Vì sao các hành tinh tự quay quanh trục

Mọi hành tinh trong Hệ Mặt Trời đều tự quay, không có ngoại lệ. Và không có lực nào bên ngoài đang duy trì chuyển động đó — trong chân không gần như không có ma sát, một vật đã quay sẽ quay mãi. Câu hỏi thật sự không phải cái gì giữ cho hành tinh quay, mà cái gì đã làm chúng quay ngay từ đầu.

Câu trả lời nằm ở giai đoạn hỗn loạn nhất trong lịch sử của chúng: đĩa tiền hành tinh.

Va chạm lệch tâm: nguồn gốc của vòng quay

Vật chất trong đĩa tiền hành tinh không rơi thẳng tuột vào tâm của một hành tinh sơ khai. Các hạt bụi và khối đá bay đến từ mọi hướng với vận tốc lớn, và phần lớn đâm vào lệch tâm — trúng phần rìa chứ không trúng tâm.

Mỗi cú đâm lệch tâm hoạt động đúng như một cú búng vào mép quả cầu: nó không đẩy quả cầu đi, nó làm quả cầu xoay. Trong cơ học, đó là việc truyền mô-men động lượng.

Một cú búng thì không đáng kể. Nhưng quá trình ấy lặp lại hàng triệu, hàng tỉ lần suốt hàng triệu năm, từ mọi phía. Các cú va chạm ngược chiều nhau triệt tiêu một phần, nhưng không bao giờ triệt tiêu hoàn toàn — luôn còn dư một chiều quay ưu thế. Chiều quay ưu thế đó chính là vòng tự quay mà hành tinh giữ lại tới hôm nay.

Vì phần lớn vật chất trong đĩa chuyển động cùng một chiều quanh Mặt Trời, đa số hành tinh thừa hưởng chiều quay thuận: nhìn từ phía bắc hoàng đạo, chúng quay ngược chiều kim đồng hồ, cùng chiều với chuyển động trên quỹ đạo.

Hai hành tinh không theo quy luật đó.

Khi một cú va chạm đi quá xa

Sao Thiên Vương bị lật nhào. Trục quay của nó nghiêng khoảng 98 độ — gần như nằm ngang so với mặt phẳng quỹ đạo. Thay vì quay như một con quay đứng, nó lăn nghiêng dọc theo quỹ đạo của mình.

Giả thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất — dù vẫn còn bị tranh cãi: khi Sao Thiên Vương còn non trẻ, một tiền hành tinh đá–băng nặng ít nhất gấp 2 lần Trái Đất đã đâm lệch tâm vào nó. Cú va chạm không chỉ truyền thêm mô-men động lượng mà còn bẻ gãy trục quay cũ, ép hành tinh nằm ngang ra. Vì trục bị lật quá 90 độ, nếu lấy mặt phẳng quỹ đạo làm chuẩn thì Sao Thiên Vương được xếp vào nhóm quay ngược.

Sao Kim bị hãm rồi bị đẩy ngược lại. Sao Kim quay ngược chiều với Trái Đất và hầu hết hành tinh khác, lại quay chậm đến kỳ lạ: một ngày trên Sao Kim (243 ngày Trái Đất) còn dài hơn một năm của chính nó (225 ngày Trái Đất).

Một giả thuyết cho rằng khi Sao Kim còn quay thuận, một thiên thể lớn đã lao vào lệch tâm theo hướng ngược với chiều quay lúc đó. Mô-men lực nghịch đủ mạnh để hãm toàn bộ vòng quay thuận về gần bằng không, phần năng lượng còn dư tiếp tục ép hành tinh xoay theo chiều ngược lại, rất chậm.

Nhưng đây không phải lời giải được ưa chuộng. Các mô hình thuỷ triều khí quyển cộng với ma sát giữa lõi và lớp phủ, tác động đều đặn qua hàng tỉ năm, cho thấy phần lớn điều kiện ban đầu đều dẫn Sao Kim tới đúng trạng thái quay hiện nay — nghĩa là chiều quay ngược của nó không đòi hỏi một cú va chạm nào. Va chạm vẫn có thể đã xảy ra, nhưng nó không còn là lời giải cần thiết.

Hành tinh khí lấy đâu ra chỗ để va chạm?

Nếu vòng quay đến từ va chạm, thì Sao Mộc, Sao Thổ hay Sao Thiên Vương — những hành tinh không có bề mặt rắn để mà va vào — nhận cú búng ở đâu?

Câu trả lời: chúng không sinh ra đã là khối khí.

Giai đoạn lõi rắn. Theo mô hình bồi tụ lõi, hành tinh khí bắt đầu bằng việc tích tụ đá, bụi và băng thành một lõi rắn nặng cỡ mười lần khối lượng Trái Đất. Chính trong giai đoạn còn là thiên thể rắn này, chúng hứng những cú va chạm định hình trục quay và tốc độ quay. Chỉ sau khi lõi đủ nặng, lực hấp dẫn của nó mới hút lượng khí khổng lồ từ đĩa để bọc quanh, tạo thành hành tinh khí như ta thấy hôm nay.

Va chạm kiểu thuỷ động học. Với những cú đâm xảy ra muộn hơn, va chạm không còn giống hai hòn đá đập vào nhau mà giống một thiên thạch lao xuống đại dương. Càng vào sâu, áp suất càng khủng khiếp, hydro và heli chuyển sang trạng thái lỏng đậm đặc — riêng ở Sao Mộc và Sao Thổ còn có cả hydro kim loại lỏng. Mô phỏng thuỷ động học cú va chạm vào Sao Thiên Vương cho thấy lõi đá của thiên thể lao vào phần lớn chìm xuống tận lõi hành tinh, còn phần băng đọng lại thành một lớp nóng bao quanh, và mô-men động lượng thì truyền cho cả khối. Hình dung khuấy thìa vào bát nước đúng ở chỗ đà quay lan ra khối lỏng, nhưng bỏ qua việc phần lớn khối lượng bị chôn lại ở sâu bên trong.

Vòng quay của một hành tinh không phải thứ được ban cho. Nó là bản quyết toán của mọi va chạm mà hành tinh đó từng chịu.