Vào khoảng 4,6 tỷ năm trước, sao Hỏa cùng các hành tinh còn lại trong hệ Mặt trời được hình thành. Tuy nhiên, việc tìm hiểu chính xác về cách mà các hành tinh trong hệ Mặt trời được hình thành như thế nào vẫn còn là một đề tài gây nhiều tranh luận. Gần đây, có hai giả thuyết đưa ra được cho là có tính chính xác cao nhất.
Giả thuyết đầu tiên được phổ biến rộng rãi nhất đó là bồi tụ lõi hoạt động tốt trong sự hình thành của các hành tinh trên mặt đất giống như sao Hỏa, nhưng lại có 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 của các hành tinh khổng lồ.
Hình ảnh về tinh vân mặt trời trong hệ Mặt trời của chúng ta, đám mây khí và bụi được hình thành bởi các hành tinh. (Nguồn ảnh: tác giả Tranh William K. Hartmann, Viện Khoa học hành tinh ở Tucson).
Các nhà khoa học tiếp tục nỗ lực nghiên cứu về các hành tinh nằm trong và nằm ngoài hệ Mặt trời để hiểu rõ hơn các phương pháp này, theo một cách chính xác nhất.
Mô hình bồi tụ lõi
Giả thuyết ban đầu, được biết đến là bồi tụ lõi, đó là hệ Mặt trời bắt đầu như một đám mây gợn sóng, rộng lớn có khí lạnh và bụi, được gọi là tinh vân mặt trời. Tinh vân bị phá vỡ bởi lực hấp dẫn của chính nó và dát phẳng vào một đĩa quay. Vật chất được hút vào trung tâm đĩa, tạo thành Mặt Trời.
Những mảnh nhỏ khác nhau của vật chất bị mắc kẹt lại với nhau tạo thành các khối được gọi là các vật thể hành tinh (planetesimals). Một số vật thể hành tinh kết hợp tạo thành các tiểu hành tinh, sao chổi, mặt trăng và hành tinh. Gió mặt trời - các hạt điện tích truyền ra từ Mặt trời - cuốn trôi các phân tử nhẹ hơn như khí hydro và heli, để lại phía sau toàn bộ là các hành tinh đá nhỏ. Tuy nhiên, ở vùng ngoài hệ Mặt trời, hành tinh khí khổng lồ tạo thành chủ yếu là khí hydro và heli được hình thành do gió mặt trời suy yếu.
Có lẽ, các quan sát ngoại hành tinh giúp xác định bồi tụ lõi như quá trình hình thành bị ảnh hưởng. Những ngôi sao chứa nhiều "kim loại" – cụm từ mà các nhà thiên văn học sử dụng cho các yếu tố khác có nhiều hydro 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 mờ.
Trong năm 2017, Cơ quan Vũ trụ châu Âu lên kế hoạch phóng CHaracterising ExOPlanet Satellite (Cheops), sẽ nghiên cứu các ngoại hành tinh khác nhau về mặt kích thước từ siêu Trái đất đến sao Hải Vương. Nghiên cứu về những hành tinh xa xôi có thể giúp xác định được sự hình thành của các hành tinh trong hệ Mặt trời.
"Trong viễn cảnh bồi tụ lõi, lõi của một hành tinh phải đạt được khối lượng tối đa trước khi nó có thể phát triển khí trong thời gian di chuyển. Khối lượng đạt tới này còn 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.
Vào những năm cuối thế kỷ 18, Immanuel Kant và Pierre Laplace lần đầu tiên công nhận về sự có mặt của bồi tụ lõi. Giả thuyết bồi tụ lõi giúp giải thích về sự hình thành của các hành tinh trong hệ Mặt trời. Tuy nhiên, việc khám phá về các hành tinh "Siêu Trái Đất" xoay quanh các ngôi sao khác vẫn còn là một giả thuyết mới, được đề xuất với tên gọi "đĩa không ổn định".
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 vào 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 các vấn đề thay đổi, giống như hành tinh con có khả năng di chuyển theo đường xoắn ốc xung quanh Mặt trời trong một khoảng thời gian ngắn.
Theo một giả thuyết tương đối mới, "đĩa không ổn định", những khối tích tụ bụi và khí bị ràng buộc với nhau trong thời gian đầu hình thành 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, đôi khi là ít nhất khoảng 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, cũng có thể là một ví dụ về một thế giới được hình thành thông qua đĩa không ổn định, mặc dù hành tinh có thể bị đẩy ra khi tương tác với các hành tinh xung quanh.
Bồi tụ Pebble
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 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.
Hình ảnh phía tây ngọn núi lửa trẻ Olympus Mons có đồi và dốc thoai thoải với các kênh đào rõ ràng, một số còn có thể được tạo bởi dòng chảy chất lỏng - nước và một số được trông thấy rõ ràng hơn bởi các dòng sông băng. (Nguồn ảnh: Nature / ESA / G. Neukum).
Levison cùng nhóm nghiên cứu của ông đã xây dựng dựa trên các mô hình nghiên cứu chính xác hơn về cách các viên sỏi nhỏ hình 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".
"Làm nóng" và "làm mát"
Giống như tất cả các hành tinh khác, sao Hỏa nóng lên khi được hình thành bởi năng lượng từ những va chạm. Bên trong hành tinh tan chảy và các phần tử dày đặc như sắt chìm xuống phía trung tâm, tạo thành lõi. Các phần tử silicates (hợp chất có anion silic) nhẹ hơn tạo thành lớp vỏ mantle, các silicat "kém dày đặc" nhất hình thành lớp vỏ. Có lẽ, sao Hỏa đã có từ trường từ vài trăm triệu năm trước, nhưng khi hành tinh sao Hỏa này "nguội" thì lớp từ trường này cũng "biến mất".
Hành tinh sao Hỏa trẻ có các núi lửa đang hoạt động, phun dung nham lên trên bề mặt; nước và carbon dioxide đi vào khí quyển. Tuy nhiên, không có hoạt động kiến tạo trên sao Hỏa, vì vậy những ngọn núi lửa không di chuyển và chỉ phát triển mỗi khi phun trào.
"Dường như sự phun trào núi lửa cũng có thể giúp sao Hỏa có một bầu khí quyển dày hơn. Từ trường của sao Hỏa bảo vệ hành tinh khỏi bức xạ và gió mặt trời. Với một áp suất khí quyển cao hơn, nước sẽ tràn lên bề mặt sao Hỏa. Nhưng khoảng 3,5 tỷ năm trước, sao Hỏa bắt đầu được làm mát. Núi lửa phun trào ngày càng ít hơn và từ trường cũng biến mất. Không khí không được bảo vệ, bị gió mặt trời thổi bay và bề mặt Hỏa tinh bị tấn công dồn dập bởi bức xạ", nghiên cứu đã chỉ ra.
Với những điều kiện này, nước ở dạng chất lỏng không thể tồn tại được trên bề mặt sao Hỏa. Các nghiên cứu cho thấy nước bị mắc kẹt dưới lòng đất ở cả dạng lỏng và đóng băng; và trong các tảng băng ở chỏm băng vùng cực.
Theo như chúng ta biết, sự sống tồn tại được khi nước ở dạng chất lỏng, vì vậy có rất nhiều bằng chứng thú vị được tìm thấy trên sao Hỏa.