Chúng ta đều biết Mặt Trăng chuyển động trên quỹ đạo quanh Trái Đất còn Trái Đất và các hành tinh lại có quỹ đạo chuyển động quanh Mặt Trời. Tuy nhiên trên thực tế, những diễn giải đó có phải là hoàn toàn chính xác hay không khi xét trên quan điểm vật lý?
Để trả lời câu hỏi nêu trên, trước hết chúng ta cần làm rõ nguyên nhân cơ bản của chuyển động quỹ đạo. Cũng xin lưu ý rằng cách nói và viết theo kiểu quen miệng, quen tay ở đại đa số tài liệu tiếng Việt của chúng ta là sai khi dùng từ "quay" hay "xoay" để mô tả quỹ đạo của các thiên thể, chẳng hạn: "Trái Đất quay quanh Mặt Trời". Chuyển động quỹ đạo (orbit) không phải là chuyển động quay. Do đó như độc giả sẽ thấy dưới đây, tôi sẽ sử dụng những mệnh đề như "Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời" hay đầy đủ hơn là "Trái Đất chuyển động trên quỹ đạo quanh Mặt Trời".
Nguyên nhân của chuyển động quỹ đạo các thiên thể
Chuyển động quỹ đạo của các thiên thể (vệ tinh chuyển động quanh hành tinh, hành tinh chuyển động quanh sao, ...) gây ra trước hết do lực hấp dẫn của các thiên thể tác động lên nhau. Khối lượng của hai vật thể bất kỳ càng lớn thì hấp dẫn giữa chúng càng lớn. Điều này đã được khẳng định ngay trong công thức tính lực hấp dẫn của Newton.
Trong trường hợp một vật thể có khối lượng rất lớn so với vật thể còn lại (chẳng hạn như khối lượng của Mặt Trời so với các hành tinh) và vật thể nhỏ hơn có khoảng cách đủ gần, vật thể nhỏ sẽ bị hấp dẫn kéo vào theo hướng rơi về phía vật thể lớn. Tuy nhiên, ngoài chuyển động do hấp dẫn này, vật thể nhỏ còn có chuyển động tiếp tuyến so với vật thể lớn, nếu chuyển động tiếp tuyến có vận tốc đủ lớn để cân bằng với lực hấp dẫn thì vật thể sẽ rơi vào quỹ đạo vô hạn. (Hơn nửa thế kỷ qua, con người đã sử dụng nguyên lý đó để phóng các vệ tinh nhân tạo, bằng cách cung cấp cho vệ tinh một vận tốc tiếp tuyến đủ lớn)
Không có một vật thể hoàn toàn chuyển động quanh vật thể khác
Chúng ta cần lưu ý rằng lực hấp dẫn giữa hai vật thể là bình đẳng, có nghĩa là hai vật thể kéo lẫn nhau, không phải chỉ có vật thể lớn kéo vật thể nhỏ hơn. Điều đó đương nhiên là đúng trong mọi trường hợp, trong đó có trường hợp giữa Mặt Trời và các hành tinh. Chính vì vậy, không hề có chuyện hành tinh chuyển động thuần tuý quanh Mặt Trời.
Khi xét chuyển động quỹ đạo của hành tinh chúng ta cần xét hệ hai vật thể Mặt Trời - hành tinh (tạm bỏ qua sự tham gia của các thiên thể khác). Trung tâm của hệ khối lượng Mặt Trời - hành tinh nằm ở khối tâm chung của hai vật thể. Khối tâm này nằm trên đường nối tâm của hai vật thể. Hai vật thể đều chuyển động quanh khối tâm này, không có vật thể nào chuyển động quanh tâm của vật thể khác.
Với hai vật thể tạm qui ước là 1 và 2, vị trí của khối tâm (barycenter) được xác định bằng công thức:
r1 = a.m2/(m1 + m2)
r2 = a.m1/(m1 + m2)
Trong đó
- r1 và r2 lần lượt là khoảng cách từ tâm của vật thể 1 và vật thể 2 đến khối tâm.
- m1 và m2 là khối lượng hai vật thể 1 và 2
- a là khoảng cách giữa hai vật thể, hay độ dài của đường nối tâm của chúng
Như vậy ta thấy rằng nếu m1 và m2 bằng hoặc gần bằng nhau thì r1 và r2 cũng bằng hoặc gần bằng nhau, có nghĩa là khối tâm nằm giữa đường nối tâm, hai vật thể chuyển động quanh nhau. Đây là trường hợp của các cặp sao kép khá phổ biến trong thiên hà chúng ta.
Khi m1 càng lớn so với m2 thì r1 càng nhỏ so với r2, có nghĩa là khối tâm càng chạy dần về phía vật thể 1, tức vật thể có khối lượng lớn hơn. Nếu sự chênh lệch này quá cao, khối tâm thậm chí nằm hẳn bên trong của vật thể lớn hơn, gần trùng với tâm của nó. Đó là trường hợp thường xảy ra giữa các sao và hành tinh của chúng.
Hai vật thể có khối lượng tương đương chuyển động quanh nhau, thực chất là quanh khối tâm chung của chúng
Vật thể có khối lượng rất lớn dường như là tâm của quỹ đạo vật thể nhỏ hơn, nhưng trên thực tế nó cũng chuyển động quanh khối tâm
Nguồn hình ảnh: Wikipedia (en)
Chúng ta hãy xét hệ Mặt Trời-Trái Đất với Mặt Trời là vật thể 1 và Trái Đất là vật thể 2.
Lấy khối lượng m2 của Trái Đất là 1 đơn vị thì khối lượng m1 của Mặt Trời là 333.000 (Mặt Trời có khối lượng gấp 333.000 lần Trái Đất). Khoảng cách giữa chúng lấy tương đối là 150 triệu km. Áp dụng công thức trên, chúng ta có:
r1 = 150000000 x 1/(333000+1) = 450,45 (km)
Con số trên là khoảng cách gần chính xác giữa tâm của Mặt Trời và vị trí của khối tâm. Trong khi đó, bán kính của Mặt Trời là 695.700 km, tức là lớn hơn khoảng cách nêu trên hơn 1.500 lần. Điều đó có nghĩa là khối tâm của hệ Mặt Trời - Trái Đất nằm gần như trùng với tâm của Mặt Trời, và do đó chúng ta có cảm giác rằng Trái Đất chuyển động quanh tâm của Mặt Trời. Nhưng thực tế, cả hai thiên thể đều chuyển động quanh khối tâm chung này.
Tuy nhiên, vị trí khối tâm này không phải như nhau với mọi hành tinh trong Hệ Mặt Trời do khối lượng và khoảng cách tới Mặt Trời của các hành tinh là khác nhau. Chúng ta xét trường hợp thường được coi là đặc biệt nhất, đó là Sao Mộc - hành tinh lớn nhất của Hệ Mặt Trời.
Vẫn với qui ước như trên, nhưng khối lượng m2 của Sao Mộc là 318 (gấp 318 lần khối lượng Trái Đất), còn khoảng cách a lúc này là 778 triệu km (5,2 AU). Chúng ta sẽ có:
r1 = 778000000 x 318/(333000 + 318) = 742246 (km)
Khối tâm trong trường hợp này nằm cách tâm của Mặt Trời xa hơn nhiều so với trường hợp của Trái Đất. Con số hơn 742.000 km mà chúng ta có lớn hơn bán kính của Mặt Trời, có nghĩa là khối tâm nằm phía trên bề mặt của Mặt Trời.
Hình ảnh minh hoạ dễ hiểu về vị trí khối tâm của Sao Mộc và Mặt Trời
Do con số được tính ra như nêu trên, Sao Mộc là hành tinh duy nhất trong Hệ Mặt Trời mà khối tâm của hệ Mặt Trời - hành tinh không nằm trong lòng (phía dưới bề mặt) Mặt Trời.
Như vậy có thể nói Sao Mộc là hành tinh duy nhất không chuyển động quanh Mặt Trời không?
Câu trả lời cho câu hỏi trên là KHÔNG. Mọi cặp vật thể có quỹ đạo chuyển động do hấp dẫn như chúng ta vừa xét tới đều có chuyển động quanh khối tâm chung, không có một vật thể chuyển động hoàn toàn quanh vật thể khác, hay cũng có thể nói là trong mọi cặp thì cả hai vật thể chuyển động "quanh nhau".
Khi chúng ta nói theo ngôn ngữ thường ngày rằng "Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời" thì khái niệm chuyển động quanh này được hiểu một cách tương đối, và mang ý nghĩa biểu kiến nhiều hơn. Cách đặt mệnh đề đó ngày nay đương nhiên được thừa nhận không chỉ với Trái Đất mà với tất cả các hành tinh, hành tinh lùn, tiểu hành tinh và sao chổi có quỹ đạo chuyển động quanh khối tâm chung của chúng và Mặt Trời. Ngược lại, giả sử đặt cao tính chính xác của vật lý để xét xem có thiên thể nào chuyển động quanh Mặt Trời thực sự không thì chắc chắn câu trả lời là không có bất cứ thiên thể nào chuyển động như vậy.
Tháng 2 năm 2017
Đặng Vũ Tuấn Sơn
- Chủ tịch Hội thiên văn học trẻ Việt Nam (VACA) -
Chú thích: Tôi viết bài này nhân việc một số độc giả hỏi ý kiến về một câu hỏi được đặt ra trong một trò chơi truyền hình trên Đài truyền hình Việt Nam. Câu hỏi đó yêu cầu người trả lời chọn ra một hành tinh trong Hệ Mặt Trời không "xoay quanh mặt trời". Đây là một câu hỏi hoàn toàn sai cả về nội dung hỏi, đáp án lẫn thuật ngữ được sử dụng. Hi vọng bài viết giải đáp được thắc mắc của các độc giả.
