Trong mô hình "tác động khổng lồ" về sự hình thành của Mặt Trăng dưới đây, Mặt Trăng "trẻ" bắt đầu quỹ đạo của nó trong mặt phẳng xích đạo của Trái đất. Với phiên bản tiêu chuẩn của mô hình này (bảng trên), độ nghiêng của Trái đất hiện nay là 23,5 độ. Mặt trăng sẽ di chuyển từ từ ra bên ngoài dọc theo con đường thay đổi từ mặt phẳng xích đạo đến mặt phẳng "đường hoàng đạo", được định nghĩa bởi quỹ đạo của Trái đất quay quanh Mặt trời.
Tuy nhiên, nếu Trái đất có độ nghiêng lớn hơn nhiều sau tác động (~ 75 độ, bảng dưới) sau đó sự thay đổi giữa mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng hoàng đạo xảy ra đột ngột, dẫn đến dao động lớn về mặt phẳng hoàng đạo. Hình ảnh thứ hai phù hợp với 5 độ quỹ đạo nghiêng hiện tại của Mặt trăng đi từ mặt phẳng hoàng đạo.
Mô hình độ nghiêng của Trái đất đến Mặt trăng. (Nguồn ảnh: Douglas Hamilton).
Mặt trăng - "hàng xóm" nằm gần Trái đất nhất, là một trong các cơ quan hành tinh lạ lùng nhất trong hệ Mặt Trời. Quỹ đạo của Mặt trăng nằm cách xa Trái đất một cách bất thường, với một độ nghiêng quỹ đạo cực kỳ lớn. Các nhà khoa học vũ trụ đã cùng nhau thảo luận về một viễn cảnh để giải thích điều này và những đặc tính khác có liên quan đến hệ thống Trái đất-Mặt trăng.
Một nghiên cứu mới, dựa trên mô hình số của sự hình thành bùng nổ và tiến hóa của hệ thống Trái đất-Mặt trăng, đến gần hơn để có thể giải thích được tất cả các giả thuyết "lỏng lẻo" hơn so với những lời giải thích nào trước kia. Nghiên cứu được công bố vào ngày 31 tháng 10 năm 2016 trên tạp chí Nature, cho rằng tác động hình thành lên Mặt trăng cũng gây ra những thay đổi tác động xấu đến chuyển động quay của Trái đất và độ nghiêng trục quay của nó.
Nghiên cứu cho thấy rằng tác động khiến Trái đất quay nhanh hơn nhiều, với một độ nghiêng dốc hơn nhiều so với hiện nay. Vài tỷ năm kể từ khi tác động, tương tác phức tạp giữa Trái đất, Mặt trăng và Mặt trời đã tạo thuận lợi cho những thay đổi này, kết quả là hệ thống Trái đất-Mặt trăng mà chúng ta thấy hiện nay. Ở viễn cảnh này, các vật dị còn lại trong quỹ đạo của Mặt trăng là những vật tàn dư của sự bùng nổ trong quá khứ của hệ thống Trái đất-Mặt trăng.
Hệ thống Trái đất-Mặt trăng. (Nguồn ảnh: NASA).
"Bằng chứng cho thấy một tác động khổng lồ phóng ra một số lượng lớn các vật liệu hình thành nên Mặt trăng. Vật liệu này sẽ tạo thành một vòng tròn mảnh vụn đầu tiên, sau đó vòng tròn này sẽ tổng hợp để hình thành Mặt trăng. Nhưng viễn cảnh này sẽ không hoạt động nếu trục quay của Trái Đất bị nghiêng một góc 23,5 độ như chúng ta quan sát thấy hiện nay" - Douglas Hamilton, giáo sư thiên văn học tại trường Đại học Maryland và cũng là đồng tác giả của báo Nature cho biết.
Sự va chạm vật lý tập hợp vòng tròn mảnh vụn này lại với nhau – do đó, quỹ đạo của Mặt trăng ngay lập tức được hình thành sau đó – nằm trong mặt phẳng xích đạo của Trái Đất. Khi các tương tác thủy triều giữa Trái đất và Mặt trăng di chuyển Mặt trăng ra xa Trái đất hơn, Mặt trăng nên di chuyển từ mặt phẳng xích đạo Trái đất đến mặt phẳng "đường hoàng đạo", tương ứng với quỹ đạo của Trái đất quay quanh Mặt trời.
Nhưng hôm nay, thay vì nằm thẳng hàng với mặt phẳng hoàng đạo, quỹ đạo của Mặt trăng lại nghiêng so với nó 5 độ.
"Độ nghiêng lớn này rất kỳ lạ. Cho đến nay vẫn chưa tìm ra được lời giải thích phù hợp, nhưng chúng ta có thể hiểu về nó nhiều hơn nếu Trái đất có lịch sử ban đầu ấn tượng hơn so với những gì chúng tôi dự đoán trước đây" - Hamilton nói.
Hamilton, cùng với tác giả chính Matija Cuk của Viện SETI cùng đồng nghiệp Simon Lock của trường Đại học Harvard, Sarah Stewart của trường Đại học California và Davis đã thử nhiều viễn cảnh khác nhau. Nhưng viễn cảnh thành công nhất, gồm có tác động Mặt trăng hình thành đã khiến Trái đất quay tròn với tốc độ cực nhanh - nhanh gấp 2 lần tỷ lệ dự đoán ở các mô hình khác. Tác động này cũng khiến Trái đất nghiêng hơn, khoảng giữa 60 đến 80 độ.
"Chúng tôi nghi ngờ rằng Trái đất chắc chắc phải quay đặc biệt nhanh sau tác động đó. Độ nghiêng ban đầu của Trái Đất cao có thể khiến hành tinh của chúng ta không thể quay nhanh một cách dễ dàng hơn được" - Cuk nói.
Mô hình này cũng cho thấy Mặt trăng lúc mới hình thành nằm rất gần với Trái đất, nhưng sau đó lại tự trôi ra xa - gần 15 lần so với khoảng cách ban đầu. Vì vậy, Mặt trời bắt đầu có ảnh hưởng mạnh mẽ hơn so với quỹ đạo của Mặt trăng.
Theo các nhà nghiên cứu, cả hai yếu tố - độ nghiêng lớn, tốc độ quay nhanh của Trái đất và mặt trăng di cư - bên ngoài - tạo ra sự hình thành quỹ đạo kỳ lạ của Mặt trăng hiện tại. Quỹ đạo Mặt trăng mới hình thành rất có thể đi theo đường xích đạo của Trái đất, nghiêng một góc 60-80 độ phù hợp với độ nghiêng của Trái đất.
Một phát hiện quan trọng trong nghiên cứu mới này là, nếu Trái đất thực sự nghiêng hơn 60 độ sau khi Mặt trăng được hình thành thì Mặt trăng không thể di chuyển nhẹ nhàng từ mặt phẳng xích đạo của trái đất tới mặt phẳng hoàng đạo được. Thay vào đó, quá trình chuyển đổi xảy ra đột ngột và để lại Mặt trăng với một độ nghiêng lớn so với mặt phẳng hoàng đạo - lớn hơn rất nhiều so với những gì quan sát được ngày hôm nay.
"Khi Mặt trăng di chuyển ra phía bên ngoài, độ nghiêng dốc của Trái Đất khiến cho quá trình chuyển đổi hỗn loạn hơn khi Mặt trời trở thành một ảnh hưởng lớn hơn. Do đó, trải qua hàng tỉ năm, độ nghiêng của Mặt trăng từ từ hạ xuống đến năm độ như chúng ta thấy ngày nay. Vì vậy, nghiêng 5 độ là một di vật và dấu hiệu nghiêng hơn nhiều trong quá khứ" - Cuk nói.
Hamilton thừa nhận rằng: "Mô hình không phải dùng để trả lời tất cả các câu hỏi còn lại về quỹ đạo của Mặt trăng. Mục đích của mô hình này là cung cấp một khuôn mẫu để trả lời những câu hỏi khác trong tương lai".
"Có rất nhiều con đường tiềm năng từ sự hình thành của Mặt trăng đến hệ thống Trái đất-Mặt trăng chúng ta thấy ngày hôm nay. Và chúng tôi đã xác định được một vài trong số chúng, nhưng chắc chắn sẽ có các khả năng khác xảy ra", Hamilton nói. "Những gì chúng ta có bây giờ chỉ là một mô hình mà có thể xảy ra nhiều hơn và làm rõ các nỗ lực trước đó. Chúng tôi tin rằng đây là một cải tiến đáng kể giúp chúng ta hiểu rõ về những gì thực sự đang diễn ra".