Sự ra đời của hệ Mặt Trời

Sự ra đời của hệ Mặt Trời
Tác giả: Đặng Vũ Tuấn Sơn
Việc tìm kiếm quá khứ của hệ Mặt Trời đã xuất hiện và trở thành một vấn
đề hấp dẫn từ những thế kỉ 18,19 với nhiều cuộc tranh cãi. Việc nghiên cứu
về sự ra đời của hệ Mặt Trời với các hành tinh của nó cùng các vệ tinh, các
tiểu hành tinh, sao chổi, thiên thạch … đòi hỏi phải trả lời được nhiều câu
hỏi về cấu trúc cũng như những tính chất lí hoá mà chúng ta đã biết như:
Tại sao các hành tinh có cùng một mặt phẳng quĩ đạo và tại sao chúng
chuyển động theo cùng một hướng, yếu tố nào gây ra sự liên quan giữa sự
quay của Mặt Trời và các hành tinh hay nguyên nhân sự phân bố xung
lượng từ Mặt Trời tới các hành tinh quay quanh nó là gì …
Nỗ lực trả lời các câu hỏi này đã dẫn đến nhiều ý tưởng và giả thuyết khác
nhau về sự hình thành hệ hành tinh của chúng ta.
Các lí thuyết cổ điển
Trước hết là thuyết tinh vân do Immanuel Kant* sáng lập và được hoàn
thiện bởi Laplace* vào cuối thế kỉ 18. Thuyết này cho rằng hệ Mặt Trời ban
đầu chỉ là một đám tinh vân (nebula) bao gồm khí và bụi. Đám tinh vân này
tự quay quanh trục một cách chậm chạp. Mọi vật thể đều có lực hấp dẫn
hướng tâm - tức là lực hấp dẫn hướng thẳng vào tâm vật thể. Lực này làm
đám tinh vân quay ngày một nhanh, mật độ vật chất tăng lên do thể tích
giảm xuống, tinh vân tụ lại thành một thiên thể dạng cầu – đó chính là Mặt
Trời. Khối cầu Mặt Trời tiếp tục quay nhanh. Một bộ phận vật chất nhận
được lực li tâm đủ lớn để thắng được hấp dẫn vào tâm tách ra khỏi Mặt
Trời sơ khai trở thành các vành vật chất (ring). Trong mỗi vành này, hẫp
dẫn lại đóng vai trò tập hợp vật chất thành các khối cầu lớn, đó là các hành
tinh. Sự việc diễn ra tương tự đối với việc hình thành các vệ tinh từ sự quay
của hành tinh. Việc tách vành vật chất thành các thiên thể nhỏ hơn được
dừng lại khi lực li tâm sinh ra do sự quay của thiên thể không đủ lớn để
thắng được hấp dẫn bản thân của thiên thể đó. Lí thuyết này không giải
thích được yếu tố về sự phân bố xung lượng của các hành tinh khi chuyển
động trên quĩ đạo

Với cố gắng giải thích yếu tố này, đầu thế kỉ 20 đã có 2 lí thuyết được đề ra
với cùng một ý tưởng chung là do sự tương tác của một ngôi sao di chuyển
gần Mặt trời gây ra sự xuất hiện các hành tinh.
Lí thuyết va chạm do Chamberlin* và Moulton* đề ra vào những năm đầu
tiên của thế kỉ 20 cho rằng đã có một ngôi sao đi qua và có thể đã va chạm
với Mặt Trời. Sự va chạm này gây ra những đợt triều (như thuỷ triều trên
Trái Đất) lớn trên bề mặt của Mặt Trời. Các chấn động đó làm một lớp vật
chất tách khỏi Mặt Trời và chuyển động trên các quĩ đạo elip. Khí và bụi tập
hợp lại trên mỗi quĩ đạo tạo ra những thiên thể rắn, các quĩ đạo dần đi vào
ổn định, các thiên thể rắn này trở thành các hành tinh.
Năm 1918, James Jeans* và Harold Jeffreys* đề xuất lí thuyết triều, là một
biến thể khác của lí thuyết va chạm nói trên. Giả thuyết này nói rằng trên bề
mặt Mặt Trời đã xuất hiện một đợt triều lớn do một ngôi sao đi qua gần nó.
Sức hút hấp dẫn của ngôi sao này cuốn khí và bụi từ Mặt Trời sơ khai
thành các dòng chảy với khối lượng và kích thước khác nhau trên các quĩ
đạo elip. Các dòng vật chất này, sau khi cô dặc lại, tạo thành hình dáng là
các hành tinh như ngày nay. Lí thuyết này cũng vẫn chưa giải thích được
sự phân bố xung lượng của các hành tinh.

Lí thuyết hiện đại
Lí thuyết hiện đại quay lại với giả thuyết tinh vân của Laplace để giải thích
cho sự phân bố xung lượng từ Mặt Trời đến các hành tinh.. Tinh vân đó
được xem như một hạt nhân đậm đặc bao quanh bởi một lớp khí và bụi
mỏng. Lí thuyết này giống với lí thuyết do Gerard Kuiper* đưa ra, trong đó
tinh vân xuất hiện sự quay không ổn định. Dưới tác dụng của các lực li tâm
cùng với chuyển động nhiễu loạn của các đợt triều trên bề mặt, nó tách ra
các đám bụi tiền hành tinh (protoplanet) chuyển động quanh tâm chung, các
đám bụi tiền hành tinh này co đặc lại thành các hành tinh. Hiển nhiên giả
thuyết này của Kuiper không giải thích được sự khác biệt đặc trưng về lí-
hoá của các hành tinh.

Lí thuyết hiện đại do một nhà khoa học khác là H.C. Urey* đưa ra. Giả
thuyết này cho biết các hành tinh được hình thành ở nhiệt độ thấp khoảng
1200 đến 2200 độ C (chứ không phải ở nhiệt độ cao cùng với Mặt Trời như
các giả thuyết nêu trên). Urey đề xuất rằng nhiệt độ này là vừa đủ. Nó đủ
lớn để duy trì hoạt động của các chất khí như hydro hay heli, nhưng cũng
đủ nhỏ để không làm nóng chảy các kim loại như sắt, silic. Dưới tác dụng
của hấp dẫn, các đám bụi trên các quĩ đạo tập hợp lại với nhau, trở thành
các tiền hành tinh. Lúc này nhiệt độ bắt đầu tăng cao, các kim loại nặng có
xu hướng chìm sâu vào tâm khối vật chất và trở thành nhân nóng chảy của
hành tinh, lớp ngoài gồm các nguyên tố nhẹ hơn nguội dần tạo thành lớp
vỏ. Với các hành tinh ở xa, các chất khí phía ngoài như metan, ammoniac…
bị đẩy xuống nhiệt độ rất thấp, chúng đóng băng lại ngăn cản sự tiếp cận
của các nguyên tố nặng. Các hành tinh như thế trở thành các thiên thể có
kích thước lớn với tỷ trọng khá thấp (như sao Mộc, sao Thiên Vương, …)
Năm 1995, lần đầu tiên con người nghiên cứu về một hệ hành tinh ngoài hệ
Mặt Trời của chúng ta , hệ 51 Pegasi*. Việc nghiên cứu những hệ hành tinh
như thế đã cho thấy nhiều điểm tương đồng với những gì do lí thuyết hiện
đại đề ra. Tuy nhiên, nhân loại cũng cần dừng lại và suy xét kĩ hơn về
những nền tảng được nghiên cứu. Tại các hệ hành tinh đó, có những hành
tinh nhỏ hơn sao Diêm Vương, có những hành tinh nhiều lần lớn hơn sao
Mộc, cũng có những quĩ đạo gần sao mẹ hơn quĩ đạo của sao Thuỷ và có
cả những quĩ đạo tròn hơn nhiều quĩ đạo các hành tinh của chúng ta. Điều
đó nói lên rằng có một sự sai khác trong cơ cấu phân bố động lượng của
các hệ đó, có nghĩa là bản thân sự ra đời của chúng có thể không hoàn
toàn giống hệ Mặt Trời của chúng ta. Tất cả những điều này khiến lí thuyết
hiện đại nêu trên cũng không tránh khỏi việc bị đưa ra xem xét lại và các
cuộc tranh cãi có lẽ sẽ còn rất lâu mới chấm dứt.