Sao Thiên Vương và sao Hải Vương là hai "hành tinh băng khổng lồ" có khí quyển hydro – heli pha mê-tan, chính mê-tan làm chúng có màu xanh. Sao Hải Vương có gió nhanh nhất hệ Mặt Trời, khoảng 2.000 km/h; sao Thiên Vương có nơi lạnh nhất từng đo được trong khí quyển một hành tinh, khoảng −224 °C. Còn "mưa kim cương" trong lòng hai hành tinh là một giả thuyết có thí nghiệm ủng hộ, nhưng chưa ai quan sát trực tiếp.
Hai hành tinh xa nhất, ít được thăm nhất
Cả hai chỉ được một tàu vũ trụ bay qua: Voyager 2, ghé sao Thiên Vương tháng 1/1986 và sao Hải Vương tháng 8/1989. Phần lớn hiểu biết sau đó đến từ kính Hubble, các kính mặt đất lớn có quang học thích ứng, và gần đây là kính James Webb.
| Đại lượng (theo NSSDCA) | Sao Thiên Vương | Sao Hải Vương |
|---|---|---|
| Khí quyển trên (theo số phân tử) | H₂ ~82,5%, He ~15,2%, CH₄ ~2,3% | H₂ ~80%, He ~19%, CH₄ ~1,5% |
| Nhiệt độ ở mức 1 bar | ~−197 °C (76 K) | ~−201 °C (72 K) |
| Một ngày | ~17,2 giờ | ~16,1 giờ |
| Một năm | ~84 năm Trái Đất | ~165 năm Trái Đất |
| Độ nghiêng trục | ~98° (gần như nằm nghiêng) | ~28° |
| Nhiệt toả từ bên trong | Rất ít, gần như không | Khoảng 2,6 lần năng lượng nhận từ Mặt Trời |
Gọi là "băng khổng lồ" vì phần lớn khối lượng bên trong không phải hydro – heli như sao Mộc, sao Thổ, mà là hỗn hợp nước, amoniac, mê-tan ở dạng chất lỏng nóng, đặc dưới áp suất cực lớn. Chữ "băng" ở đây là cách các nhà khoa học hành tinh gọi nhóm chất này, không có nghĩa chúng đang đông cứng.
Vì sao hai hành tinh có màu xanh
Mê-tan hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ. Ánh nắng đi vào khí quyển, phần đỏ bị mê-tan "ăn" mất, phần xanh được tán xạ và phản xạ trở lại. Sao Hải Vương trông xanh đậm hơn sao Thiên Vương trong nhiều ảnh cũ, nhưng một nghiên cứu công bố năm 2024 do nhóm Patrick Irwin (Đại học Oxford) thực hiện cho thấy khi xử lý lại dữ liệu đúng màu, hai hành tinh có màu xanh lục lam khá giống nhau. Sắc xanh đậm của sao Hải Vương trong ảnh Voyager 2 một phần do ảnh đã được tăng tương phản. Sao Thiên Vương hơi nhạt hơn vì có lớp mù dày hơn.
Sao Hải Vương: gió nhanh nhất hệ Mặt Trời
Voyager 2 đo được gió trên sao Hải Vương lên tới khoảng 2.000 km/h (gần 600 m/s), nhanh hơn tốc độ âm thanh trên Trái Đất. Điều lạ là sao Hải Vương ở xa Mặt Trời gấp khoảng 30 lần Trái Đất, nhận nắng chỉ khoảng một phần nghìn. Năng lượng đâu nuôi gió mạnh như vậy?
Câu trả lời một phần là nguồn nhiệt bên trong: sao Hải Vương toả ra nhiều hơn nó nhận. Phần còn lại liên quan đến việc khí quyển rất lạnh và ít ma sát — một khi gió đã lên, nó gần như không bị cản. Đây vẫn là chủ đề nghiên cứu.
Vết Tối Lớn đến rồi đi
Năm 1989, Voyager 2 chụp được một cơn bão xoáy nghịch tối màu ở bán cầu nam, gọi là Vết Tối Lớn, cỡ đường kính Trái Đất. Năm 1994, khi kính Hubble nhìn lại, nó đã biến mất. Từ đó Hubble ghi nhận thêm vài vết tối mới, xuất hiện và tan đi trong vài năm. Khác với Vết Đỏ Lớn trên sao Mộc tồn tại ít nhất từ năm 1831, bão trên sao Hải Vương sống ngắn hơn nhiều. Đi kèm các vết tối thường có những đám mây mê-tan trắng sáng, giống mây "mũ" bám trên núi.
Sao Thiên Vương: hành tinh nằm nghiêng
Trục quay sao Thiên Vương nghiêng khoảng 98°, nghĩa là nó gần như lăn trên quỹ đạo. Mỗi cực có khoảng 42 năm ngày liên tục rồi 42 năm đêm liên tục. Khi Voyager 2 tới năm 1986, cực nam đang hướng gần thẳng về Mặt Trời, và hành tinh hiện ra gần như một quả cầu xanh nhạt trơn láng, hầu như không có mây.
Các nhà khoa học từng nghĩ sao Thiên Vương là hành tinh "nhàm chán". Nhưng khi sao Thiên Vương tiến dần tới điểm phân năm 2007, các kính Hubble và Keck thấy nhiều mây và bão hơn hẳn. Gần đây, chỏm sáng ở cực bắc lại nổi rõ khi bán cầu bắc vào xuân.
Sao Thiên Vương toả nhiệt bên trong rất ít, khác hẳn ba hành tinh khí khổng lồ còn lại. Đây là một trong những câu hỏi lớn chưa có lời đáp; một số giả thuyết liên hệ nó với một vụ va chạm lớn trong quá khứ — cũng là cách giải thích phổ biến cho độ nghiêng trục — hoặc với cấu trúc lớp bên trong cản nhiệt thoát ra. Khí quyển sao Thiên Vương có điểm lạnh nhất đo được khoảng 49 K, tức khoảng −224 °C.
"Mưa kim cương": giả thuyết, thí nghiệm và giới hạn
Ý tưởng từ đâu
Năm 1981, nhà vật lý Marvin Ross đề xuất rằng ở sâu hàng nghìn kilômét trong sao Thiên Vương và sao Hải Vương, áp suất và nhiệt độ cực lớn có thể tách carbon khỏi mê-tan và nén nó thành kim cương. Kim cương nặng hơn môi trường xung quanh nên sẽ chìm dần xuống — từ đó có cách gọi "mưa kim cương".
Thí nghiệm ủng hộ
- 2017: nhóm của Dominik Kraus dùng tia laser cực mạnh tại phòng thí nghiệm SLAC (Mỹ) tạo sóng xung kích trong nhựa polystyren (chứa carbon và hydro), và quan sát thấy hạt kim cương kích thước nano hình thành trong tích tắc. Kết quả công bố trên Nature Astronomy.
- 2022: thí nghiệm tương tự với nhựa PET (có thêm oxy, gần với thành phần thật hơn) cho thấy oxy còn giúp kim cương hình thành dễ hơn.
Vì sao vẫn là giả thuyết
- Chưa có tàu, kính hay thiết bị nào nhìn thấy kim cương trong hai hành tinh. Chúng ta chỉ thấy được lớp khí trên cùng.
- Thí nghiệm laser chỉ kéo dài phần tỷ giây, mẫu nhỏ, và điều kiện chưa hoàn toàn giống bên trong hành tinh.
- Mô hình bên trong hai hành tinh còn nhiều chỗ chưa chắc; nếu nhiệt độ hoặc thành phần khác dự đoán, kim cương có thể không hình thành hoặc tan ra.
Cách nói đúng: "Nhiều nhà khoa học cho rằng trong lòng sao Thiên Vương và sao Hải Vương có thể có mưa kim cương; thí nghiệm ủng hộ khả năng này nhưng chưa có quan sát trực tiếp." Lưu ý thêm: "mưa" này diễn ra rất sâu bên trong, không phải trong lớp khí quyển ta nhìn thấy.
Góc nhìn hôm nay: lần trở lại còn chờ
Năm 2022, bản khảo sát định hướng mười năm của Viện Hàn lâm Khoa học Mỹ xếp một sứ mệnh bay quanh và thả khoang thăm dò vào sao Thiên Vương là ưu tiên hàng đầu trong nhóm sứ mệnh lớn. Lý do một phần vì cửa sổ phóng thuận lợi nhờ hỗ trợ hấp dẫn của sao Mộc vào đầu thập niên 2030. Kế hoạch cụ thể còn phụ thuộc ngân sách.
- Muốn ngắm: sao Thiên Vương ở giới hạn mắt thường nơi trời rất tối, dễ tìm bằng ống nhòm như một chấm xanh lục nhạt. Sao Hải Vương cần kính thiên văn, hiện như chấm xanh rất nhỏ.
- Muốn xem ảnh mới: ảnh hồng ngoại của kính James Webb cho thấy vành đai mỏng và mây sáng của cả hai hành tinh.
- Muốn số liệu gốc: các trang Uranus Fact Sheet và Neptune Fact Sheet của NSSDCA.
Câu hỏi thường gặp
Hành tinh nào có gió mạnh nhất hệ Mặt Trời?
Sao Hải Vương, với gió đo được tới khoảng 2.000 km/h, gần 600 m/s. Dù ở rất xa Mặt Trời, nó có nguồn nhiệt bên trong và khí quyển ít ma sát nên gió giữ được tốc độ rất cao.
Mưa kim cương trên sao Thiên Vương có thật không?
Đó là giả thuyết, chưa được quan sát trực tiếp. Thí nghiệm laser năm 2017 và 2022 cho thấy kim cương nano có thể hình thành từ hợp chất carbon – hydro ở áp suất cực lớn, ủng hộ ý tưởng này. Nếu có, "mưa" diễn ra sâu hàng nghìn km bên trong, không phải ở lớp khí ta thấy.
Vì sao sao Thiên Vương và sao Hải Vương màu xanh?
Vì khí mê-tan trong khí quyển hấp thụ ánh sáng đỏ, để lại ánh sáng xanh được phản xạ. Nghiên cứu năm 2024 cho thấy màu thật của hai hành tinh khá giống nhau, sao Hải Vương không xanh đậm như ảnh Voyager 2 đã tăng tương phản.
Vì sao sao Thiên Vương nằm nghiêng?
Trục quay nghiêng khoảng 98°, có lẽ do một hoặc vài vụ va chạm lớn thời hành tinh mới hình thành. Hệ quả là mỗi cực có khoảng 42 năm ngày rồi 42 năm đêm liên tục.
Có tàu nào đã tới sao Thiên Vương, sao Hải Vương chưa?
Chỉ có Voyager 2, bay qua sao Thiên Vương năm 1986 và sao Hải Vương năm 1989. Một sứ mệnh mới tới sao Thiên Vương đã được giới khoa học Mỹ xếp ưu tiên cao, nhưng chưa có lịch phóng chắc chắn.
