MỤC LỤC

Những giả thuyết về sự hình thành của Hệ Mặt Trời

Nhưng những thiên thể trong Hệ Mặt Trời từ đâu mà có? Câu hỏi này đã làm đau đầu con người trong hàng ngàn năm. Những lời giải thích đầu tiên là những câu chuyện thần thoại chảy suốt từ tôn giáo. Thực tế, chỉ vài thế kỷ gần đây các nhà khoa học và triết học, khi nhìn vào hành vi của Mặt Trời, Trái Đất và các thiên thể khác, mới bắt đầu thúc đẩy những học thuyết khoa học để giải thích sự hình thành của Mặt Trời và gia đình nhỏ của nó. Tất nhiên, nhiều tính chất đã biết của Hệ Mặt Trời được kể ở trên là những phát hiện mới đây. Ví dụ, vành đai Kuiper và đám mây Oort được xác nhận lần đầu tiên vào giữa thế kỷ thứ hai mươi. Vì vậy không ngạc nhiên gì khi những hiểu biết về cấu trúc của Hệ Mặt Trời trước đây là sai lầm. Vì chúng được hình thành vào thời điểm mà chúng ta chưa có cái nhìn tổng quát. Điều này không có nghĩa rằng chúng ta đã có bức tranh toàn diện vào thời điểm này. Nhưng chắc chắn chúng ta có bức tranh đầy đủ hơn-và kiến thức phát triển của chúng ta về vật lý cũng giúp ích rất nhiều cho hành trình tìm kiếm sự thật.

Một trong những người đầu tiên mô tả sự hình thành Hệ Mặt Trời một cách khoa học là nhà triết học và là nhà toán học người Pháp René Descartes (1596-1650). Descartes sống trước thời của Sir Isaac Newton (1642-1727)-như vậy là trước thời của khái niệm hấp dẫn. Vì vậy, quan điểm của Descartes là vật chất không di chuyển theo ý chúng mà là do sự tác động của Chúa. Ông tưởng tượng ra vũ trụ được lấp đầy bởi những phần tử xoáy, và năm 1644 ông đã cho rằng Mặt Trời và các hành tinh đông đặc từ một cơn lốc xoáy khổng lồ và sau đó lại liên kết với nhau bằng một cách nào đó. Lý thuyết của ông đã giải thích được quỹ đạo tròn của các hành tinh và thật thú vị vì ông đã có một ý tưởng đúng về việc liên kết. Nhưng, ngày nay chúng ta biết vật chất không hoạt động theo cách ông nghĩ, và lý thuyết của Descarte không phù hợp với các dữ liệu đã có.

Sau đó, năm 1745, một người Pháp khác đã thiết lập một ý tưởng thay thế. Tên ông là Georges-Louis Leclerc, comte de Buffon (1707-1788). Buffon cho rằng một sao chổi khổng lồ đã tiến đến gần Mặt Trời và đã bị kéo ra thành một vòng cung vật chất lớn ra không gian, từ đó các hành tinh được tích tụ thành. Ông không giải thích trực tiếp Mặt Trời được hình thành từ đâu. Thú vị là, mô hình này-lý thuyết ‘gặp gỡ’-lại được sử dụng vào năm 1900 khi có hai nhà thiên văn học cho rằng Mặt Trời không gặp một sao chổi khổng lồ mà là một ngôi sao khác. Tất nhiên các ý tưởng này đều sai. Vật chất bị kéo ra từ Mặt Trời quá nóng để hình thành nên các hành tinh. Và khoảng cách trung bình giữa các ngôi sao giống như những trái sơ ri cách nhau hàng dặm-khả năng có bất kỳ hai ngôi sao đến đủ gần với nhau, cho dù là xét trong suốt tuổi đời của thiên hà Ngân Hà, cũng là rất thấp. Nếu đúng, thì lý thuyết gặp gỡ mới sẽ cho thấy Hệ Mặt Trời của chúng ta là khá hiếm gặp, một sự trùng hợp thần kỳ, và có thể là duy nhất trong 200 tỷ ngôi sao trong thiên hà mà Mặt Trời ở trong đó. Nhưng như chúng ta sẽ thấy bên dưới, hệ các hành tinh là bình thường, không phải đặc biệt. Một lần nữa, các lý thuyết không phù hợp với dữ liệu thực tế.

Lý thuyết đúng nhiều nhất-hay ít nhất là được chấp nhận hiện nay-về sự hình thành của Hệ Mặt Trời được mô tả lần đầu tiên vào năm 1755 bởi nhà triết học người Đức Immanuel Kant (1724-1804). Kant tin rằng Mặt Trời và các hành tinh được tích tụ từ một đĩa khí bụi khổng lồ mà nó được tạo thành từ một đám mây vật chất giữa các vì sao. Tuy nhiên, lsy thuyết của ông ít được chú ý tới, và cho đến khi Pierre-Simon, marquis de Laplace (1749-1827) độc lập đưa ra ý tưởng tương tự 54 năm sau đó thì nó mới được sự chú ý của đông đảo mọi người. Kant và Laplace đã thành công nơi Descartes đã thất bại vì công trình của họ được sự hổ trợ bởi khái niệm hấp dẫn của Newton. Quan điểm của họ là một đám mây giữa các vì sao khi sụp đổ sẽ bị làm phẳng do sự quay của nó. Mặt Trời sẽ được hình thành tại tâm trong khi cấc hành tinh được tạo thành ở xung quanh trên cái đĩa, đông đặc từ các vòng tròn đồng tâm vật chất bị bắn ra từ ngôi sao. Lý thuyết này được biết đến với cái tên ‘thuyết tinh vân’.

Hình dưới: Giả thuyết hiện đại về nguồn gốc Hệ Mặt Trời là dựa trên mô hình từ thế kỷ mười tám do Kant và Laplace tạo ra. Được biết với cái tên thuyết tinh vân, nó cho rằng Mặt Trời, các hành tinh, tiểu hành tinh và sao chổi đề được tạo ra từ một đám mây giữa các vì sao suy sập dưới tác động của lực hấp dẫn và bẹt ra do chuyển động quay. Mặt Trời được tạo thành ở trung tâm và các hành tinh tích tụ dần dần ở cái đĩa.

 

*(1)Hình trên: Ngoại trừ Sao Diêm Vương và Sao Kim, quỹ đạo của tất cả các hành tinh đều rất gần mặt phẳng hoàng đạo, được định nghĩa là mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo ra. Vì vậy khi nhìn từ bên cạnh, hầu hết các hành tinh đều nằm trên một cái đĩa mỏng, ở đây được thể hiện là hai tam giác màu cam.

Ưu điểm của thuyết tinh vân có rất nhiều. Nó tạo ra một Hệ Mặt Trời hình đĩa với Mặt Trời làm tâm, các hành tinh có quỹ đạo gọn gàng, gần tròn, tất cả đều quay và chuyển động theo một hướng-thỏa mãn tính chất 1-6 ở trên. Nhưng một vấn đề lớn vẫn còn tồn tại trong ý tưởng này: nó làm cho Mặt Trời tự quay quá nhanh. Mặt Trời, tự quay quanh trục giống như các hành tinh, quay một vòng mất 30 ngày. (Thực tế vận tốc quay khác nhau phụ thuộc vào vĩ độ trên nó.) Nhưng theo thuyết tinh vân thì nó phải quay nhanh hơn ít nhất là 400 lần. Theo ngôn ngữ khoa học, Mặt Trời còn rất ít momen quán tính so với ban đầu, và nó được gọi là vấn đề momen quán tính. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học hiện đại vẫn chưa phủ nhận thuyết tinh vân. Thực tế, họ đã tìm cách cải tiến nó để tạo ra một Mặt Trời chuyển động chậm hơn và thỏa mãn điểu 7-10. Quan trọng hơn, khi kỹ thuật quan sát đã phát triển, người ta đã xác nhận rằng thiên hà Ngân Hà chúng ta được lấp đầy bởi những thiên thể, mà theo Kant và Laplace, đã tạo nên Hệ Mặt Trời chúng ta: những cái bánh khí và bụi ấm khổng lồ mang cái tên đĩa tiền hành tinh. Ngày nay, cái đĩa đã tạo nên Hệ Mặt Trời của chúng ta được gọi là Tinh Vân Mặt Trời.

Tuy nhiên, mô hình Tinh Vân Mặt Trời cũng có những vấn đề. Các nhà thiên văn không chỉ tìm thấy những đĩa tiền hành tinh; họ còn tìm thấy những hành tinh khác bên ngoài Hệ Mặt Trời-được gọi là hành tinh ngoài hệ mặt trời, quay xung quanh các ngôi sao khác-và chúng xuất hiện với tỷ lệ đáng báo động. Chỉ trong vòng năm năm, con số hệ hành tinh được biết nhảy từ không lên hàng tá. Vấn đề của mô hình tinh vân là, mặc dù nó đúng với nhiều tính chất của Hệ Mặt Trời, nó lại thất bại trong việc tạo ra những tính chất chi tiết của những hệ khác. Ví dụ, một sô hệ có những hành tinh cực nặng với quỹ đạo cực dẹt, không phải gần tròn như hầu hết các hệ mặt trời hành tinh khác. Các ngôi sao khác lại có những hành tinh nặng ở rất, rất gần sao trung tâm, thường có chu kỳ chuyển động-‘năm’-bằng với vài ngày trên Trái Đất! Những hành tinh nặng này rõ ràng là khí, như Sao Mộc hay Sao Thổ. Hiện nay vẫn chưa có cách nào đơn giản để biết bằng cách nào chúng lại được hình thành gần ngôi sao mẹ đến vậy. Phần lớn mọi người tin các hành tinh khổng lồ được hình thành ở vị trí giôgns như Hệ Mặt Trời của chúng ta, cách xa Mặt Trời, vì đó là khoảng cách duy nhất mà nhiệt độ xuống đủ thấp để những phần tử băn đá có thể tích tụ, gần hơn, sẽ quá nóng, và chỉ có những hành tinh đá và sắt nhỏ có thể được hình thành.

Tống kết là vẫn còn một chặng đường dài để chúng ta thực sự có mô hình có thể tạo ra những tính chất quan sát được ở mọi hệ hành tinh đã biết, bao gồm của chúng ta. Thực tế, có thể sẽ không có mô hình nào có thể được tìm ra. Ví dụ, trong Hệ Mặt Trời của chúng ta, nhiều hành tinh có những tính chất như hiện nay là do những tác động không tiên đoán được trong không gian vào thời điểm trước đây rất lâu. Nếu Hệ Mặt Trời được hình thành một alàn nữa, Trái Đất có thể không có Mặt Trăng, và Sao Diêm Vương có thể có qux đạo gần tròn bình thường hơn-đây chỉ là hai trong rất nhiều tính chất của Hệ Mặt Trời mà chúng có thể đã khác đi so với ngày nay. Tuy nhiên, bức tranh chung về các ngôi sao và hành tinh được hình thành từ một cái đĩa xoay tròn có vẻ vẫn còn chính xác. So với nhiều lý thuyết khác, thuyết tinh vân phù hợp với dữ liệu nhất. Đây là mô hình tôi sử dụng trong cuốn sách này.

Câu chuyện về Hệ Mặt Trời

Nhưng cuốn sách này không chỉ viết về sự hình thành của Hệ Mặt Trời. Thực ra, đó chỉ là một phần của câu chuyện về Hệ Mặt Trời, được nói toàn bộ từng bước một trong phần 1 và 2. Phần ba cũng nhắc đến chủ đề này, nhưng chủ yếu nó mô tả chi tiết vật chất và so sánh các thành phần trong Hệ Mặt Trời, và mô tả về việc chúng đã thay đổi và phát triển như thế nào kể từ khi được sinh ra. Cuối cùng, phần 4 nhắc đến tương lai. Nó nói về sự sụp đổ của hệ hành tinh của chúng ta, trong thời điểm quá xa để chúng ta thực sự hình dung được.

Một cái nhìn về tương lai nghe có vẻ khá đáng ngờ. Rõ ràng là chúng ta sẽ không thể chứng kiến được điều gì sẽ xảy ra với Mặt Trời, Trái Đất và những thành phần khác trong tương lai tốt hơn như việc chúng ta tìm kiếm dấu vết về sự hình thành của chúng trong quá khứ. Vậy bằng cách nào chúng ta biết chắc những lý thuyết của mình là đúng? Tất nhiên là gần như không thể. Nhưng chúng ta có thể đoán bằng cách quan sát và phân tích dữ liệu. Các nhà thiên văn đã nghiên cứu đủ các vì sao để biết rằng không chỉ Mặt Trời sẽ trải qua, từ khi được sinh ra, mà hàng tỷ ngôi sao ngoài kia cũng sẽ đến thời kỳ sụp đổ của chúng. Một cách tốt để hiểu được các nhà thiên văn học tìm hiểu bằng cách nào là tưởng tượng ra những tấm ảnh của gia đình. Các cá nhân có thể nói rất ít về vòng đời của con người. Nhưng bằng cách nghiên cứu các tấm hình của con người ở những giai đoạn khác nhau trong cuộc sống của họ có thể đưa ra kết luận về việc con người sẽ thay đổi như thế nào về vật lý theo thời gian. Họ bắt đầu khi còn nhỏ, cao lớn hơn, đạt đến một mức nào đó, phát triển nếp nhăn và còng xuống-những hình ảnh không duyên dáng chút nào!-và sau đó là chấm dứt sự sống. Điều này cũng tương tự với các vì sao. Có rất nhiều trong số chúng, mỗi một ngôi sao lại ở một thời kỳ phát triển, khi kết hợp lại chúng sẽ kể một câu chuyện-câu chuyện về vòng đời của một ngôi sao đơn lẻ, thông thường, từ khi nằm nôi cho đến khi ra nghĩa địa.

Và bằng cách đặt giả thuyết, và kiểm tra giải thuyết bằng quan sát, các nhà thiên văn học đã đạt được hiểu biết hiện tại của họ về Hệ Mặt Trời, quá khứ, hiện tại và tương lai. Bây giờ, chúng ta sẽ theo dõi câu chuyện lớn này một cách chi tiết, bắt đầu, như mọi câu chuyện khác, tại thời điểm xuất phát.

--------------------------------------------------------------
Kết thúc phần Giới thiệu

--------------------------------------------------------
Ghi chú:
*(1) Các từ tiếng Anh trong hình: All others: Các hành tinh khác
Eliptic: Mặt phẳng hoàng đạo
Mecury: Sao Thủy
Pluto: Sao Diêm Vương

(Còn tiếp...)
The Story of the Solar System-Câu chuyện về Hệ Mặt Trời
Người dịch: Trịnh Khắc Duy - CLB Thiên văn Bách khoa

Author: Trịnh Khắc Duy
Cựu thành viên CLB Thiên văn Bách khoa - PAC (nay là CLB Thiên văn học Đà Nẵng - DAC); Cựu sinh viên trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng (khoá 06).