Hệ mặt trời của chúng ta khá đặc biệt

Các mô hình giả thuyết phổ biến nỗ lực giải thích sự hình thành của hệ mặt trời cho rằng hệ mặt trời không có gì đặc biệt xét theo mọi phương diện. Nhưng một nghiên cứu mới do các phi hành gia thuộc đại học Northwestern, bằng cách sử dụng dữ liệu mới nhất từ 300 ngoại hành tinh (exoplanet) có quỹ đạo quanh các ngôi sao khác, đã thay đổi quan điểm nói trên.

Hệ mặt trời của chúng ta thực tế khá đặc biệt. Nghiên cứu giải thích rằng nếu điều kiện ban đầu chỉ khác đi chút xíu thì nhiều điều không dễ chịu có thể đã xảy ra, ví dụ như hành tinh bị ném vào mặt trời hay bị vứt vào không gian sâu thẳm.

Với mô phỏng máy tính quy mô lớn, các nhà nghiên cứu đại học Northwestern là những người đầu tiên thiết lập mô hình mô phỏng quá trình hình thành hệ mặt trời từ giai đoạn đầu tiên đến cuối cùng, bắt đầu từ dạng đĩa khí bụi còn lại sau khi ngôi sao trung tâm hình thành rồi kết thúc là giai đoạn hệ hành tinh hoàn thiện. Do hạn chế của máy tính nên các mô hình trước đó chỉ thấy được hình ảnh tóm tắt của quá trình.

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện hơn 100 mô phỏng, kết quả cho thấy nguồn gốc của hệ hành tinh trung bình chứa đấy kịch tính và các hoạt động dữ dội, nhưng thông tin về hệ mặt trời của chúng ta lại đòi hỏi những điều kiện chính xác.

Nghiên cứu mới được công bố trên tờ Science.

Trước thời điểm khám phá ra các hành tinh đầu tiên bên ngoài hệ mặt trời vào đầu những năm 1990, 9 hành tinh (giờ chỉ còn có 8) thuộc hệ mặt trời chỉ được chúng ta biết đến. Mô hình hình thành hành tinh có nhiều hạn chế, các phi hành gia chẳng có lý do gì để nghĩ rằng hệ mặt trời rất đặc biệt.

Frederic A. Rasio – chuyên gia vật lý học thiên thể lý thuyết kiêm giáo sư vật lý, thiên văn học tại Đại học Khoa học và Nghệt thuật Weiberg – cho biết: “Chúng ta biết rằng các hệ hành tinh khác không hề giống hệ mặt trời của chúng ta”. Frederic A. Rasio cũng là tác giả của bài viết về nghiên cứu trên tờ Science. “Hình dạng quỹ đạo của các ngoại hành tinh có hình thon dài, chứ không tròn. Chúng không ở những vị trí như chúng ta dự đoán. Rất nhiều hành tinh lớn tương tự như sao Mộc, còn gọi là “sao Mộc nóng” nằm ở gần ngôi sao chúng quay quanh trong ngày. Rõ ràng chúng ta cần phải giải thích kỹ lưỡng sự hình thành hành tinh cũng như tính đa dạng lớn của các hành tinh mà chúng ta quan sát được ngày nay”. 

Hình ảnh các hành tinh. Hệ mặt trời của chúng ta hóa ra cũng khá đặc biệt. (Ảnh: NASA/Phòng thí nghiệm động cơ phản lực)

Với các dữ liệu ngoại hành tinh thu thập được trong suốt 15 năm qua, Rasio cùng các cộng sự đang nghiên cứu để hiểu được quá trình hình thành hành tinh với nghĩa rộng hơn so với trước đây. Việc thiết lập mô hình của cả một hệ thống hành tinh – một hiện tượng vật lý đa dạng có liên quan đến khí, lực hấp dẫn và các hạt vật chất ở nhiều mức độ khác nhau – là một thử thách lớn. Công việc đòi hỏi phải có máy tính cực mạnh. Các nhà nghiên cứu cũng phải xác định sáng suốt rằng thông tin nào quan trọng, thông tin nào không để tăng tốc các tính toán. Họ quyết định theo dõi sự phát triển của hành tinh, tương tác lực hấp dẫn giữa các hành tinh, và cả hệ thống hành tinh theo quá trình mở rộng về không gian. Họ quyết định không theo dõi chi tiết động lực học chất lưu của đĩa khí mà chỉ ở mức khái quát. Kết quả là, họ đã có thể thực hiện được các mô phỏng nối toàn bộ quá trình hình thành hệ thống hành tinh.

Mô phỏng cho thấy nguồn gốc của một hệ thống hành tinh trung bình cực kỳ nhiều biến động. Đĩa khí hình thành nên các hành tinh cũng đẩy chúng không thương tiếc đến ngôi sao trung tâm nơi chúng tập trung lại với nhau hoặc bị nhấn chìm. Đối với các hành tinh đang hình thành, có một sự cạnh tranh về khí, một quá trình hỗn loạn tạo ra đa dạng khối lượng hành tinh.

Khi các hành tinh tiến lại gần nhau, chúng thường có cộng hưởng động lực khiến quỹ đạo của tất cả các hành tinh liên quan bị kéo dài đáng kể. Tương tác lực hập dẫn như trên thường gây ra những lần va chạm làm văng hành tinh đến nơi nào đó trong hệ thống. Đôi khi cũng có một hành tinh bị tống ra khỏi hệ, bay vào không gian sâu thẳm. Mặc dù đĩa khí luôn “nỗ lực” để tiêu diệt con cháu của nó, nhưng cuối cùng nó cũng bị tiêu hủy và biến mất dần. Khi đó một hệ hành tinh trẻ được hình thành.

Rasio cho biết: “Lịch sự hỗn loạn có lẽ đã dành một chỗ trống cho hệ mặt trời bình yên, mô phỏng của chúng tôi cũng cho thấy chính xác điều đó. Các điều kiện phải phù hợp mới tạo nên được hệ mặt trời”.

Ví dụ nếu đĩa khí có khối lượng quá lớn và quá trình hình thành hành tinh hỗn loạn sẽ tạo ra “các sao Mộc nóng” và rất nhiều quỹ đạo có dạng không tròn. Nếu đĩa khí có khối lượng quá nhỏ sẽ không thể hình thành nên một hành tinh lớn hơn Hải Vương tinh – hành tinh băng khổng lồ với lượng khí rất nhỏ.

“Chúng tôi hiện đã có thể hiểu sâu hơn về quá trình hình thành hành tinh đồng thời có thể giải thích các đặc tính của ngoại hành tinh kỳ lạ mà chúng tôi quan sát được. Chúng tôi cũng biết rằng hệ mặt trời rất đặc biệt. Ở một mức độ nào đó chúng tôi hiểu được điều gì khiến nó trở nên đặc biệt như thế”.

“Hệ mặt trời phải được hình thành trong điều kiện phù hợp mới có thể trở thành một nơi yên tĩnh như chúng ta thấy. Đa số các hệ hành tinh khác không có các đặc điểm đặc biệt này lúc chúng hình hành nên chúng rất khác với hệ mặt trời của chúng ta”.

Ngoài Rasio, các tác giả khác của bài báo trên tờ Science là Edward W. Thommes – giáo sư phụ tá thuộc Đại học Guelp tai Ontario, cựu nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ tại Đại học Northwestern, và Soko Matsumura – nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ thuộc đại học Northwestern.

Mô phỏng máy tính được thực hiện trên hệ thống siêu máy tính do Nhóm vật lý thiên thể lý thuyết thuộc đại học Northwestern điều khiển. Nghiên cứu được tài trợ một phần từ Quỹ khoa học quốc gia. Nhóm nghiên cứu của Rasio về ngoại hành tinh cũng được Ban thiên văn học, Quỹ khoa học quốc gia tài trợ.

Tham khảo:
Gas Disks to Gas Giants: Simulating the Birth of Planetary Systems. Science, August 8, 2008