Sao Mộc: hành tinh quay nhanh nhất và chiếc phanh vô hình

Sao Mộc rộng gấp hơn 11 lần Trái Đất và nặng gấp 318 lần, vậy mà chỉ cần 9 giờ 55 phút để hoàn thành một vòng tự quay. Tại xích đạo, lớp mây của nó chạy với vận tốc khoảng 45.000 km/h — nhanh gấp khoảng 27 lần vận tốc quay xích đạo của Trái Đất. Không hành tinh nào trong Hệ Mặt Trời quay nhanh hơn.

Ba nguyên nhân cộng lại tạo ra con số đó.

Bảo toàn mô-men động lượng

Sao Mộc hình thành sớm nhất và đã vét phần lớn khí bụi còn lại trong đĩa Mặt Trời, tích tụ khối lượng lớn hơn tất cả các hành tinh còn lại cộng lại tới 2,5 lần. Vật chất rơi vào từ một vùng đĩa rất rộng, mang theo mô-men động lượng của cả vùng đó.

Khi khối vật chất ấy co lại thành một quả cầu nhỏ hơn nhiều lần, mô-men động lượng phải được bảo toàn, nên tốc độ quay tăng vọt — đúng nguyên lý một vũ công trượt băng thu tay vào sát người để xoay nhanh hơn.

Bồi tụ mất kiểm soát

Theo mô hình của Pollack và cộng sự (1996), khi khối lượng khí trong lớp vỏ bắt kịp khối lượng lõi rắn, hành tinh bước vào giai đoạn bồi tụ khí mất kiểm soát (runaway gas accretion): hydro và heli quanh nó không rơi vào từ tốn nữa mà đổ xuống rất nhanh. Khối khí ấy đến từ đĩa đang quay quanh Sao Mộc, nên nó mang theo cả mô-men động lượng của đĩa chứ không chỉ mang khối lượng.

Không có bề mặt rắn để hãm

Trái Đất đang quay chậm dần. Thuỷ triều do Mặt Trăng gây ra kéo lê trên đáy đại dương và lớp vỏ rắn; đo từ ghi chép nhật thực suốt 2.700 năm, ngày dài thêm trung bình khoảng 1,8 mili giây mỗi thế kỷ.

Ở Sao Mộc, cơ chế đó gần như không có tác dụng. Nó không có bề mặt rắn, không có đại dương nước đè lên đáy đá. Hãm thuỷ triều do các vệ tinh gây ra thì vẫn có — tiêu tán thuỷ triều ở Sao Mộc đã được đo — nhưng lượng mô-men động lượng bị lấy đi là không đáng kể so với mô-men động lượng quay khổng lồ của hành tinh.

Hệ quả thì nhìn thấy được ngay trên ảnh chụp: quay nhanh tới mức lực ly tâm làm Sao Mộc phình ra ở xích đạo và dẹt ở hai cực. Bán kính xích đạo lớn hơn bán kính cực khoảng 4.600 km — độ dẹt khoảng 6,5%.

Chiếc phanh vô hình

Nếu quá trình bồi tụ chỉ bơm mô-men động lượng vào mà không có gì lấy ra, tốc độ quay sẽ tăng cho tới khi lực ly tâm ở xích đạo vượt lực hấp dẫn và hành tinh không còn giữ nổi chính nó. Cơ chế được cho là đã ghìm bớt vòng quay ấy gọi là phanh từ tính — cùng cơ chế giới thiên văn dùng để giải thích vì sao các ngôi sao trẻ không quay nhanh vô hạn.

Nó hoạt động qua ba bước.

Đĩa khí bị ion hoá. Hành tinh non trẻ toả nhiệt rất mạnh, đủ để hâm nóng phần trong của đĩa khí quanh nó tới mức các nguyên tố dễ mất electron bắt đầu ion hoá. Đĩa chuyển sang trạng thái plasma — gồm ion và electron tự do, tức là dẫn điện.

Từ trường bám lấy plasma. Chính nguồn nhiệt ấy cũng nuôi một dynamo trong lòng hành tinh non trẻ, sinh ra từ trường mạnh — hậu duệ của nó là từ trường Sao Mộc ngày nay, do dòng hydro kim loại lỏng duy trì và mạnh nhất trong các hành tinh của Hệ Mặt Trời. Các đường sức từ vươn rộng ra không gian, và vì plasma dẫn điện không thể cắt ngang đường sức một cách tự do, chúng bám vào đĩa khí bao quanh như những nan hoa vô hình.

Mô-men động lượng bị kéo ra ngoài. Đường sức từ quay theo hành tinh, còn plasma ở xa quay chậm hơn. Độ lệch vận tốc đó bẻ cong đường sức và sinh ra lực ghì ngược chiều quay: dòng plasma mang điện di chuyển xuyên qua từ trường sinh ra dòng điện cảm ứng, và dòng điện cảm ứng lại sinh ra lực chống lại chính chuyển động đã tạo ra nó. Kết quả là mô-men động lượng được truyền từ hành tinh ra đĩa khí bên ngoài, rồi theo dòng khí thoát khỏi vùng ảnh hưởng của hành tinh, khiến hành tinh quay chậm lại — hệt như thả một đĩa nam châm đang xoay vào chậu chất lỏng dẫn điện.

Cần nói rõ: diễn biến chi tiết của quá trình này ở Sao Mộc vẫn là mô hình lý thuyết, dựng lại từ những gì quan sát được ở các sao trẻ và đĩa bồi tụ. Không ai chứng kiến giai đoạn đó, và các con số cụ thể còn đang được tranh luận.