Sao Thổ

Khí quyển

Lớp khí quyển bên ngoài của Sao Thổ chứa 96,3% phân tử hiđrô và 3,25% heli. Tỉ lệ heli giảm đáng kể so với sự có mặt của nguyên tố này trong Mặt Trời. Các nhà khoa học vẫn chưa biết chính xác lượng các nguyên tố nặng hơn heli trong khí quyển hành tinh, nhưng họ giả sử rằng tỉ lệ những nguyên tố này bằng với tỷ lệ nguyên thủy của chúng từ lúc hình thành Hệ Mặt Trời. Tổng khối lượng của những nguyên tố nặng này vào khoảng 19–31 lần khối lượng Trái Đất, mà chúng tập trung chủ yếu tại vùng lõi Sao Thổ.
Dấu vết có mặt của các phân tử amoniac, axetylen, êtan, prôpan, phốtphin và mêtan đã được phát hiện ra trong khí quyển của Sao Thổ. Các đám mây trên cao chứa tinh thể amoniac, trong khi những đám mây thấp hơn hoặc là chứa amonium hydrosulfide (NH₄SH) hoặc nước. Bức xạ tử ngoại từ Mặt Trời làm cho mêtan bị quang ly trong tầng thượng quyển, dẫn đến một chuỗi các phản ứng hóa học hiđrôcacbon và các sản phẩm rơi xuống dưới sâu bởi những luồng cuộn xoáy và sự khuếch tán trong khí quyển. Chu trình quang hóa này bị chi phối bởi chu kỳ mùa trên Sao Thổ.

Cực nam

Các bức ảnh do kính thiên văn Hubble chụp vùng cực nam cho thấy sự có mặt của một dòng khí tốc độ cao (jet stream), nhưng không hình thành nên xoáy khí quyển mạnh hay cấu trúc lục giác như ở cực bắc. NASA công bố vào tháng 11 năm 2006 rằng tàu Cassini đã quan sát thấy một cơn bão dạng "xoáy thuận nhiệt đới" gần như đứng im ở cực nam Sao Thổ và xác định ra rõ ràng một mắt bão. Quan sát này rất nổi bật vì đám mây với mắt bão không xuất hiện trước đó trên bất kỳ hành tinh nào trừ Trái Đất. Ví dụ, hình ảnh từ tàu Galileo đã không quan sát thấy mắt bão trong Vết Đỏ Lớn của Sao Mộc.

Những đặc điểm khác

Năm 2006, tàu không gian Cassini đã quan sát thấy một dải mây với tên gọi "Chuỗi Ngọc trai" dài 60.000 km ở  bắc bán cầu. Những đặc điểm này chính là những vùng quang mây và cho phép con tàu này có thể chụp được những tầng mây ở sâu bên dưới.

Quỹ đạo và sự tự quay

Khoảng cách trung bình giữa Sao Thổ và Mặt Trời là trên 1,4 tỷ kilômét (9 AU). Với tốc độ quỹ đạo trung bình bằng 9,69 km/s, Sao Thổ mất 10.759 ngày Trái Đất (hay khoảng 29,5 năm), để đi hết một vòng quanh Mặt Trời. Quỹ đạo elip của Sao Thổ nghiêng khoảng 2,48° tương đối so với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất. Bởi vì độ lệch tâm quỹ đạo bằng 0,056, khoảng cách giữa Sao Thổ và Mặt Trời thay đổi xấp xỉ 155 triệu kilômét giữa cận điểm quỹ đạo và viễn điểm quỹ đạo, tương ứng những điểm gần nhất và xa nhất của hành tinh đến Mặt Trời.
Do các vùng trong bầu khí quyển Sao Thổ tự quay với tốc độ khác nhau theo vĩ độ do đó các nhà khoa học đã phân ra nhiều chu kỳ quay khác nhau cho những vùng khác nhau (giống như của Sao Mộc): Hệ I có chu kỳ 10 h 14 min 00 s (844,3°/ngày) đối với phạm vi Vùng xích đạo, kéo dài từ cạnh bắc của Vành đai xích đạo Nam tới cạnh nam của Vành đai xích đạo Bắc. Những vùng có vĩ độ khác có giá trị chu kỳ tự quay 10 h 38 min 25,4 s (810,76°/ngày), tương ứng với Hệ II. Đối với Hệ III, các nhà khoa học đo được giá trị vùng này dựa trên bức xạ radio phát ra từ hành tinh trong thời gian tàu Voyager bay qua, với chu kỳ 10 h 39 min 22,4 s (810,8°/ngày); và có giá trị gần bằng đối với của Hệ II, cho nên các nhà khoa học thường coi hai vùng này có tốc độ quay bằng nhau.
Giá trị chính xác cho chu kỳ quay của phần bên dưới khí quyển vẫn còn chưa xác định được. Trong khi tiếp cận Sao Thổ năm 2004, tàu Cassini phát hiện thấy chu kỳ quay của tín hiệu vô tuyến tăng lên đáng kể, xấp xỉ bằng 10 h 45 m 45 s (± 36 s). Tháng 3 năm 2007, các nhà thiên văn thấy rằng sự biến đổi trong bức xạ vô tuyến từ hành tinh không phù hợp để sử dụng làm giá trị tốc độ tự quay của Sao Thổ. Sự biến đổi này có thể là do hoạt động từ những giếng phun phát ra từ vệ tinh Enceladus của Sao Thổ. Hơi nước phát ra bao quanh Sao Thổ từ những giếng này bị ion hóa và tạo ra sự kéo trong từ trường Sao Thổ, làm chậm sự quay tương đối của hành tinh thông qua tín hiệu vô tuyến. Ước lượng mới nhất về tốc độ tự quay hành tinh dựa trên nhiều số liệu quan trắc từ các tàu Cassini, Voyager và Pioneer công bố vào tháng 9 năm 2007 là 10 giờ, 32 phút, 35 giây.

Quan sát từ thời cổ đại

Sao Thổ đã được biết đến từ thời cổ đại. Trong thời kỳ này, nó là thiên thể xa nhất trong số năm hành tinh đã biết trong Hệ Mặt Trời (ngoại trừ Trái Đất) và cũng được gán cho nhiều nhân vật trong thần thoại các nền văn minh khác nhau. Các nhà thiên văn Babylon đã quan sát một cách có hệ thống và ghi chép lại chuyển động của Sao Thổ. Trong thần thoại La Mã cổ đại, thần Saturnus, mà hành tinh có tên, là vị thần của nông nghiệp. Người La Mã coi thần Saturnus tương đương với vị thần của người Hy Lạp Cronus. Người Hy Lạp đã gọi hành tinh xa nhất theo Cronus, và người La Mã đã áp dụng theo cách đặt tên này. (Thời hiện đại trong tiếng Hy Lạp, hành tinh này vẫn có tên là Cronus (Κρόνος: Kronos).)
Ptolemy, một nhà triết học Hy Lạp sống ở Alexandria, đã quan sát thời điểm xung đối của Sao Thổ, và lấy cơ sở cho phép xác định các yếu tố quỹ đạo của hành tinh. Trong chiêm tinh học của người Hindu, có chín đối tượng chiêm tinh, gọi là Navagraha. Sao Thổ, một trong số chúng, được gọi là "Shani", người phán quyết cho mọi người dựa trên những hành động tốt hay xấu của họ trong đời sống. Nền văn minh Trung Hoa, Nhật Bản và Việt Nam cổ đại gọi hành tinh này là Thổ Tinh (土星), đặt tên dựa theo nguyên tố thổ của Ngũ Hành.
Người Hebrew cổ đại gọi Sao Thổ là 'Shabbathai'. Trong tiếng Ottoman Thổ Nhĩ Kỳ, tiếng Urdu và tiếng Mã Lai, hành tinh có tên gọi 'Zuhal', viết từ chữ Ả Rập زحل.

Quan sát ở châu Âu (thế kỷ XVII–XIX)

Để quan sát thấy vành đai Sao Thổ từ mặt đất cần một kính thiên văn có đường kính ít nhất 15 mm và do đó vành đai Sao Thổ không được phát hiện cho đến khi Galileo lần đầu tiên nhìn thấy nó vào năm 1610. Ông nghĩ rằng đây là hai vệ tinh của Sao Thổ ở hai phía hành tinh. Cho đến khi Christian Huygens sử dụng một kính thiên văn với độ phóng đại lớn hơn thì ông đã phát hiện ra đây là vành đai chứ không phải vệ tinh như Galileo từng nghĩ. Huygens còn phát hiện ra vệ tinh lớn nhất Titan; Giovanni Cassini sau đó phát hiện thêm bốn vệ tinh nữa: Iapetus, Rhea, Tethys và Dione. Năm 1675, Cassini phát hiện ra một khoảng trống giữa vành đai và ngày nay các nhà thiên văn đặt tên là Ranh giới Cassini.
Không có thêm phát hiện lớn nào cho đến năm 1789 khi nhà thiên văn William Herschel phát hiện tiếp hai vệ tinh, Mimas và Enceladus. Vệ tinh dị hình Hyperion, có quỹ đạo cộng hưởng với Titan, được một đội các nhà thiên văn Anh phát hiện năm 1848.
Năm 1899, William Henry Pickering phát hiện ra vệ tinh Phoebe, một vệ tinh dị hình không quay đồng bộ với Sao Thổ như các vệ tinh lớn khác. Phoebe là lớp vệ tinh đầu tiên có những tính chất này được phát hiện và nó có chu kỳ quỹ đạo hơn một năm quanh Sao Thổ trên quỹ đạo nghịch hành. Trong đầu thế kỷ XX, những nghiên cứu về Titan dẫn đến xác nhận về tồn tại một bầu khí quyển dày trên vệ tinh vào năm 1944—một đặc điểm chỉ có duy nhất trên một vệ tinh trong Hệ Mặt Trời.

Pioneer 11 bay qua

Pioneer 11 là con tàu đầu tiên bay qua Sao Thổ vào tháng 9 năm 1979, khi đó nó cách hành tinh 20.000 km từ đỉnh mây khí quyển. Các bức ảnh gửi về gồm hành tinh và một số vệ tinh của nó, tuy vậy độ phân giải quá thấp để nhìn rõ các chi tiết bề mặt. Con tàu cũng nghiên cứu vành đai Sao Thổ, phát hiện ra vành đai mỏng F và những khoảng tối trong vành lại sáng lên khi nhìn dưới góc pha nghiêng lớn hướng về Mặt Trời, hay những khoảng trống tối này chứa những hạt bụi nhỏ tán xạ ánh sáng. Thêm vào đó, Pioneer 11 đã đo được nhiệt độ của Titan và cho thấy vệ tinh này quá lạnh để tồn tại sự sống.

Voyager bay qua

Tháng 11 năm 1980, con tàu không gian Voyager 1 đến hệ thống Sao Thổ. Nó đã gửi về những bức ảnh phân giải cao của hành tinh, các vành đai và vệ tinh của nó. Chi tiết bề mặt của nhiều vệ tinh đã được quan sát lần đầu tiên. Voyager 1 cũng đã bay qua vệ tinh Titan, gửi thêm nhiều dữ liệu và tăng độ hiểu biết của các nhà thiên văn về khí quyển vệ tinh này. Nó chứng minh rằng không thể quan sát bề mặt Titan qua bước sóng khả kiến; do vậy các nhà khoa học đã không có một bức ảnh nào về bề mặt vệ tinh này. Chuyến bay qua có mục đích làm thay đổi quỹ đạo Voyager 1 để quỹ đạo của nó rời khỏi mặt phẳng quỹ đạo của Hệ Mặt Trời.
Khoảng một năm sau, vào tháng 8 năm 1981, Voyager 2 tiếp tục bay qua và nghiên cứu hệ thống hành tinh này. Thêm nhiều bức ảnh chụp gần các vệ tinh Sao Thổ gửi về Trái Đất, cũng như thêm những dữ liệu về sự thay đổi trong khí quyển và vành đai hành tinh. Thật không may, trong giai đoạn bay qua, camera đã không điều chỉnh được góc chụp trong hai ngày và do vậy một số kế hoạch chụp ảnh đã bị hủy. Trường hấp dẫn của Sao Thổ đã được lợi dụng để đẩy con tàu đến Sao Thiên Vương.
Hai tàu cũng đã phát hiện và xác nhận thêm vài vệ tinh nữa bay gần hoặc bên trong vành đai Sao Thổ, cũng như phát hiện ra Khoảng trống Maxwell (khoảng trống nằm giữa Vành C và Khoảng trống Keeler (một khoảng rộng 42 km trong Vành A).

Các chương trình trong tương lai

Cơ quan Hàng không & Vũ trụ Mỹ và Cơ quan vũ trụ châu Âu từng hợp tác xây dựng chương trình thám hiểm hệ thống Sao Thổ và vệ tinh Titan có tên gọi Titan Saturn System Mission (TSSM), dự kiến chi phí 2,5 tỷ USD khởi hành năm 2020 (sau dự án nghiên cứu Sao Mộc và vệ tinh của nó Europa: EJSM/Laplace), mượn quán tính Trái Đất và sức hút hấp dẫn của Sao Kim để đến gần Sao Thổ vào khoảng năm 2029. TSSM dự kiến đi vòng quanh Sao Thổ trong 2 năm, lấy mẫu Titan trong 2 tháng và bay vòng quanh vệ tinh này trong 20 tháng. Năm 2009 cơ quan ESA đã rút khỏi dự án này, hiện tại dự án TSSM không được chính phủ Mỹ phê duyệt ngân sách cho NASA triển khai dự án này, và nó mới chỉ trên khái niệm nghiên cứu, chưa có ngày phóng cụ thể hoặc những bước thực hiện chế tạo tàu.

Quan sát

Sao Thổ là hành tinh xa nhất trong số năm hành tinh có thể quan sát bằng mắt thường, những hành tinh khác bao gồm Sao Thủy, Sao Kim, Sao Hỏa và Sao Mộc (Sao Hải Vương và 4 Vesta có thể nhìn bằng mắt thường nhưng trong trời rất tối và không có ánh sáng nhân tạo). Vào đêm tối trời, Sao Thổ hiện ra như một điểm sáng, màu vàng với cấp sao biểu kiến thường từ +1 và 0. Nó mất xấp xỉ 29½ năm để đi hết một vòng đường Hoàng Đạo trong nền trời của các chòm sao Hoàng Đạo. Đa số những người muốn quan sát hành tinh này phải sử dụng kính thiên văn (hoặc ống nhòm lớn) phóng đại ít nhất 20× mới có thể nhìn thấy được vành đai của nó.
Trong khi hành tinh vẫn có thể là mục tiêu quan sát trong mọi thời điểm trên bầu trời, có thể quan sát tốt nhất Sao Thổ và các vành đai khi nó ở vị trí xung đối (khi góc ly giác của hành tinh bằng 180° và do vậy xuất hiện ở phía đối diện với Mặt Trời trên bầu trời) hoặc gần đó. Trong giai đoạn xung đối ngày 17 tháng 12 năm 2002, Sao Thổ hiện lên với độ sáng lớn nhất và hướng vành đai của nó về phía Trái Đất, cho dù Sao Thổ gần Trái Đất hơn vào cuối năm 2003.