh ở gần nhau trên quỹ đạo.

Chỉ riêng điều này không đủ để bảo vệ Sao Diêm Vương; các nhiễu loạn (ví dụ, tiến động quỹ đạo) từ các hành tinh, đặc biệt là Sao Hải Vương, sẽ làm thay đổi quỹ đạo Sao Diêm Vương, vì thế trong hàng triệu năm một vụ va chạm có thể xảy ra. Một số cơ cấu khác hay các cơ cấu sẽ hoạt động từ đó. Cơ cấu đáng chú ý nhất là một cộng hưởng chuyển động trung bình với Sao Hải Vương.

Sao Diêm Vương nằm ở 3:2 cộng hưởng khoảng cách chuyển động trung bình với Sao Hải Vương: cứ ba lần Sao Hải Vương quay xung quanh Mặt Trời, Sao Diêm Vương thực hiện điều đó 2 lần. Hai vật thể sau đó sẽ quay trở lại các vị trí ban đầu của chúng và chu kỳ lặp lại, mỗi chu kỳ kéo dài 500 năm. Mô hình này được xác định sao cho, trong mỗi chu kỳ 500 năm, lần đầu tiên Sao Diêm Vương gần điểm cận nhật Sao Hải Vương ở hơn 50° phía sau Sao Diêm Vương. Ở lần cận nhật thứ hai của Sao Diêm Vương, Sao Hải Vương sẽ hoàn thành một vòng nữa và một nửa vòng riêng trên quỹ đạo của nó, và vì thế sẽ ở một khoảng cách tương tự phía trước Sao Diêm Vương. Trên thực tế, khoảng cách tối thiểu giữa Sao Diêm Vương và Sao Hải Vương là hơn 17 AU; Sao Diêm Vương thực tế có thời điểm ở gần (11 AU) Sao Thiên Vương hơn Sao Hải Vương.

Sự cộng hưởng 3:2 giữa hai vật thể rất ổn định, và không thay đổi trong hàng triệu năm. Điều này khiến quỹ đạo của chúng không thể thay đổi so với nhau— chu kỳ luôn lặp lại theo cùng cách— và hai vật thể không bao giờ đến được gần nhau. Vì thế, thậm chí khi quỹ đạo của Sao Diêm Vương không quá nghiêng, hai vật thể cũng không bao giờ va chạm nhau.

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến quỹ đạo của Sao Diêm Vương

Những nghiên cứu số đã cho thấy rằng sau những chu kỳ hàng triệu năm, hình thức tổng thể của sự thẳng hàng giữa quỹ đạo của Sao Diêm Vương và Sao Hải Vương không thay đổi. Tuy nhiên, có nhiều sự cộng hưởng và tác động khác ảnh hưởng tới các chi tiết chuyển động tương đối của chúng, và tăng cường tính ổn định của Sao Diêm Vương. Chúng xuất hiện chủ yếu từ hai cơ cấu phụ trợ (ngoài sự cộng hưởng chuyển động trung bình 3:2).

Đầu tiên, cuộc tranh cãi về điểm cận nhật của Sao Diêm Vương, góc giữa điểm nơi nó cắt hoàng đạo và điểm nó ở gần Mặt Trời nhất, đu đưa quanh 90°. Điều này có nghĩa khi Sao Diêm Vương ở gần Mặt Trời nhất, nó đang ở điểm xa nhất phía trên mặt phẳng hoàng đạo của Hệ Mặt Trời, ngăn cản va chạm với Sao Hải Vương. Đây là hậu quả trực tiếp của cơ cấu Kozai, liên quan tới sự lệch tâm của một quỹ đạo với độ nghiêng của nó, liên hệ với một vật thể làm nhiễu động lớn hơn — trong trường hợp này là Sao Hải Vương. Liên quan tới Sao Hải Vương, biên độ dao động là 38°, và vì thế sự chia tách góc của điểm cận nhật của Sao Diêm Vương với quỹ đạo của Sao Hải Vương luôn lớn hơn 52° (= 90°–38°). Sự chia tách nhỏ nhất này diễn ra mối 10,000 năm.

Thứ hai, các kinh độ của giao điểm lên của hai vật thể — các điểm khi chúng cắt mặt phẳng hoàng đạo – ở cộng hưởng gần với sự đu đưa bên trên. Khi hai kinh độ trùng nhau — có nghĩa, khi một kinh độ có thể vẽ một đường thẳng xuyên qua cả hai điểm giao và Mặt Trời — điểm cận nhật của Sao Diêm Vương nằm chính xác tại 90°, và nó ở gần Mặt Trời Nhật khi ở đỉnh phía trên quỹ đạo Sao Hải Vương. Nói cách khác, khi Sao Diêm Vương nằm gần nhất các giao điểm của mặt phẳng quỹ đạo Sao Hải Vương, nó cũng ở xa nhất phía trên nó. Điều này được gọi là siêu cộng hưởng 1:1.

Để hiểu tình trạng của sự đu đưa, tưởng tượng một điểm quan sát phía trên cực, nhìn xuống đường hòng đạo từ một điểm ưu thế ở xa nơi các hành tinh chuyển động theo quỹ đạo ngược chiều kim đồng hồ. Sau khi vượt qua điểm giao lên, Sao Diêm Vương ở bên trong quỹ đạo Sao Hải Vương và chuyển động nhanh hơn, tiếp cận với Sao Hải Vương từ phía sau. Lực hút hấp dẫn mạnh giữa hai vật thể khiến động lượng góc từ Sao Hải Vương được chuyển sang Sao Diêm Vương. Điều này khiến Sao Diêm Vương đi vào một quỹ đạo hơi lớn hơn, nơi nó đi hơi chậm lại, tuân theo Định luật thứ ba của Kepler. Khi quỹ đạo thay đổi, nó dần tạo hiệu ứng thay đổi pericentre và các kinh độ của Sao Diêm Vương (và, ở mức độ nhỏ hơn, của Sao Hải Vương). Sau nhiều lần lặp lại như vậy, Sao Diêm Vương đã bị hãm lại ở mức đủ, và Sao Hải Vương cũng tăng tốc ở mức đỏ, khiến Sao Hải Vương bắt đầu bắt Sao Diêm Vương tại phía đối diện quỹ đạo của nó (gần điểm giao đối diện nơi chúng ta bắt đầu). Quá trình này sau đó lại đảo ngược, và Sao Diêm Vương mất động lượng góc cho Sao Hải Vương, cho tới khi Sao Diêm Vương tăng tốc đủ để nó bắt đầu bắt Sao Hải Vương một lần nữa ở điểm ban đầu. Toàn bộ quá trình hoàn thành trong khoảng 20,000 năm.

Còn nữa…
Theo Wikipedia