Bề mặt của vệ tinh Enceladus của Sao Thổ là một vùng đất hoang nơi nhiệt độ hiếm khi tăng trên –200°C. Gần cực nam, mặt đất rung chuyển trước khi một vụ nổ núi lửa lớn xuyên qua lớp băng. Nhưng đó không phải là dung nham, đó là nước.
Enceladus, giống như nhiều mặt trăng băng giá của các hành tinh bên ngoài Hệ Mặt trời, đóng vai trò là vật chủ của hiện tượng núi lửa lạnh, thuật ngữ dường như mâu thuẫn với hoạt động núi lửa xảy ra ở nhiệt độ dưới mức đóng băng hàng trăm độ.
Trong khi địa chất băng giá này cũng được cho là diễn ra trên một số hành tinh lùn như Ceres và Pluto, các mặt trăng băng giá của Hệ Mặt trời đã cho các nhà khoa học hành tinh thấy điều gì thúc đẩy quá trình đông lạnh.
Cryovolcanism sẽ không thể thực hiện được nếu không có lớp chất lỏng dưới lớp vỏ hoạt động như một lớp phủ.
Ý tưởng về một hành tinh có hoạt động núi lửa lạnh chưa bao giờ được xem xét trước các sứ mệnh của Du hành, vì người ta cho rằng các mặt trăng băng giá sẽ bị đóng băng ở thể rắn.
Chúng cách xa Mặt trời đến mức nhiệt độ bề mặt của chúng thấp hơn vài trăm độ so với 0ºC và tất cả nhiệt dư – thứ giữ cho lớp phủ của hành tinh chúng ta không bị đông đặc – lẽ ra phải tiêu tan. Không có lớp phủ thì không thể có núi lửa.
Tuy nhiên, điều mà các nhà khoa học hành tinh không tính đến là sự giằng co thủy triều giữa các mặt trăng khác nhau và hành tinh của chúng. Lực hấp dẫn này làm uốn cong các mặt trăng, giữ cho các lớp chuyển động và ngăn không cho chúng bị đóng băng hoàn toàn.
Thay vì bị đóng băng, những mặt trăng này có đại dương nước lỏng sâu hàng chục km, bị kẹp giữa lớp vỏ băng giá và lõi đá.
Trong hầu hết các trường hợp, có thể xác định sự hiện diện của một lớp băng như vậy bằng cách quan sát từ trường của mặt trăng. Vì các đại dương chứa một số muối nên chúng hoạt động như một chất lỏng dẫn điện và chuyển động của chúng có thể tác động hoặc thậm chí tạo ra từ trường.
Những trường này sau đó có thể được theo dõi trực tiếp từ quỹ đạo bằng tàu vũ trụ hoặc gián tiếp bằng cách quan sát cực quang của chúng.
Ý tưởng về một “núi lửa đóng băng” kỳ lạ đến mức nó thậm chí chưa bao giờ được coi là một khả năng cho đến khi các sứ mệnh Du hành vào năm 1979.
Trong khi bay qua các mặt trăng của Sao Mộc và Sao Thổ, hai tàu vũ trụ đã gửi về những hình ảnh trông rất quen thuộc với các nhà nghiên cứu núi lửa trên mặt đất: chúng cho thấy những đồng bằng dung nham mịn, những ngọn núi giống như núi lửa và miệng núi lửa.
Các nhà khoa học khi phân tích các hình ảnh đã tự hỏi liệu đây có phải là một bản sao kỳ lạ, lạnh giá của hoạt động núi lửa mà chúng ta biết rất rõ trong Hệ Mặt trời bên trong hay không.
Rosaly Lopes, một nhà địa chất hành tinh tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA, cho biết: “Trông nó giống như núi lửa, chỉ có điều chúng tôi biết đó không phải là đá nóng chảy vì mật độ của những mặt trăng này quá thấp để có thể là đá.
Nhưng phát súng thực sự đến vào năm 1989, khi Du hành 2 bay qua mặt trăng Triton của Sao Hải Vương và nhìn thấy một cột nước dâng cao 8km trên bề mặt – một vụ phun trào băng giá phun ra từ một lớp nước lỏng bên dưới bề mặt.
Các nhà thiên văn học đã đặt ra thuật ngữ núi lửa lạnh để giải thích hiện tượng mới trong đó băng hoạt động như đá và nước là dung nham.
Nhưng các nhà Du hành đã bị cuốn theo mục tiêu của họ, chỉ cho một cái nhìn thoáng qua về những thế giới mà họ đã đi qua. Mãi cho đến khi Cassini bắt đầu quay quanh Sao Thổ vào năm 2004, chúng ta mới có cái nhìn thực tế đầu tiên về một thế giới hoạt động theo kiểu núi lửa lạnh.
Khi Cassini đến Enceladus, nó đã tìm thấy bằng chứng về một lớp chất lỏng ẩn bên dưới lớp vỏ, đóng vai trò như một lớp phủ.
Bằng chứng trực tiếp đầu tiên về một điều gì đó đang diễn ra tích cực trong thời gian thực xuất hiện vào năm 2005, khi tàu vũ trụ nhìn thấy một đám mây nước trên bề mặt.
Sau đó, những hình ảnh được chụp từ Hệ thống phụ khoa học hình ảnh của Cassini đã xác nhận sự hiện diện của các tia nước đến từ bề mặt của mặt trăng và rõ ràng là nước lỏng đang sủi bọt từ một lớp dưới lớp vỏ của Enceladus và tiêu tán vào không gian với tốc độ 1.300 km mỗi giờ.
Một đám mây tương tự đã được nhìn thấy đến từ cực nam của mặt trăng Europa của Jovian vào năm 2012, cho thấy hiện tượng núi lửa lạnh có thể được tìm thấy trên khắp Hệ Mặt trời của chúng ta. Tuy nhiên, vì các quá trình đông lạnh như vậy không tồn tại và chưa bao giờ tồn tại trên Trái đất, các nhà nghiên cứu ban đầu không biết các cryolavas của những thế giới xa xôi này sẽ hoạt động như thế nào.
Lynnae Quick, nhà nghiên cứu núi lửa hành tinh từ Bảo tàng Hàng không và Không gian Quốc gia Smithsonian cho biết: “Công trình đầu tiên về cryolavas đã so sánh độ nhớt và tính lưu biến – các đặc tính của cách vật chất di chuyển – của cryolavas với cách dung nham chảy ở đây trên Trái đất”.
Những nghiên cứu này phát hiện ra rằng theo nhiều cách, cả hai có thể hoạt động giống nhau, mặc dù có nhiệt độ và thành phần hoàn toàn khác nhau.
“Dung nham trung bình trên Trái đất có thể phun trào ở 1.250°C, nhưng trên các mặt trăng băng giá, nó phun trào ở 0°C. Điều đó được coi là đóng băng ở đây trên Trái đất, nhưng ở vùng ngoài Hệ Mặt trời thì lại rất nóng, bởi vì một số thiên thể này ở nhiệt độ khoảng –130°C,” Quick giải thích.
“Trên Trái đất, chúng tôi đang nghĩ về những tảng đá nóng chảy và trong cryolavas, chúng tôi đang nói về dung dịch nước và muối có thể chứa một số tinh thể băng trong đó – vì vậy chúng giống như bùn hơn.”
Mặc dù các vệ tinh băng giá chủ yếu được làm từ nước, nhưng chúng có chứa các chất hòa tan khác như nitơ, metan và amoniac. Đây chỉ là những thành phần nhỏ của những mặt trăng này, nhưng cuối cùng chúng lại cực kỳ quan trọng đối với cách dung nham của những hành tinh này hoạt động.
Trên Sao Mộc và Sao Thổ, dung nham chủ yếu bao gồm nước với một ít amoniac và muối, nhưng không có nhiều chất hòa tan trong nước khác.
Điều này có nghĩa là nó có độ nhớt thấp và có nhiều khả năng xảy ra các vụ phun trào phun trào, nơi dung nham từ từ chảy ra từ mặt đất, tạo ra các vùng ngập lụt tương tự như những con ngựa cái trên Mặt trăng.
Trong khi đó, các mặt trăng của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có dung nham với nhiều amoniac và metanol hòa tan trong nước, khiến nó dày hơn nhiều và có nhiều khả năng hình thành các mái vòm, giống như Núi St Helens trên Trái đất. Các khí hòa tan cũng dễ bay hơi, có nghĩa là chúng có xu hướng phun trào bùng nổ.
Tuy nhiên, có sự khác biệt giữa dung nham nóng và lạnh – đáng chú ý nhất là thực tế là, trong khi đá rắn đặc hơn dung nham và do đó chìm xuống, băng trôi nổi trong nước.
“Lớp vỏ băng giá thực sự nổi trên lớp phủ lỏng. Vậy làm thế nào bạn có thể khiến chất lỏng này đi xuyên qua lớp vỏ, khi lớp vỏ đặc hơn?” Lopes hỏi.
“Có nhiều khả năng: amoniac hòa tan trong nước có thể giúp ích; hoặc có thể có một quá trình ép. Mọi người vẫn đang nghiên cứu vấn đề này.”
Mặc dù cơ chế khiến cryolava phun trào vẫn chưa được biết, nhưng thực tế là nó có thể mang lại cơ hội điều tra cho các nhiệm vụ trong tương lai tới những thế giới băng giá này.
Các đại dương dưới nước được cho là nơi tốt nhất trong Hệ Mặt trời để săn tìm sự sống ngoài Trái đất, nhưng để đến được đó, bạn cần phải đào đường hầm xuyên qua hàng km băng.
Thay vào đó, các nhà nghiên cứu có thể xem xét vật liệu đã được đưa lên bề mặt thông qua các vụ phun trào.
Phiên bản đầu tiên của một nhiệm vụ như vậy đã được thực hiện vào năm 2015, khi Cassini bay qua một trong những đám mây trên Enceladus.
Nó tìm thấy hàm lượng hydro phân tử cao trong nước, điều này có thể cho thấy sự hiện diện của các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy đại dương – những điểm nóng tiềm năng cho sự hình thành sự sống.
Cassini được chế tạo trước khi chúng ta biết những luồng khói như vậy tồn tại và nó không có thiết bị lấy mẫu chuyên dụng.
Nhưng Europa Clipper, dự kiến sẽ bắt đầu tiến đến hệ thống Sao Mộc vào năm 2024, sẽ có các thiết bị được thiết kế với mục tiêu bay qua các đám khói này và lấy mẫu hóa học của chúng.
Quick nói: “Chúng tôi thực sự muốn điều tra khả năng sinh sống của mặt trăng bằng Europa Clipper. “Khi chúng tôi có tất cả thông tin cho chúng tôi biết môi trường nào trên Europa có thể ở được nhất, chúng tôi có thể tìm kiếm nơi tốt nhất để hạ cánh tàu đổ bộ trong tương lai để thực sự lấy mẫu để phân tích.
“Tôi muốn đặt một tàu đổ bộ gần dòng chảy cryolava và tìm hiểu một chút để tìm hiểu khả năng sinh sống của khu vực đó.”
Để biết thêm về khả năng sinh sống được, hãy đọc hướng dẫn của chúng tôi Điều gì khiến một hành tinh có thể sinh sống được?
“Những dung nham này có thể luân chuyển các chất hữu cơ giữa bề mặt và dưới bề mặt, trong trường hợp đó, chúng có thể đóng vai trò lớn trong việc tạo ra môi trường có thể ở được bằng cách mang chất dinh dưỡng từ đại dương lên bề mặt và ngược lại.”
Cách mà vật chất hữu cơ được luân chuyển giữa bên ngoài và bên trong hành tinh cũng sẽ được nghiên cứu – không chỉ trên Europa mà còn trên Ganymede và Callisto nữa – bởi Nhà thám hiểm Mặt trăng Băng giá Jupiter (JUICE) của ESA, dự kiến ra mắt vào năm 2022.
Những bí ẩn của những thế giới băng giá này sẽ được bóc tách trong những năm tới khi quá trình núi lửa lạnh cho chúng ta cơ hội kiểm tra chúng, cả bên trong lẫn bên ngoài.
Nhưng nếu có một điều mà những mặt trăng băng giá này đã dạy chúng ta, thì đó là mặc dù một vật thể thoạt nhìn giống như một vùng đất hoang băng giá, nhưng điều đó không có nghĩa là không có thứ gì đó ẩn dưới bề mặt, chờ đợi để xuất hiện. bùng nổ miễn phí.
Các cột nước đã được phát hiện trên Triton, Enceladus và Europa. Đây là những mạch nước khổng lồ phun trào xuyên qua lớp vỏ của hành tinh, đưa những cột nước lên tới 100 km vào không gian.
Các thế giới có núi lửa lạnh thường có các khu vực nhẵn, có độ phản chiếu cao, tương đối không có hố va chạm, chẳng hạn như Cipango Planum trên Triton. Điều này là do cryolava chảy qua các miệng núi lửa do thiên thạch tạo ra.
Trên thực tế, một số ngọn núi trên mặt trăng Titan của Sao Thổ có thể là núi lửa, chẳng hạn như vùng Sotra Facula và đỉnh cao nhất của nó, Doom Mons. Tuy nhiên, rất dễ nhầm lẫn các đỉnh kiến tạo với các đỉnh núi lửa.
Trên Enceladus, Cassini đã phát hiện ra bốn vết nứt được gọi là ‘vằn hổ’, bên dưới nơi phát hiện ra các chùm khói. Chúng nóng hơn 70°C so với phần còn lại của mặt trăng, cho thấy rằng nước ấm đang thoát ra từ bên trong.
Ezzy Pearson là Biên tập viên tin tức của BBC Sky at Night Magazine và có bằng tiến sĩ về thiên văn học ngoài thiên hà. Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 4 năm 2018 của Tạp chí BBC Sky at Night .