Sao Hoả được hình thành cùng với phần còn lại của Hệ Mặt Trời khoảng 4.6 tỉ năm trước. Nhưng chính xác hành tinh này được hình thành như thế nào, vẫn còn là chủ đề đang được tranh luận. Gần đây, 2 lý thuyết đang tranh giành ngôi vị chiến thắng trong việc trả lời câu hỏi trên.

Lý thuyết thứ nhất và cũng là lý thuyết được chấp nhận nhiều hơn - sự bồi đắp lõi (core accretion) - giải thích tốt sự hình thành của các hành tinh kiểu Trái Đất như Sao Hoả nhưng gặp vấn đề với các hành tinh khổng lồ. Lý thuyết thứ hai - sự bất ổn định của đĩa (disk instability) - có thể áp dụng cho sự tạo thành những hành tinh khổng lồ này.

      Hình: Các đám mây khí và bụi từ nới các hành tinh được hình thành.

      Credit: Painting copyright William K. Hartmann, Planetary Science Institute, Tucson

Các nhà khoa học vẫn đang tiếp tục nghiên cứu các hành tinh trong và ngoài Hệ Mặt Trời với nỗ lực hiểu rõ hơn phương pháp nào chính xác nhất.

Mô hình sự bồi đắp lõi

Lý thuyết sự bồi đắp lõi cho rằng Hệ Mặt Trời ban đầu là một đám mây lớn chứa nhiều khí lạnh và bụi, gọi là tinh vân Hệ Mặt Trời (solar nebula). Tinh vân co sụp bởi lực hấp dẫn của chính nó và san phẳng thành dạng đĩa tự quay. Vật chất (khí và bụi) bị hút về tâm đĩa để tạo thành Mặt Trời.

Các hạt vật chất khác dính lại với nhau thành dạng cục, gọi là các vi thể hành tinh (planetesimal). Những vi thể hành tinh này có thể kết hợp với nhau tạo thành tiểu hành tinh, sao chổi, mặt trăng và hành tinh. Gió Mặt Trời - các hạt mang điện thổi ra từ Mặt Trời - thổi các nguyên tố nhẹ như hydro, helium ra xa, để lại phía sau là những mảnh đá nhỏ. Tuy nhiên, ở vùng ngoài của Hệ Mặt Trời, vì gió mặt trời yếu hơn, nên các hành tinh khí khổng lồ có thể tạo thành chủ yếu từ hydro và helium.

Những quan sát về hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời dường như đã khẳng định sự bồi đắp lõi là cơ chế hình thành vượt trội hơn. Các ngôi sao với nhiều “kim loại" (thuật ngữ dùng để chỉ những nguyên tố nặng hơn hydro và helium) trong lõi của chúng sẽ có nhiều hành tinh khổng lồ hơn những ngôi sao cùng loại nhưng “nghèo kim loại". Theo NASA, lý thuyết sự bồi đắp lõi gợi ý rằng thế giới các hành tinh đất đá nhỏ phải phổ biến hơn các hành tinh khí khổng lồ.

Năm 2005, khám phá về một hành tinh khí với lõi nặng quay xung quanh ngôi sao giống Mặt Trời HD 149026 là một ví dụ về hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời, giúp củng cố lý thuyết sự bồi đắp lõi.

“Đây là sự xác nhận của lý thuyết sự bồi đắp lõi trong sự hình thành các hành tinh và là bằng chứng rằng các hành tinh loại này tồn tại rất nhiều.”, Greg Henry phát biểu trong thông cáo báo chí. Henry là nhà thiên văn học tại trường đại học Tennessee State, Nashville, người đã phát hiện ra sự mờ của sao.

Năm 2017, Cơ quan Vũ Trụ Châu Âu (European Space Agency - ESA) dự định phóng vệ tinh CHaracterising ExOPlanet Satellite (CHEOPS) để nghiên cứu các ngoại hành tinh có kích thước từ “siêu Trái Đất” (super-Earth) đến cỡ Sao Hải Vương. Việc nghiên cứu thế giới ở xa xăm này sẽ góp phần xác định các hành tinh trong hệ Mặt Trời hình thành như thế nào.

“Trong bối cảnh sự bồi đắp lõi, lõi hành tinh phải đạt đến một khối lượng tới hạn trước khi nó có thể giữ lại lớp khí có xu hướng xa dần”, nhóm CHEOPS cho biết.

“Khối lượng tới hạn phụ thuộc và nhiều biến vật lý, trong đó quan trọng nhất là tốc độ bồi đắp thành các mảnh hành tinh"

Bằng việc nghiên cứu cách các hành tinh bồi đắp vật liệu, CHEOPS sẽ mở ra cách nhìn về thế giới hành tinh phát triển như thế nào.

Sự bồi đắp lõi được đưa ra đầu tiên vào cuối thế kỷ 18 bởi Immanuel Kant và Pierre Laplace. Lý thuyết về tinh vân giúp giải thích các hành tinh trong Hệ Mặt Trời hình thành như thế nào. Nhưng, với sự khám phá ra hành tinh “Siêu Trái Đất" quay xung quanh những ngôi sao khác, thì một lý thuyết mới, được biết đến là sự bất ổn định của đĩa đã được đề xuất.

Mô hình sự bất ổn định đĩa

Mô hình bồi đắp lõi áp dụng được cho các hành tinh kiểu Trái Đất, còn đối với các hành tinh khí thì cần sự tiến hoá nhanh hơn để “chộp" được một lượng đáng kể khí nhẹ. Tuy nhiên, các mô phỏng bồi đắp lõi không thể giải thích được sự hình thành rất nhanh này. Theo các mô hình bồi đắp lõi, quá trình này diễn ra trong vài triệu năm, trước cả khi các khí nhẹ tồn tại trong Hệ Mặt Trời. Cùng lúc đó, mô hình này phải đối mặt với vấn đề “di cư”, tức là các hành tinh trẻ có khả năng di chuyển theo đường xoắn ốc hướng về Mặt Trời trong thời gian ngắn.

Theo một lý thuyết tương đối mới - sự bất ổn đĩa, các khối bụi và khí liên kết với nhau ở thời kì đầu của Hệ Mặt Trời. Theo thời gian, các khối này dần co lại thành một hành tinh khổng lồ. Những hành tinh khổng lồ theo lý thuyết sự bất ổn đĩa có thể hình thành nhanh hơn mô hình bồi đắp lõi khoảng vài nghìn năm, đủ để cho phép chúng giữ lại được các khí nhẹ dễ bay hơi. Các hành tinh nhanh chóng đạt đến khối lượng tới hạn để quay xung quanh Mặt Trời một cách ổn định, thay vị bị hút về phía Mặt Trời.

Theo nhà thiên văn học hành tinh, Paul Wilson, nếu sự bất ổn đĩa là cơ chế hình thành chủ yếu của các hành tinh, thì sẽ tạo ra rất nhiều thế giới của các hành tinh khổng lồ. Bốn hành tinh khổng lồ quay xung quanh ngôi sao HD 9799 ở khoảng cách lớn là một bằng chứng quan sát được cho lý thuyết này. Fomalhaut B, một ngoại hành tinh (hành tinh ngoài hệ Mặt Trời) với chu kì 2000 năm quay xung quanh sao chủ của nó, cũng là một ví dụ cho thế giới được tạo ra nhờ mô hình bất ổn đĩa, mặc dù hành tinh này có thể bị loại bỏ do tương tác với các hành tinh hàng xóm của nó.

Sự bồi đắp đá cuội

Thử thách lớn nhất của mô hình bồi đắp lõi là thời gian - tạo nên những hành tinh khí khổng lồ đủ nhanh để giữ được các thành phần nhẹ hơn trong khí quyển. Nghiên cứu gần đây về các vật nhỏ cỡ viên đá cuội đã làm thế nào để kết hợp tạo thành một hành tinh khổng lồ nhanh hơn 1000 lần so với các nghiên cứu trước.

“Đây là mô hình đầu tiên chúng ta biết rằng bạn khởi công với một cấu trúc rất đơn giản cho tinh vân mặt trời, nơi mà các hành tinh hình thành, và kết thúc với hệ các hành tinh khổng lồ mà chúng ta thấy.” Tác giả Harold Levision, nhà thiên văn tại viên nghiên cứu Tây Nam (Southwest Research Institute - SwRI) ở Colorado phát biểu năm 2015.

Năm 2012, các nhà nghiên cứu Michiel Lambrechts and Anders Johansen từ trường Đại học Lund, Thuỵ Điển cho rằng, các viên đá cuội nhỏ nắm giữ chìa khoá cho việc tạo nên những hành tinh khổng lồ.

“Chúng cho thấy những viên đá cuội còn lại từ quá trình hình thành, mà trước đây ta cho rằng chúng không quan trọng, thực ra có thể là câu trả lời cho vấn đề về sự hình thành các hành tinh”, Levison cho biết.

Levison và nhóm của ông đã xây dựng mô hình mô tả chính xác làm thế nào để các viên đá cuội có thể hình thành nên những hành tinh mà chúng ta thấy trong thiên hà ngày nay. Trong khi với các mô phỏng trước đây, những vật thể kích thước lớn và trung bình phá huỷ các viên đá cuội với tốc độ tương đối ổn định, thì các mô phỏng của Levison đề xuất rằng, các vật thể lớn hơn (có khối lượng cỡ trung bình), “hành xử như những kẻ chuyên đi bắt nạt”, chộp lấy những viên đá cuội ở xa để phát triển với tốc độ lớn hơn rất nhiều.

“Những vật thể lớn đó có xu hướng tán xạ các vật thể nhỏ nhiều hơn là các vật thể nhỏ tán xạ ngược lại chúng, vì vậy cuối cùng các vật thể nhỏ sẽ bị tán xạ ra khỏi đĩa chứa các viên đá cuội”, đồng tác giả của nghiên cứu, Katherine Kretke, cũng đến từ SwRI, cho biết. “Những vật thể lớn chủ yếu “bắt nạt” những vật thể nhỏ, nên chúng có thể “ăn” hết những viên đá cuội một mình, và tiếp tục lớn dần để hình thành lõi của những hành tinh khổng lồ.”

Sự làm nóng và làm nguội

Giống như tất cả các hành tinh, Sao Hoả trở nên nóng ngay khi nó được hình thành nhờ có năng lượng từ những va chạm. Phía trong của hành tinh nóng chảy và các nguyên tố nặng như sắt chìm vào tâm, tạo nên lõi của hành tinh. Các hợp chất silic nhẹ hơn hình thành nên lớp man-tít và những hợp chất ít đậm đặc nhất sẽ hình thành lớp vỏ. Sao Hoả có lẽ có từ trường trong vài trăm triệu năm, nhưng khi hành tinh này nguội đi, từ tường cũng mất đi.

Sao Hoả “thời trẻ” có những núi lửa hoạt động, phun ra dung nham chảy trên bề mặt, và cả nước và khí cacbonic trong khí quyển. Nhưng không có hoạt động kiến tạo nào trên Sao Hoả, nên những núi lửa này duy trì ở trạng thái tĩnh và chỉ phát triển sau mỗi lần phun trào mới.

Những nghiên cứu này chỉ ra rằng, hoạt động của núi lửa có lẽ còn khiến cho Sao Hoả có lớp khí quyển dày hơn. Đồng thời, từ trường của Sao Hoả bảo vệ hành tinh này khỏi bức xạ và gió Mặt Trời, nên với áp suất khí quyển lớn, có lẽ nước đã chảy thành trên bề mặt của Sao Hoả. Nhưng khoảng 3.5 tỉ năm sau, Sao Hoả trở nên nguội dần. Các ngọn núi lửa phun trào ngày càng ít dần và từ trường dần biến mất. Lớp khí quyển lúc này không còn được bảo vệ nên bị gió Mặt Trời thổi bay và bề mặt bị bức xạ đổ bộ.

Dưới những điều kiện đó, nước dạng lỏng không thể tồn tại trên bề mặt Sao Hoả. Các nghiên cứu đề xuất rằng nước bị giam giữ dưới lòng đất dưới dạng lỏng và dạng rắn, cũng như ở dạng tấm đá phủ ở cực.

Sự sống mà chúng ta biết luôn cần có nước dạng lỏng, vì vậy các nhà nghiên cứu luôn quan tâm tới việc tìm kiếm bằng chứng của sự sống trên Sao Hoả.

Nguồn: Space.com

Tham khảo

Author: Ngan K. Nguyen
Nghiên cứu sinh ngành Khoa học hành tinh tại Nhật Bản.