Titan: mặt trăng có khí quyển dày hơn Trái Đất và mưa mê-tan

Titan, mặt trăng lớn nhất của sao Thổ, là mặt trăng duy nhất trong hệ Mặt Trời có khí quyển dày: áp suất bề mặt khoảng 1,5 bar, cao hơn Trái Đất khoảng một nửa. Khí quyển gồm chủ yếu nitơ (khoảng 95–98%) và vài phần trăm mê-tan, phủ một lớp mù màu cam dày đặc. Ở nhiệt độ khoảng −179 °C, mê-tan trên Titan đóng vai trò như nước trên Trái Đất: tạo mây, rơi thành mưa, chảy thành sông và đọng thành biển.

Titan qua những con số

Vì trọng lực Titan yếu, để tạo ra áp suất 1,5 bar thì lượng khí đè trên mỗi mét vuông mặt đất phải nhiều hơn Trái Đất khoảng mười lần. Tổng khối lượng khí quyển Titan cũng lớn hơn của Trái Đất một chút, dù Titan nhỏ hơn nhiều. Không khí sát mặt đất đặc gấp khoảng bốn lần không khí ta thở.

Một hệ quả vui: trọng lực yếu cộng không khí đặc khiến về lý thuyết, một người đeo đôi cánh lớn và bộ đồ giữ nhiệt có thể tự vỗ cánh bay được trên Titan. Đây là phép tính thường được các nhà vật lý đưa ra để minh hoạ, không phải đề xuất thật.

Ai phát hiện khí quyển Titan

Titan được Christiaan Huygens phát hiện năm 1655. Năm 1944, Gerard Kuiper dùng phép phân tích quang phổ phát hiện mê-tan, chứng tỏ Titan có khí quyển. Năm 1980, tàu Voyager 1 bay sát Titan nhưng chỉ thấy một quả cầu mù cam không một kẽ hở; dữ liệu của nó cho thấy nitơ là thành phần chính và áp suất bề mặt khoảng 1,5 bar.

Bước ngoặt là sứ mệnh Cassini–Huygens (NASA, ESA và Cơ quan Vũ trụ Ý). Tàu Cassini vào quỹ đạo sao Thổ năm 2004 và bay qua Titan hơn một trăm lần, dùng ra-đa và camera hồng ngoại nhìn xuyên qua lớp mù. Ngày 14/1/2005, khoang đổ bộ Huygens của châu Âu dù xuống xuyên qua khí quyển khoảng hai tiếng rưỡi rồi đáp xuống mặt đất — đến nay vẫn là lần đổ bộ xa Trái Đất nhất. Cassini kết thúc năm 2017 bằng cách lao vào sao Thổ.

Chu trình mê-tan: "nước" của Titan

Trên Trái Đất, nước tồn tại ở cả ba thể nhờ nhiệt độ và áp suất phù hợp. Trên Titan, mê-tan (và một phần ê-tan) ở đúng tình thế đó.

• Bay hơi từ hồ, biển và đất ẩm.
• Mây mê-tan hình thành, thường ở tầng đối lưu thấp. Cassini và các kính thiên văn lớn chụp được mây xuất hiện theo mùa.
• Mưa: giọt mê-tan lớn hơn giọt nước mưa trên Trái Đất và rơi chậm hơn nhiều do không khí đặc và trọng lực yếu. Cassini từng thấy mặt đất sẫm màu sau các trận mưa lớn.
• Sông và biển: ảnh ra-đa cho thấy lòng sông phân nhánh và những biển lớn gần cực bắc, như Kraken Mare, Ligeia Mare, Punga Mare. Kraken Mare rộng hơn cả biển Caspi.

Năm 2005, ảnh từ Huygens lúc đang hạ xuống cho thấy những kênh dẫn như mạng sông nhỏ đổ về vùng thấp. Nơi Huygens đáp là một bãi bằng phẳng rải đầy "đá cuội" — thực chất là băng nước cứng như đá ở nhiệt độ đó, bị mài tròn như sỏi lòng suối.

Lớp mù cam: nhà máy hoá học trên cao

Ở tầng trên khí quyển Titan, tia cực tím Mặt Trời và các hạt mang điện từ từ quyển sao Thổ phá vỡ nitơ và mê-tan. Các mảnh này kết hợp lại thành những phân tử hữu cơ ngày càng phức tạp, cuối cùng tạo thành hạt mù gọi chung là tholin. Hạt mù rơi chậm xuống, phủ lên mặt đất và có lẽ góp phần tạo ra những cánh đồng cồn cát tối màu chạy dài quanh xích đạo Titan.

Lớp mù còn tạo ra hiệu ứng "chống nhà kính": nó hấp thụ ánh nắng ở trên cao và để tia hồng ngoại thoát ra, làm mặt đất mát hơn đôi chút. Trong khi đó nitơ và mê-tan dày đặc ở dưới lại gây hiệu ứng nhà kính. Hai tác động bù trừ nhau một phần.

Vì sao mê-tan vẫn còn khi liên tục bị phá huỷ? Các nhà khoa học tính rằng, nếu không có nguồn bổ sung, lượng mê-tan hiện nay sẽ cạn trong vòng vài chục triệu năm. Vậy hoặc có nguồn từ bên trong (như núi lửa băng giải phóng khí), hoặc ta đang thấy Titan ở một giai đoạn đặc biệt. Câu hỏi này chưa có lời giải chắc chắn.

Vì sao Titan giữ được khí quyển còn các mặt trăng khác không

Ganymede của sao Mộc còn lớn hơn Titan nhưng gần như không có khí quyển. Lời giải thích phổ biến dựa trên ba yếu tố:

1. Rất lạnh: ở xa Mặt Trời, phân tử khí chuyển động chậm, khó vượt tốc độ thoát ly.
2. Nguồn nitơ: nitơ của Titan có lẽ ban đầu nằm trong băng dưới dạng amoniac, rồi bị biến đổi thành nitơ. Tỷ lệ đồng vị do Huygens đo cho thấy nitơ có nguồn gốc từ vật liệu băng ban đầu.
3. Môi trường bức xạ: Titan ở xa sao Thổ hơn so với vị trí của Ganymede đối với sao Mộc, nên bị bức xạ từ quyển "bào" ít hơn.

Thứ tự vai trò của các yếu tố này vẫn còn được nghiên cứu.

Titan và câu hỏi về sự sống

Titan khiến các nhà sinh học vũ trụ chú ý vì hai lý do. Thứ nhất, bề mặt đầy hợp chất hữu cơ, như một phòng thí nghiệm khổng lồ mô phỏng hoá học tiền sự sống. Thứ hai, dữ liệu trọng lực từ Cassini cho thấy có một đại dương nước mặn dưới lớp vỏ băng. Nhưng ở −179 °C, mọi phản ứng diễn ra rất chậm, và chưa có bằng chứng nào về sự sống. Nhiều ý tưởng như "sự sống dùng mê-tan lỏng làm dung môi" vẫn chỉ là giả thuyết.

Góc nhìn hôm nay: sứ mệnh Dragonfly

NASA đã chọn sứ mệnh Dragonfly — một thiết bị bay nhiều cánh quạt chạy bằng năng lượng hạt nhân — để khám phá Titan, dự kiến phóng năm 2028 và tới nơi giữa thập niên 2030. Chính bầu khí quyển đặc và trọng lực yếu của Titan khiến việc bay ở đó dễ hơn trên Trái Đất nhiều. Dragonfly sẽ bay từ điểm này tới điểm khác, lấy mẫu đất và đo khí quyển.

Muốn tìm hiểu thêm: trang sứ mệnh Cassini của NASA lưu trữ ảnh ra-đa các biển phương bắc; ESA có video ghép từ ảnh Huygens lúc dù xuống. Với kính thiên văn nhỏ, Titan hiện ra như một chấm sao mờ cạnh sao Thổ — chấm sáng nhất trong các vệ tinh của nó.