Chúng ta sống trên hành tinh thứ ba của một hệ hành tinh mà chúng ta gọi là Hệ Mặt Trời. Với việc nắm được cấu trúc tổng quát của Hệ Mặt Trời, việc giải thích sự ra đời của nó đã thu hút được sự chú ý và trở thành một vấn đề hấp dẫn từ những thế kỉ 18,19.
Việc nghiên cứu về sự ra đời của Mặt Trời cùng các hành tinh của nó cũng như các hành tinh lùn, vệ tinh, tiểu hành tinh, sao chổi, thiên thạch … đòi hỏi phải trả lời được nhiều câu hỏi về cấu trúc cũng như những tính chất lý hoá mà chúng ta đã biết như: Tại sao các hành tinh có cùng một mặt phẳng quỹ đạo và tại sao chúng chuyển động theo cùng một chiều; yếu tố nào gây ra sự liên quan giữa sự quay của Mặt Trời và các hành tinh hay nguyên nhân sự phân bố xung lượng từ Mặt Trời tới các hành tinh quay quanh nó là gì; ...? Trong bài này, chúng ta sẽ tìm hiểu một cách tổng quan về lịch sử tìm kiếm quá khứ của Hệ Mặt Trời, cũng như những gì mà các nhà thiên văn ngày nay đã biết.
Các lý thuyết cổ điển
Mô hình đầu tiên đưa ra những lý giải khoa học mạch lạc về sự hình thành của Hệ Mặt Trời có lẽ là giả thuyết tinh vân do Immanuel Kant đề xuất và được hoàn thiện bởi Pierre Simon de Laplace vào cuối thế kỉ 18. Giả thuyết này cho rằng Hệ Mặt Trời ban đầu chỉ là một tinh vân (nebula) chứa toàn khí và bụi. Đám tinh vân này tự quay quanh trục một cách chậm chạp. Mọi vật thể đều có lực hấp dẫn hướng tâm do lực hút giữa chính các phần khối lượng thành phần tạo nên chúng. Lực này khiến tinh vân co dần lại và quay nhanh dần. Thể tích co lại khiến mật độ vật chất tăng cao, tinh vân tụ dần lại thành dạng cầu – đó chính là tiền thân của Mặt Trời. Khối cầu Mặt Trời tiếp tục quay nhanh. Một phần vật chất nhận được lực ly tâm đủ lớn để thắng được hấp dẫn vào tâm nên tách ra khỏi Mặt Trời sơ khai trở thành các vành vật chất. Trong mỗi vành này, hẫp dẫn lại đóng vai trò tập hợp vật chất thành các khối cầu lớn, đó là các hành tinh. Sự việc diễn ra tương tự đối với việc hình thành các vệ tinh từ sự quay của hành tinh. Việc tách vành vật chất thành các thiên thể nhỏ hơn được dừng lại khi lực ly tâm sinh ra do sự quay của thiên thể không đủ lớn để thắng được hấp dẫn bản thân của thiên thể đó. Lý thuyết này không giải thích được yếu tố về sự phân bố xung lượng (hay động lượng góc) của các hành tinh khi chuyển động trên quĩ đạo
Với cố gắng giải thích yếu tố này, đầu thế kỉ 20 đã có 2 lý thuyết được đề ra với cùng một ý tưởng chung là do tương tác của một ngôi sao di chuyển gần Mặt trời gây ra sự xuất hiện các hành tinh.
Lý thuyết va chạm do Thomas Chrowder Chamberlin và Forest Ray Moulton đề xuất vào những năm đầu tiên của thế kỉ 20 cho rằng đã có một ngôi sao đi qua và có thể đã va chạm với Mặt Trời. Sự va chạm này gây ra những đợt triều (như thuỷ triều trên Trái Đất) lớn trên bề mặt của Mặt Trời. Những chấn động đó làm một lớp vật chất tách khỏi Mặt Trời và chuyển động trên các quỹ đạo elip. Khí và bụi tập hợp lại trên mỗi quỹ đạo tạo ra những thiên thể rắn. Cuối cùng, các quỹ đạo dần đi vào ổn định, các thiên thể rắn này trở thành các hành tinh.
Năm 1918, James Jeans và Harold Jeffreys đề xuất lý thuyết triều, là một biến thể khác của lý thuyết va chạm nói trên. Giả thuyết này nói rằng trên bề mặt Mặt Trời đã xuất hiện một đợt triều lớn do một ngôi sao đi qua gần nó. Lực hấp dẫn của ngôi sao này cuốn khí và bụi từ Mặt Trời sơ khai thành các dòng chảy với khối lượng và kích thước khác nhau trên các quỹ đạo elip. Các dòng vật chất này, sau khi cô dặc lại, tạo thành hình dáng là các hành tinh như ngày nay. Tuy nhiên, lý thuyết này cũng vẫn chưa giải thích được sự phân bố xung lượng của các hành tinh.
Lý thuyết hiện đại
Lý thuyết hiện đại quay lại với giả thuyết tinh vân của Laplace để giải thích cho sự phân bố xung lượng từ Mặt Trời đến các hành tinh. Tinh vân đó được xem như một hạt nhân đậm đặc bao quanh bởi một lớp khí và bụi mỏng. Lý thuyết này lấy ý tưởng ban đầu từ giả thuyết của Gerard Kuiper, trong đó tinh vân xuất hiện sự quay không ổn định. Dưới tác dụng của các lực ly tâm cùng với chuyển động nhiễu loạn của các đợt triều trên bề mặt, nó tách ra các đám bụi tiền hành tinh (protoplanet) chuyển động quanh tâm chung, các đám bụi tiền hành tinh này cuối cùng co lại thành các hành tinh. Hiển nhiên giả thuyết này của Kuiper không giải thích được sự khác biệt đặc trưng về sự phân bố vật chất và đặc điểm lý - hóa của các hành tinh.
Một tiền đề khác cho lý thuyết hiện đại được đề ra bởi Harold Clayton Urey đưa. Giả thuyết này cho biết các hành tinh được hình thành ở nhiệt độ thấp, chỉ khoảng 1200 đến 2200 độ C (chứ không phải ở nhiệt độ cao cùng với Mặt Trời như các giả thuyết nêu trên). Urey đề xuất rằng nhiệt độ này là vừa đủ. Nó đủ lớn để duy trì hoạt động của các chất khí như hydro hay heli, nhưng cũng đủ nhỏ để không làm nóng chảy các kim loại như sắt, silic. Dưới tác dụng của hấp dẫn, các đám bụi trên các quỹ đạo tập hợp lại với nhau, trở thành các tiền hành tinh. Lúc này nhiệt độ bắt đầu tăng cao, các kim loại nặng có xu hướng chìm sâu vào tâm khối vật chất và trở thành nhân nóng chảy của hành tinh, lớp ngoài gồm các nguyên tố nhẹ hơn nguội dần tạo thành lớp vỏ. Với các hành tinh ở xa, các chất khí phía ngoài như metan, ammoniac… bị đẩy xuống nhiệt độ rất thấp, chúng đóng băng lại ngăn cản sự tiếp cận của các nguyên tố nặng. Các hành tinh như thế trở thành các thiên thể có kích thước lớn với tỷ trọng khá thấp (như Sao Mộc, Sao Thiên Vương, …).
Những vấn đề đã được giải quyết
Lý thuyết hiện đại ngày nay về sự hình thành của Hệ Mặt Trời dựa trên không chỉ các mô hình mang tính ý tưởng mà còn được kiểm chứng dựa trên nhiều quan sát thiên văn. Về cơ bản, lý thuyết hiện đại có phần nhất quán với ý tưởng ban đầu của giả thuyết tinh vân Kant-Laplace về việc Hệ Mặt Trời ra đời từ sự co lại của một tinh vân. Dù vậy, có nhiều điểm chưa chính xác, đầy đủm hoặc không được làm rõ trong giả thuyết Kant-Laplace.
- Cơ chế chi tiết của sự hình thành hành tinh: Giả thuyết Kant-Laplace không đưa ra cách giải thích chi tiết về sự hình thành hành tinh mà chỉ dựa hoàn toàn vào lực hấp dẫn. Trong khi đó, mô hình hiện đại yêu cầu một quá trình dài hơn và phức tạp hơn, trong đó lực hấp dẫn không chỉ đơn thuần kéo những hạt khí và bụi rất nhỏ lại với nhau mà phải thông qua quá trình bồi tụ hàng triệu năm để tạo thành những vi thể hành tinh, để rồi chúng lớn dần hoặc kết hợp với nhau cho tới khi tạo thành các hành tinh.
- Sự phân bố vật chất: Tại sao các hành tinh đá là ở khu vực trong của Hệ Mặt Trời trong khi các hành tinh khí khổng lồ đều nằm ở xa hơn? Giả thuyết Kant-Laplace không giải quyết được việc này. Trong mô hình hiện đại, ngoài việc giải thích về sự phân bố do các nguyên tố nặng có xu hướng chìm vào sâu hơn và các hành tinh ở gần Mặt Trời chịu lực nén lớn hơn, các nhà thiên văn hiện đại còn biết tới gió Mặt Trời. Gió Mặt Trời trên thực tế là những dòng hạt năng lượng cao được ném ra từ khí quyển Mặt Trời - là thứ gây ra cực quang và những cơn bão từ trên Trái Đất. Lý thuyết hiện đại cho rằng trong suốt hàng triệu năm, áp lực từ gió Mặt Trời đã quét sạch hầu hết những khí nhẹ ở khu vực gần Mặt Trời, để lại những vật liệu phù hợp cho sự ra đời các hành tinh đá.
- Phân bố xung lượng/động lượng góc: Quan sát quỹ đạo và sự tự quay của Mặt Trời và các hành tinh cho thấy Mặt Trời mặc dù chiếm tới hơn 99% khối lượng của toàn bộ Hệ, lại chỉ có khoảng 1% tổng động lượng góc, trong khi các hành tinh khí khổng lồ - đặc biệt là Sao Mộc và Sao Thổ - lại chiếm tỷ lệ cao hơn. Điều này là mâu thuẫn khi mặc nhiên coi rằng toàn bộ Hệ Mặt Trời đã ra đời từ một tinh vân ban đầu với Mặt Trời ở trung tâm. Nguyên lý bảo toàn xung lượng cho biết tổng động lượng góc của Hệ phải được bảo toàn, và được phân bố tương đương với sự phân bố khối lượng của Hệ. Mô hình hiện đại giải quyết được mâu thuẫn này khi cho biết động lượng góc từ sự quay của Mặt Trời ban đầu đã được chuyển ra các hành tinh thông qua một số cơ chế:
- Phanh từ: Đây là một cơ chế mà trong đó động lượng của Mặt Trời đường chuyển bớt sang các đĩa tiền hành tinh trong suốt quá trình hình thành bởi chính từ trường của nó. Nói một cách dễ hiểu: tương tác điện từ hoạt động giống như một cái phanh, hãm sự quay của Mặt Trời lại, nhưng vì năng lượng quay đó phải được bảo toàn nên nó chuyển phần đó sang các đĩa tiền hành tinh.
- Gió Mặt Trời: Tương tự như trên, gió Mặt Trời mang rất nhiều năng lượng, và nó có thể là nguyên nhân chuyển bớt động lượng từ Mặt Trời ra các đĩa tiền hành tinh xung quanh.
- Sự dịch chuyển của các hành tinh: Lý thuyết cổ điển của Kant và Laplace cho rằng Hệ Mặt Trời ngay từ đầu đã ra đời với sự sắp xếp các hành tinh như hiện nay và chúng cứ cố định như vậy. Điều đó cũng đồng nghĩa với việc chẳng có sự trao đổi nào về động lượng cả. Tuy nhiên, lý thuyết hiện đại (được kiểm chứng và thử nghiêm trên các siêu máy tính) thì cho biết Hệ Mặt Trời không ổn định như vậy. Nó từng có nhiều hành tinh hơn hiện nay, và bản thân quỹ đạo của chính các hành tinh ngày nay cũng không ổn định. Quá trình dịch chuyển của các hành tinh có thể góp phần vào sự thay đổi phân bố xung lượng chung của hệ.
- Những cơ chế khác: Mô hình hiện đại về Hệ Mặt Trời không chỉ dựa vào hấp dẫn, mà chỉ ra rằng ngoài việc hình thành do sự co lại ban đầu do hấp dẫn, thì sự phân bố vật chất và xung lượng trong Hệ Mặt Trời ngày nay là hệ quả của rất nhiều yếu tố khác, trong đó có các quá trình nhiệt và sự phân bố cũng như biến đổi thành phần hóa học của các đĩa tiền hành tinh.
Cho tới cuối năm 2023, đã có hơn 5.000 ngoại hành tinh khác được phát hiện trong hơn 4.000 hệ hành tinh khác nhau. Việc nghiên cứu những hệ hành tinh như thế đã cho thấy nhiều điểm tương đồng với những gì do lý thuyết hiện đại đề ra. Tuy nhiên, nhân loại cũng cần dừng lại và suy xét kĩ hơn về những nền tảng được nghiên cứu. Tại các hệ hành tinh đó, có những hành tinh nhỏ hơn Pluto, có những hành tinh nhiều lần lớn hơn Sao Mộc, cũng có những quy đạo gần sao mẹ hơn quỹ đạo của Sao Thuỷ và có cả những quỹ đạo tròn hơn nhiều quỹ đạo các hành tinh của chúng ta. Điều đó nói lên rằng có một sự sai khác trong cơ cấu phân bố động lượng của các hệ đó, có nghĩa là bản thân sự ra đời của chúng có thể không hoàn toàn giống Hệ Mặt Trời của chúng ta, mặc dù chúng đều có chung một số cơ chế. Trong tương lai, việc tiếp tục tìm kiếm và nghiên cứu các hệ hành tinh cũng như những nơi mà các đĩa tiền hành tinh đang hình thành sẽ mang lại lượng dữ liệu đủ lớn để hoàn thiện được mô hình chính xác nhất về sự hình thành của Hệ Mặt Trời nói riêng những như những hệ hành tinh khác nói chung trong vũ trụ.
(Sửa lần cuối tháng 12 năm 2023. Độc giả cũng có thể tìm được chi tiết hơn về Hệ Mặt Trời trong sách "Trái Đất và Hệ Mặt Trời" đã xuất bản của nhóm tác giả VACA.)
