Sự ra đời của Hệ Mặt Trời

Mọi thứ trong Hệ Mặt Trời — Mặt Trời, tám hành tinh, các vệ tinh, tiểu hành tinh, sao chổi, và vật chất tạo nên cơ thể bạn — đều đến từ cùng một đám mây khí bụi, sụp đổ cách đây khoảng 4,57 tỉ năm.

Bất kỳ lý thuyết nào về nguồn gốc của hệ cũng phải giải thích được ba đặc điểm quan sát được:

1. Vì sao mọi hành tinh nằm gần như trên cùng một mặt phẳng và quay quanh Mặt Trời cùng một chiều.
2. Vì sao hành tinh đá nằm ở trong còn hành tinh khí khổng lồ ở ngoài.
3. Vì sao Mặt Trời chiếm 99,86% khối lượng của cả hệ nhưng chỉ giữ khoảng 1% động lượng góc.

Điểm thứ ba là điểm giết chết phần lớn các lý thuyết.

Những lý thuyết đã bị bỏ

Giả thuyết tinh vân (Kant 1755, Laplace 1796). Hệ Mặt Trời khởi đầu là một đám tinh vân quay chậm. Hấp dẫn kéo nó co lại, và bảo toàn động lượng góc làm nó quay nhanh dần, dẹt thành đĩa. Từ đĩa đó tách ra các vành vật chất, mỗi vành tụ lại thành một hành tinh.

Giả thuyết này giải thích gọn hai đặc điểm đầu — cùng mặt phẳng, cùng chiều quay là hệ quả trực tiếp của một đĩa quay. Nhưng nó không giải thích được điểm thứ ba, và đó là lý do người ta đi tìm chỗ khác suốt hơn một thế kỷ.

Lý thuyết va chạm (Chamberlin và Moulton, đầu thế kỷ 20) và lý thuyết triều (Jeans và Jeffreys, 1918) đưa ra cùng một ý: một ngôi sao đi ngang qua đã kéo vật chất ra khỏi Mặt Trời, và vật chất đó cô đặc thành hành tinh.

Cả hai đều thất bại. Chúng cũng không giải quyết được bài toán động lượng góc, và tệ hơn: khí bị kéo ra khỏi một ngôi sao sẽ nóng tới mức tán ra không gian chứ không cô lại thành hành tinh. Chúng còn hàm ý hệ hành tinh phải cực kỳ hiếm, vì các ngôi sao rất ít khi đi ngang gần nhau — điều mà việc phát hiện hàng nghìn ngoại hành tinh đã bác bỏ dứt điểm.

Mô hình hiện nay

Giới thiên văn quay về với ý tưởng gốc của Kant và Laplace, nhưng bổ sung những cơ chế mà thế kỷ 18 không thể biết.

Sụp đổ và tạo đĩa. Một đám mây phân tử bị nén — có thể do sóng xung kích từ một siêu tân tinh gần đó — bắt đầu sụp đổ. Bảo toàn động lượng góc làm nó quay nhanh dần và dẹt thành đĩa tiền hành tinh, với phần lớn khối lượng dồn vào tâm để thành Mặt Trời.

Đây không còn là suy đoán: kính thiên văn ALMA và James Webb đã chụp được những đĩa như vậy đang tồn tại quanh các ngôi sao trẻ, có cả những rãnh trống mà hành tinh đang hình thành đã quét sạch.

Bồi tụ, không phải tách vành. Hành tinh không tách ra thành từng vành như Laplace tưởng. Hạt bụi va vào nhau và dính lại, lớn dần thành vi thể hành tinh cỡ kilômét, rồi những vi thể này va chạm và sáp nhập suốt hàng triệu năm. Đây là quá trình chậm và hỗn loạn, không phải một sự phân tách gọn gàng.

Đường tuyết giải thích sự phân bố. Có một khoảng cách tới Mặt Trời — gọi là đường tuyết, nằm đâu đó trong vành đai tiểu hành tinh hiện nay — mà bên trong nó nhiệt độ quá cao để nước, methane và ammoniac ngưng tụ.

• Bên trong đường tuyết: chỉ đá và kim loại đông đặc được. Vật liệu ít, nên lõi hành tinh lớn chậm, và khi lớn đủ thì khí trong đĩa đã bị gió Mặt Trời quét sạch. Kết quả: bốn hành tinh đá nhỏ.
• Bên ngoài đường tuyết: băng cũng đông đặc, lượng vật liệu rắn nhiều hơn hẳn. Lõi lớn nhanh, vượt ngưỡng khoảng 10 lần khối lượng Trái Đất khi đĩa còn đầy khí, và bắt đầu hút khí ồ ạt. Kết quả: bốn hành tinh khổng lồ.

Bài toán động lượng góc

Quay lại điểm thứ ba. Nếu cả hệ sinh ra từ một đám mây quay, động lượng góc lẽ ra phải phân bố theo khối lượng — nghĩa là Mặt Trời phải giữ gần hết. Thực tế Sao Mộc một mình giữ nhiều động lượng góc hơn Mặt Trời.

Mô hình hiện nay giải bằng ba cơ chế cùng lúc:

Phanh từ tính. Từ trường của Mặt Trời sơ khai bám vào đĩa khí bị ion hoá xung quanh. Đĩa ở xa quay chậm hơn, nên đường sức bị bẻ cong và sinh ra lực ghì hãm sự quay của Mặt Trời, chuyển động lượng góc ra ngoài đĩa. Đây cùng là cơ chế giải thích vì sao Sao Mộc không quay nhanh tới mức tự xé mình.

Gió Mặt Trời. Dòng hạt tích điện thoát ra mang theo động lượng góc, và vì chúng bị từ trường dẫn đi rất xa trước khi thoát hẳn, mỗi hạt mang đi nhiều động lượng hơn nhiều so với khối lượng của nó.

Di cư hành tinh. Đây là phần mới nhất và bất ngờ nhất. Mô phỏng trên siêu máy tính cho thấy các hành tinh không ở nguyên chỗ chúng sinh ra. Trao đổi động lượng với đĩa khí và với vô số vi thể hành tinh còn sót lại đã đẩy các hành tinh khổng lồ dịch chuyển đáng kể — có mô hình cho rằng Sao Mộc từng vào sâu tới gần quỹ đạo Sao Hoả rồi mới lùi ra. Hệ có thể còn từng có nhiều hành tinh hơn hiện nay, và một số đã bị văng hẳn ra ngoài.

Ngoại hành tinh vừa xác nhận vừa làm khó

Tới nay đã có hơn 6.000 ngoại hành tinh được xác nhận. Chúng xác nhận phần khung của mô hình: đĩa tiền hành tinh có thật, bồi tụ có thật, và hệ hành tinh là chuyện thường chứ không hiếm.

Nhưng chúng cũng làm khó. Rất nhiều hệ chẳng giống Hệ Mặt Trời chút nào: những Sao Mộc nóng to bằng Sao Mộc mà quay quanh sao mẹ trong vài ngày, những siêu Trái Đất — loại kích thước phổ biến nhất trong thiên hà mà Hệ Mặt Trời lại không có, những quỹ đạo elip dẹt bất thường.

Điều đó có nghĩa là các cơ chế chung thì đúng, nhưng kết quả cụ thể phụ thuộc rất mạnh vào điều kiện ban đầu và vào lịch sử di cư của từng hệ.

Hệ Mặt Trời từng được coi là khuôn mẫu cho mọi hệ hành tinh. Ba mươi năm quan sát ngoại hành tinh đã cho thấy nó không phải khuôn mẫu, mà chỉ là một kết quả trong rất nhiều kết quả khả dĩ.

---

Biên tập lại từ bài Sự ra đời của Hệ Mặt Trời của Đặng Vũ Tuấn Sơn, đăng trên Thiên văn Việt Nam (VACA). Bản quyền nội dung gốc thuộc về VACA.

Đọc thêm

• Vì sao các hành tinh tự quay quanh trục