Mặc dù biết các hành tinh quay xung quanh những ngôi sao trong thiên hà, nhưng vấn đề chúng được hình thành như thế nào vẫn còn là một đề tài tranh luận. Dù sự giàu có của thế giới trong hệ Mặt trời chúng ta, các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn được rằng các hành tinh được hình thành như thế nào. Thời gian gần đây, hai giả thuyết được đưa ra về "vai trò của nhà vô địch".
Giả thuyết đầu tiên được phổ biến rộng rãi nhất là "bồi tụ lõi" hoạt động tốt với sự hình thành của các hành tinh Trái đất như sao Thủy nhưng gặp vấn đề với các hành tinh khổng lồ. Giả thuyết thứ hai là phương pháp đĩa "không ổn định", có thể giải thích cho sự hình thành các hành tinh khổng lồ.
Các nhà khoa học đang tiếp tục nghiên cứu về những hành tinh nằm trong và ngoài hệ Mặt trời để tìm hiểu rõ hơn về các phương pháp này một cách chính xác nhất.
Mô hình bồi tụ lõi
Khoảng 4,6 tỷ năm trước đây, hệ Mặt trời là một đám mây bụi và khí được gọi là tinh vân mặt trời. Trọng lực phá hủy vật chất vào chính nó khi bắt đầu quay, tạo thành mặt trời ở trung tâm tinh vân.
Với sự gia tăng trọng lực của mặt trời, các vật chất còn lại bắt đầu tập trung lại. Những phần tử hút gần nhau lại, bị ràng buộc bởi trọng lực, tập hợp thành những hạt lớn. Gió mặt trời quét sạch các vật chất nhẹ hơn ở các khu vực gần, chỉ còn lại những vật chất đá, nặng để tạo ra những thế giới nhỏ hơn trên mặt đất giống như sao Thủy. Nhưng hơn thế, những cơn gió mặt trời tác động ít vào những vật chất nhẹ hơn, cho phép chúng hợp lại với nhau tạo thành hành tinh khí khổng lồ (gas giants). Các tiểu hành tinh, sao chổi, hành tinh và mặt trăng được tạo ra bằng cách này.
Giống với Trái đất, lõi kim loại của sao Thủy được hình thành đầu tiên và sau đó tập hợp các phần tử nhẹ hơn lại xung quanh để hình thành lớp vỏ và lớp che phủ. Sao Thủy cũng giống như các hành tinh khác, có khả năng thu thập các mảnh tinh vân lớn hơn tạo thành khí quyển cho nó. Tuy nhiên, khác với các hành tinh khác, khối lượng nhỏ của hành tinh (sao Thủy là hành tinh nhỏ nhất) và vị trí nằm gần với mặt trời giữ một chỗ đứng vững chắc trên các chất khí. Những tác động qua lại với gió mặt trờiliên tục thổi lên các hành tinh trên bầu khí quyển của nó, ngay cả khi được cung cấp một dòng chảy.
Các quan sát ngoại hành tinh dường như để giúp xác định bồi tụ lõi như quá trình hình thành bị ảnh hưởng. Các sao chứa nhiều "kim loại" – cụm từ mà các nhà thiên văn học sử dụng cho các yếu tố khác có nhiều hiđrô và heli hơn- trong các lõi của chúng có nhiều hành tinh khổng lồ hơn so với những hành tinh anh em "nghèo kim loại". Theo NASA, bồi tụ lõi cho thấy các thế giới đá, nhỏ phổ biến hơn những hành tinh khí khổng lồ lớn.
Phát hiện năm 2005 về một hành tinh khí khổng lồ với một lõi khổng lồ quay quanh mặt trời - giống ngôi sao HD 149026 là một ví dụ của ngoại hành tinh giúp tăng cường các trường hợp bồi tụ lõi.
"Đây là một xác nhận về giả thuyết bồi tụ lõi cho sự hình thành hành tinh và bằng chứng cho thấy các hành tinh loại này nên tồn tại trong sự phong phú hơn", Greg Henry cho biết trong một thông cáo báo chí. Greg Henry – một nhà thiên văn học tại trường Đại học Tennessee State, ở Nashvilli - đã phát hiện ra những ngôi sao "bí ẩn".
Năm 2017, Cơ quan không gian châu Âu (European Space Agency) lên kế hoạch phóng CHaracterising ExOPlanet Satellite (Cheops), nghiên cứu kích thước các ngoại hành tinh từ "siêu Trái đất" đến Neptune. Nghiên cứu về những thế giới xa xôi này có thể xác định được các hành tinh trong hệ Mặt trời được hình thành như thế nào.
"Trong viễn cảnh bồi tụ lõi, lõi của một hành tinh phải đạt được một khối lượng tới hạn trước khi nó có thể phát triển khí trong thời gian di chuyển. Khối lượng đạt tới này phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật lý, trong số đó quan trọng nhất là tỷ lệ phát triển của các vi thể hành tinh", nhóm Cheops cho biết.
Bằng nghiên cứu về sự phát triển vật chất của các hành tinh, CHEOPS đưa ra cái nhìn sâu sắc vào cách mà các "thế giới" hình thành phát triển.
Mô hình đĩa "không ổn định"
Mặc dù mô hình bồi tụ lõi hoạt động tốt trong các hành tinh trái đất, hành tinh khí khổng lồ sẽ cần phát triển nhanh chóng để giữ khối lượng đáng kể các chất khí nhẹ hơn mà chúng đang chứa. Nhưng các mô hình này không thể giải thích cho sự hình thành nhanh chóng được. Dựa theo các mô hình, quá trình này phải mất đến vài triệu năm, dài hơn so với các loại khí ánh sáng có sẵn trong thời gian đầu của hệ Mặt trời. Đồng thời, mô hình bồi tụ lõi phải đối mặt với vấn đề thay đổi, giống như các hành tinh con có khả năng di chuyển theo đường xoắn ốc xung quanh mặt trời trong một khoảng thời gian ngắn.
Mô hình đĩa "không ổn định".
Theo một giả thuyết tương đối mới, đĩa "không ổn định", những khối tích tụ bụi và khí bị ràng buộc với nhau sớm trong dòng đời của hệ Mặt trời. Trải qua thời gian, những khối tích tụ này dần hợp thành một hành tinh khổng lồ. Các hành tinh này có thể hình thành nhanh hơn so với các đối thủ bồi tụ lõi, thỉnh thoảng là trong ít nhất là một nghìn năm, cho phép chúng giữ các khí nhẹ nhanh chóng biến mất. Ngoài ra, chúng cũng nhanh chóng đạt được một khối lượng quỹ đạo bình ổn để giữ chúng từ "bước đi–chết" đến mặt trời.
Theo nhà thiên văn học ngoại hành tinh Paul Wilson, nếu đĩa "không ổn định" làm ảnh hưởng đến sự hình thành của các hành tinh thì nó nên sản xuất số lượng lớn các thế giới theo một trật tự lớn. Bốn hành tinh khổng lồ quay quanh một khoảng cách đáng kể xung quanh ngôi sao HD 9799 cung cấp bằng chứng quan sát cho đĩa bay không ổn định. Fomalhaut b, một ngoại hành tinh quay xung quanh mặt trời quỹ đạo 2000 năm, có thể cũng là một ví dụ về một thế giới được hình thành thông qua đĩa không ổn định, mặc dù hành tinh cũng có thể bị đẩy ra khi tương tác với các hành tinh xung quanh.
Bồi tụ Pebble (Pebble accretion)
Thách thức lớn nhất đối với sự bồi tụ lõi là thời gian - xây dựng hành tinh khí khổng lồ nhanh chóng để giữ lấy các thành phần nhẹ hơn của khí quyển. Gần đây, nghiên cứu về các vật thể nhỏ hơn, kích thước chỉ bằng viên sỏi hợp nhất với nhau để hình thành các hành tinh khổng lồ nhanh gấp 1000 lần so với các nghiên cứu được thực hiện trước đó.
"Đây là mô hình đầu tiên mà chúng ta biết đến khi bắt đầu với những cấu trúc đơn giản về tinh vân mặt trời, từ những gì mà các hành tinh hình thành và kết thúc là hệ thống hành tinh khổng lồ mà chúng ta nhìn thấy", tác giả nghiên cứu Harold Levison, một nhà thiên văn tại Viện Nghiên cứu Tây Nam (SwRI) ở Colorado, đã trả lời với Space.com vào năm 2015.
Năm 2012, các nhà nghiên cứu Michiel Lambrechts và Anders Johansen từ trường Đại học Lund ở Thụy Điển đã đề xuất rằng những viên sỏi nhỏ, mà đã từng bị loại bỏ, nắm giữ yếu tố quan trọng để xây dựng nhanh chóng các hành tinh khổng lồ.
"Họ cho thấy các viên sỏi còn sót lại từ quá trình hình thành này, trước đây được cho là không quan trọng, thực sự có thể là một giải pháp rất lớn trong vấn đề hình thành hành tinh," Levison nói.
Levison cùng nhóm nghiên cứu của ông đã xây dựng dựa trên nghiên cứu mô hình chính xác hơn về cách các viên sỏi nhỏ hình thành thành các hành tinh, quan sát được trong thiên hà ngày nay. Trong khi đó, mô phỏng trước kia, cả hai vật mẫu có kích thước lớn và vừa, tiêu diệt những hành tinh có kích thước chỉ bằng viên sỏi bằng một tỷ lệ tương đối ổn định. Nhưng mô phỏng của Levison lại cho thấy các vật mẫu lớn hơn hành động giống như "bắt nạt", "giật lấy" những viên sỏi từ những viên sỏi có khối lượng, kích thước trung bình để phát triển bằng một tỉ lệ nhanh hơn.
"Các vật mẫu lớn hơn bây giờ có xu hướng phân tán những vật mẫu nhỏ hơn so với những vật mẫu nhỏ phân tán chúng trở lại, vì vậy những vật mẫu nhỏ hơn kết thúc việc phân tán ra khỏi đĩa pebble", đồng tác giả nghiên cứu Katherine Kretke, cũng từ SwRI, có trả lời Space.com. "Về cơ bản, các chàng trai lớn hơn thường bắt nạt những chàng trai nhỏ hơn để có thể ăn tất cả các viên sỏi và tiếp tục phát triển lên tạo thành lõi của các hành tinh khổng lồ".
Hình ảnh Messenger của sao Thủy cho thấy các đường nhăn lằn xung quanh bề mặt vùng lõm được hình thành khi các đồng bằng núi lửa kéo dãn ra xa nhau. Vòng tròn nếp nhăn có đường kính khoảng 100km, được hình thành qua vành gọi là miệng núi lửa ma. (Ảnh: NASA / trường Đại học Johns Hopkins Phòng thí nghiệm Vật lý ứng dụng / Carnegie Institution of Washington / Smithsonian Institution).
Sự thay đổi tốc độ
Các nghiên cứu về Sao Thủy tiết lộ rằng: "Lõi của sao Thủy là lớn hơn rất nhiều so với dự kiếntrong mối quan hệ với các hành tinh còn lại. Với bán kính từ 1.800 km đến 1.900 km, lõi sao Thủy chủ yếu là sắt, xuyên dài qua 75% đường kính của hành tinh sao Thủy và chiếm khối lượng đáng kể. Mặt khác, lớp vỏ chỉ dày khoảng 500-600 km".
Trong những năm 1970, sau nhiệm vụ Mariner 10 đã có ba tàu bay vũ trụ bay lên sao Thủy, thành phần "kỳ lạ" của nó, gồm có cả lõi sắt cồng kềnh, dẫn đến một sự giàu có các lý thuyết về hành tinh được hình thành như thế nào. Một ý kiến cho rằng, nếu sao Thủy lớn hơn được hình thành một cách nhanh chóng, nó có thể bị chèn lên trước khi mặt trời lên tới đỉnh. Nhiệt độ cao từ các ngôi sao trẻ có thể "nấu chín" nhiều lớp vỏ ánh sáng, chỉ để lại một vỏ nhỏ bao xung quanh hành tinh.
Tuy nhiên, khi nhiệm vụ MESSENGER của NASA quan sát thấy sao Thủy, nghiên cứu thành phần trên bề mặt. Nghiên cứu cho thấy các tỷ lệ của thorium đến kali giống với các hành tinh đất đá khác. Trong khi thorium là một nguyên tố ổn định, kali dễ bay hơi, có thể bị "nướng chín" bởi nhiệt độ cao. Các phát hiện MESSENGER cho thấy rằng hành tinh không phải chịu nhiệt độ hoặc tiến hóa sớm nhưng cũng hình thành giống như các thế giới khác trên mặt đất.
Thay vào đó, sao Thủy có thể phải chịu một "thời gian bạo lực" trong giai đoạn đầu đời. Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng hành tinh ban đầu, lớp vỏ lớn và dày hơn, có thể dễ dàng bị tấn công bởi một cơ thể lớn trong "thời gian bạo lực" đầu của hệ mặt trời. Một vụ va chạm như vậy sẽ thổi mạnh vào vỏ của nó trong không gian, để lại đằng sau một lõi lớn cùng với lớp vỏ mỏng.
Va chạm sẽ xảy ra thường xuyên trong thời gian đầu của hệ mặt trời. Một giả thuyết gần đây cho thấy sao Thủy có thể là "người đàn ông đứng cuối cùng". Theo nhà khoa học hành tinh Kathryn Volk, tại trường Đại học British Columbus cho biết, một số hành tinh con có thể quay quanh gần mặt trời, nhưng một loạt các vụ va chạm phá hủy tất cả, ngoại trừ sao Thủy.
"Trong chế độ phá hoại, chúng tôi đang loại bỏ một người sống sót," Volk nói với tạp chí Astrobiology.