Nghiên cứu: Mặt trăng Io của Sao Mộc có thể đã hoạt động núi lửa từ 4,5 tỷ năm qua

Kể từ khi tàu sứ mệnh Voyager gửi về Trái đất các hình ảnh về việc vệ tinh Io của Sao Mộc phun tro bụi vào không gian, con người đã dần xây dựng được một bức tranh rõ ràng hơn về hoạt động của núi lửa trên vệ tinh Io. Người ta bắt đầu thấy rõ rằng Io - nhỏ hơn Sao Thủy một chút - là hành tinh có hoạt động núi lửa mạnh mẽ nhất trong Hệ Mặt trời do được thúc đẩy bởi lực hấp dẫn của sao Mộc và 3 mặt trăng khổng lồ khác của nó. Io có nhiều núi lửa đến nỗi bề mặt của nó đã được biến cải hoàn toàn và không có dấu tích của các miệng hố va chạm.

Mới đây vào ngày 16/4, có thêm một vài chi tiết khác về hoạt động dữ dội của nó được sáng tỏ. Đó là những hình ảnh mới được Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản Lực (JPL) công bố về các đặc điểm của Io, bao gồm một hòn đảo bên trong hồ dung nham, do tàu Juno chụp từ quỹ đạo. Đồng thời các hình ảnh được thực hiện bằng dãy kính viễn vọng ALMA trên Trái đất đã cung cấp một số dấu hiệu cho thấy hoạt động của núi lửa đã liên tục định hình Io ngay từ khi nó hình thành tới nay.


Minh họa quang cảnh trên Mặt trăng Io.

Hồ dung nham và sườn núi dốc đứng

Nhiệm vụ của tàu quỹ đạo Juno chủ yếu tập trung vào Sao Mộc, gồm nghiên cứu sự chuyển động của các cơn bão trên Sao Mộc và thành phần bên trong cơn bão, nhưng Juno cũng đi ngang qua Io nhờ nhiều đường bay trong quỹ đạo của mình. Juno bay ngang qua Io vào tháng 12/2023 và tháng 2/2024, cách bề mặt Io khoảng 1.500 km và thu được những hình ảnh cận cảnh đầu tiên về nửa bán cầu trên của nó.

Các nhà khoa học trong sứ mệnh Juno đã chuyển đổi dữ liệu thu thập được trong hai chuyến bay này thành hai video ngắn nêu bật lên hai đặc điểm ấn tượng nhất của mặt trăng Io: Cảnh quay thứ nhất cho thấy hồ dung nham Loki Patera với một hòn đảo bên trong và cảnh quay thứ nhì mô tả những sườn núi dốc đứng của Núi Tháp chuông trên Io.


Hồ dung nham Loki Patera. Nguồn: YT.

Nhìn kỹ hơn vào hồ, đội ngũ phụ trách tàu Juno nhận thấy nhiều khu vực của hồ cực kỳ nhẵn mịn, làm dấy lên khả năng rằng thủy tinh hắc thạch (obsidian) đã hình thành trên bề mặt của nó và ở đây nó đủ nguội để đông đặc lại - dù họ chưa chắc nó có đúng là hắc thạch hay không. Do mức độ hoạt động mạnh của núi lửa trên Io, điều này cũng có thể rất phổ biến ở các nơi khác thay vì chỉ có tại Loki Patera.

Bolton - nhà nghiên cứu chính của tàu Juno - cho biết: “Io có nhiều núi lửa và một vài trong số chúng đang hoạt động. Chúng tôi có được một số ảnh chụp cận cảnh và dữ liệu khác về hồ dung nham Loki Patera dài 200 km, với một hòn đảo lớn nằm giữa hồ có khả năng bị bao quanh bởi dung nham nóng chảy. Hình ảnh mà các thiết bị của chúng tôi ghi lại về hồ cho thấy nhiều phần trên bề mặt của Io nhẵn mịn như thủy tinh, gợi nhớ đến loại thủy tinh hắc thạch được tạo ra từ núi lửa trên Trái đất.”


Video mô tả Núi Tháp chuông trên Io.

Clo và lưu huỳnh trên Io

Ngoài ra, một nhóm nghiên cứu có trụ sở tại Mỹ đã sử dụng Dãy kính Thiên văn Vô tuyến Atacama (ALMA) để ghi lại lượng bức xạ điện từ phát ra từ các nguyên tử trong bầu khí quyển khiêm tốn của Io. Bằng cách kết hợp sức mạnh hình ảnh của nhiều kính thiên văn nhỏ hơn nằm rải rác trên cao nguyên, ALMA có thể phát hiện ra sự khác biệt khu vực trong sự hiện diện của các nguyên tố cụ thể trong bầu khí quyển của Io, nó cũng có thể xác định các đồng vị khác nhau của các nguyên tố đó.

Bất kỳ nguyên tử nào đi tới tầng trên bầu khí quyển của Io đều có nguy cơ bị lạc vào không gian và các đồng vị nhẹ hơn dễ lạc hơn do khối lượng nguyên tử của chúng. Cho nên việc so sánh tỷ lệ hiện diện của các nguyên tố trong bầu khí quyển với tỷ lệ dự kiến là khả thi, và người ta có thể đưa ra suy luận về lịch sử mất mát của các đồng vị nhẹ hơn. Hơn nữa, vì ngay từ đầu lượng vật chất này được đưa vào khí quyển bởi núi lửa nên nó cũng cho chúng ta biết luôn về lịch sử của núi lửa.


Bề mặt nhiều núi lửa của vệ tinh Io.

Họ tập trung vào hai nguyên tố cụ thể: lưu huỳnh và clo. Lưu huỳnh có hai đồng vị không phóng xạ phổ biến với số khối 32 và 34, còn clo là 35 và 37. Từ các núi lửa, clo đi vào khí quyển chủ yếu dưới dạng muối natri và kali, đồng thời bị phân hủy nhanh chóng khi tiếp xúc với ánh sáng và bức xạ. Dữ liệu từ ALMA cho thấy cả hai loại muối này đều khu trú ở vài khu vực nhất định, có thể tương ứng với các khối núi lửa đang hoạt động. Dữ liệu từ các đồng vị clo khá nhiễu nên chỉ được dùng để kiểm tra độ chính xác cho dữ liệu thu được từ các đồng vị lưu huỳnh.

Hoạt động núi lửa đã xảy ra từ 4,5 tỷ năm qua

Lưu huỳnh phần lớn nằm dưới dạng oxit và tồn tại lâu hơn nhiều, vì vậy nó phân bố rộng rãi hơn trong khí quyển Io. Có sự khác biệt về đồng vị giữa mặt đối diện với Sao Mộc và mặt tối của Io, thế nên các nhà nghiên cứu đã lấy giá trị trung bình của cả hai. Mức trung bình đó cho thấy sự dư thừa rất lớn của đồng vị lưu huỳnh nặng hơn (³⁴S) so với mức trung bình của Hệ Mặt trời.

Một lần phun trào vào khí quyển không thể nào tạo ra lượng dư thừa đó. Vì vậy người ta đoán rằng Io đã “tái chế” sulfur dioxit trong bầu khí quyển, đưa nó quay lại bề mặt rồi phun nó lại vào khí quyển nhiều lần thông qua các núi lửa. Dựa vào tốc độ mất khối lượng hiện tại, họ tính toán rằng hoạt động núi lửa của Io đã có từ lúc mặt trăng này hình thành, nghĩa là chúng đã hoạt động địa chất trong toàn bộ lịch sử dài 4,5 tỷ năm của Io.

Các tính toán tương tự cho thấy tốc độ hao hụt này có nghĩa là Io đã cạn kiệt khoảng 95% lượng lưu huỳnh có sẵn trong hệ thống núi lửa của nó. Các nhà nghiên cứu cho rằng vẫn còn nhiều lưu huỳnh trên Io, rất có thể được pha trộn với sắt trong lõi của nó. Nhưng sự cạn kiệt lớn của đồng vị nhẹ hơn (³²S) cho thấy rằng lưu huỳnh trong lõi không tham gia vào hoạt động núi lửa, mà chỉ có lượng lưu huỳnh từ chính các núi lửa mà thôi.

Điều này hàm ý rằng Io có một hệ thống hay cơ chế bí ẩn nào đó đang đưa sulfur dioxit phun trào lên bề mặt ngược lại xuống dưới lòng đất của hành tinh và ở đó nó có thể tham gia vào hoạt động núi lửa một lần nữa. Do không có dấu hiệu nào về sự kiến tạo mảng trên Io, cho nên vẫn chưa có kết luận rõ ràng nào về cơ chế đứng sau quá trình “tái chế” lưu huỳnh này.

Theo SN.