Tổng quan về mặt trăng Enceladus của sao Thổ

2.398

Enceladus là vệ tinh lớn thứ sáu của Sao Thổ. Nó được nhà thiên văn học William Herschel phát hiện vào năm 1789 khi lần đầu tiên sử dụng kính thiên văn lớn nhất thế giới lúc bấy giờ có đường kính 1,2m.

Trước những năm 1980 (thời điểm 2 tàu vũ trụ Voyager bay ngang qua Enceladus), người ta biết rất ít về Enceladus ngoài việc trên bề mặt vệ tinh này có nước. Enceladus có đường kính khoảng 500km, bằng 1/10 kích thước của Titan, vệ tinh lớn nhất của Sao Thổ.

Nó là thiên thể phản xạ ánh sáng mạnh nhất trong hệ Mặt trời (gần như 100%). Tàu Voyager 1 phát hiện thấy quỹ đạo của Enceladus nằm trong vùng dày nhất của vành đai phân tán E. Người ta cho rằng vành đai này được hình thành từ vật chất phun lên từ cực Nam của Enceladus. Tàu Voyager 2 cho thấy vệ tinh này mặc dù rất nhỏ nhưng lại có một địa hình phức tạp: từ những vùng cổ xưa nhiều miệng hố thiên thạch cho đến những vùng trẻ mới được kiến tạo. Một số vùng có lớp bề mặt mới được tạo ra trong khoảng 100 triệu năm trước đây.

Mặt trăng Enceladus của sao Thổ.

Tàu Cassini hiện đang quay quanh Sao Thổ đã cung cấp cho chúng ta thêm nhiều dữ liệu mới về Enceladus. Trong năm 2005, Cassini đã bay rất gần Enceladus, chụp ảnh và phân tích chi tiết bề mặt cũng như môi trường trên Enceladus. Một số trong các dữ liệu thu thập được đã giúp chúng ta trả lời những câu hỏi đã đặt ra sau lần khám phá đầu tiên bởi tàu Voyager, một số lại khiến chúng ta đặt ra những câu hỏi mới.

Cụ thể, Cassini phát hiện thấy những cột vật chất chứa nước phun lên từ cực nam của vệ tinh. Cùng với việc phát hiện thấy sự thất thoát nhiệt và sự tồn tại của bề mặt mịn và ít hố thiên thạch ở vùng cực nam, người ta khẳng định được rằng Enceladus hiện vẫn có những hoạt động địa chất. Điều này có thể giải thích được bởi Enceladus là vệ tinh của một gas giant (hành tinh khí khổng lồ). Những hành tinh như vậy thường có một hệ thống vệ tinh với quỹ đạo phức tạp. Một số trong các vệ tinh này cộng hưởng quỹ đạo với nhau, chúng không ổn định hoặc có độ dẹt quỹ đạo nhất định. Vì vậy lực hấp dẫn của hành tinh lên các vệ tinh này luôn luôn thay đổi, khiến cho các tầng bề mặt của vệ tinh co giãn theo chu kì quỹ đạo, tạo ra nhiệt lượng.

Enceladus là một trong ba thiên thể (ngoài Trái Đất) có hiện tượng phun trào vật chất (cùng với vệ tinh Io của Sao Mộc và Triton của Sao Hải Vương. Phân tích khí thoát ra từ các vụ phun trào này cho thấy chúng bắt nguồn từ một lớp nước phía dưới bề mặt của vệ tinh. Cùng với những chất hoá học cũng được tìm thấy trong các vụ phun trào nói trên, người ta cho rằng Enceladus là một thiên thể đặc biệt rất quan trọng cho việc nghiên cứu sinh học vũ trụ. Hiện tượng nói trên cũng củng cố cho giả thuyết vành đai E bắt nguồn từ vật chất trên Enceladus đã được nêu ra trước đó.

Quỹ đạo của Enceladus

Quỹ đạo của Enceladus (có màu đỏ) nhìn từ cực Bắc của Sao Thổ.

Enceladus là một vệ tinh lớn nằm ở nhóm trong của các vệ tinh Sao Thổ. Tính theo khoảng cách từ tâm Sao Thổ, Enceladus là vệ tinh thứ 14. Nó nằm trong khu vực dày đặc nhất của vành đai E, vành đai nằm ngoài cùng trong những vành đai của Sao Thổ. Vành đai này bắt đầu từ quỹ đạo của Mimas và kéo dài đến gần quỹ đạo của Rhea, chứa các hạt băng và bụi rất nhỏ.

Enceladus cách tâm và bề mặt Sao Thổ lần lượt là 238.000km và 180.000km (bề mặt tính từ tầng khí quyển cao nhất của Sao Thổ). Quỹ đạo của nó nằm ở giữa quỹ đạo của Mimas và Tethys. Nó quay một vòng hết 32,9 tiếng, đủ nhanh để người quan sát từ mặt đất có thể quan sát chuyển động của nó chỉ trong 1 đêm. Enceladus và Dione tạo với nhau cộng hưởng quỹ đạo tỉ lệ 2:1 (Enceladus quay hết 2 vòng trong khi Dione quay hết 1 vòng quanh Sao Thổ). Hiện tượng cộng hưởng khiến cho quỹ đạo của Enceladus duy trì được độ dẹt tương đối (tâm sai 0,0047) tạo nguồn nội nhiệt cho các hoạt động địa chất của nó.

Giống như các vệ tinh lớn hơn của Sao Thổ, Enceladus luôn chỉ quay một mặt về phía Sao Thổ. Không giống như Mặt trăng, Enceladus không dao động xung quanh trục quay (ít nhất là không dao động nhiều hơn 1,5°). Mặc dù vậy, phân tích hình dạng của Enceladus vẫn cho thấy tại một số thời điểm, Enceladus có các dao động quay thứ cấp cưỡng bức 1:4. Dao động này cùng với cộng hưởng quỹ đạo cùng với Dione, tăng thêm nhiệt năng cho Enceladus.

Kích cỡ của mặt trăng Enceladus

Enceladus là một trong những vệ tinh nhỏ nhất có đủ khối lượng để có dạng hình cầu. Đường kính trung bình của vệ tinh là khoảng 505km, bằng 1/7 mặt trăng. Vệ tinh này nhỏ tới mức nó có kích thước tương đương với Vương quốc Anh. Khi đem so sánh có thể thấy Enceladus dễ dàng chui vừa trong những bang như Arizona hay Colorado của Mỹ. Diện tích bề mặt của vệ tinh là khoảng 800.000 m², gấp gần 2 lần rưỡi diện tích Việt Nam.

Kích thước của Enceladus so với Vương quốc Anh.

Enceladus là vệ tinh có kích thước và khối lượng đứng thứ 6 trong các vệ tinh của Sao Thổ, sao Titan (5.150km), Rhea (1.530km), Iapetus (1.440km), Dione (1.120km) và Tethys (1.050km). Mimas là vệ tinh có hình cầu duy nhất nhỏ hơn Enceladus trong số các vệ tinh của Sao Thổ (ngoài ra còn có vệ tinh Miranda của Sao Thiên Vương nhỏ hơn Enceladus cũng có hình cầu).

Enceladus có hình dạng elipsoid hơi dẹt, các chiều của nó theo tính toán từ các bức ảnh được chụp từ bộ phận chụp ảnh ISS của Cassini là: 513(a)×503(b)×497(c) km.

Trong đó:

(a) tương ứng là khoảng cách giữa 2 giao điểm của trục tâm Sao Thổ - tâm Enceladus với bề mặt Enceladus.
(b) là khoảng cách giữa 2 cực trên bề mặt hướng theo chiều quay và bề mặt hướng theo chiều ngược lại.
(c) là khoảng cách giữa 2 cực bắc và nam. Như vậy vệ tinh quay xung quanh trục ngắn, còn trục dài định hướng theo trục hướng tâm.

Bề mặt của Enceladus

Một bức ảnh bề mặt của Enceladus.

Tàu Voyager 2 là tàu vũ trụ đầu tiên đến gần bề mặt của Enceladus và chụp ảnh vệ tinh này ở mức độ tương đối chi tiết. Từ những bức ảnh này người ta đã nhận thấy ít nhất 5 kiểu địa hình trên bề mặt của Enceladus, gồm có những vùng nhiều hố thiên thạch, những bình nguyên bằng phẳng mới được hình thành bao bởi địa hình rặng núi.

Thêm vào đó là các vết nứt xếp tuyến tính và các sườn băng. Các vùng bình nguyên bằng phẳng không có hố thiên thạch được hình thành gần đây, trong khoảng vài trăm triệu năm. Khi đó người ta đã nhận thấy rằng chắc chắn Enceladus cho đến gần đây phải có các hoạt động địa chất như sự phun trào của băng hay nước hoặc các quá trình khác làm thay đổi bề mặt. Lớp băng mới không lẫn bụi trên các vùng bề mặt của Enceladus khiến cho nó phản xạ ánh sáng rất mạnh (có thể là mạnh nhất trong hệ Mặt trời) với suất phản xạ hình học là 1,38 và suất phản xạ Bond là 0,99 (phản xạ 99% năng lượng điện từ). Do phản xạ hầu hết ánh sáng mặt trời nên nhiệt độ bề mặt vệ tinh rất thấp (khoảng −198 °C), có thể là thấp nhất trong các vệ tinh của Sao Thổ.

Tương tác với vành đai E của Sao Thổ

Quỹ đạo của Enceladus nhìn từ phía bên, cho thấy vị trí của nó trong vành đai E.

Vành đai E là vành đai nằm ngoài cùng và là vành đai rộng nhất trong các vành đai của Sao Thổ. Nó kéo dài từ quỹ đạo của Mimas đến gần quỹ đạo của Rhea. Một số quan sát còn cho rằng vành đai E thậm chí còn trải rộng đến quỹ đạo của Titan, tức là rộng 1.000.000km. Mặc dù rất rộng nhưng vật chất trong vành đai rất loãng, gồm có bụi và băng hiển vi. Vì quá loãng và trải rộng nên vành đai rất không ổn định. Nếu không có nguồn cung cấp thay thế, vành đai E sẽ nhanh chóng biến mất trong khoảng từ 10.000 đến 1.000.000 năm. Enceladus nằm trong dải hẹp nhất và dày đặc vật chất nhất của vành đai nên trước đây người ta đã giả thiết rằng vật chất thoát ra từ Enceladus đã hình thành nên vành đai. Giả thuyết này đã được củng cố từ những tư liệu của tàu Cassini.