Mặt Trăng là vệ tinh tự nhiên duy nhất của Trái Đất. Theo các mô hình hiện tại được thừa nhận rộng rãi, nó hình thành khoảng 4,5 tỷ năm trước sau va chạm giữa Trái Đất và một hành tinh có kích thước cỡ Sao Hỏa mà các nhà khoa học gọi là Theia. Hiện tại nó đang có quỹ đạo khá ổn định quanh Trái Đất với chu kỳ 27,32 ngày và khoảng cách trung bình từ chúng ta tới nó là hơn 384.000 km. Mặc dù vậy, khoảng cách này không phải là cố định.
Mặt Trăng đang dịch chuyển ra xa khỏi Trái Đất với vận tốc khoảng 3,8 cm mỗi năm.
Con số trên, tất nhiên là rất nhỏ khi chúng ta so sánh với khoảng cách 384.000 km. Với vận tốc dịch chuyển đó, thì trong 10.000 năm qua (từ thời điểm cực kỳ sơ khai của văn minh nhân loại), Mặt Trăng đi ra xa khỏi hành tinh chúng ta khoảng 380 mét, tức là khoảng 1 phần triệu khoảng cách trung bình của nó hiện nay. Vì thế, tất nhiên quan sát bằng mắt thường chúng ta không thể thấy bất cứ sự khác biệt nào.
Liệu có thể tới một ngày con cháu chúng ta sẽ không còn thấy Mặt Trăng nữa hay không? Hãy cứ yên tâm, với dịch chuyển chậm chạp đó thì 5 tỷ năm nữa Mặt Trăng mới đi xa thêm được chưa tới 200.000 km và nó vẫn tiếp tục chuyển động trên quỹ đạo quanh Trái Đất, dù chu kỳ khi đó đã khác đi. 5 tỷ năm nữa cũng là khoảng thời gian Mặt Trời đi tới giai đoạn cuối đời, lớp vỏ của nó sẽ phồng to và đi vào giai đoạn sao khổng lồ đỏ. Trong giai đoạn này, Mặt Trời sẽ phồng to tới mức nghiền nát Sao Thủy, Sao Kim và cả Trái Đất của chúng ta - tất nhiên, Mặt Trăng cũng sẽ chịu chung số phận đó. Bạn cũng không cần lo lắng về cảnh tượng đáng sợ đó vì khi đó thì không chỉ bạn, mà toàn bộ sự sống trên Trái Đất đã biến mất từ trước đó rất lâu rồi.
Trở lại nội dung chính: Mặt Trăng đang dịch chuyển ra xa khỏi Trái Đất, nhưng TẠI SAO?
Câu hỏi này dường như khá cũ kỹ và rất đơn giản. Mặc dù vậy, để giải thích chính xác việc này thì chúng ta cần áp dụng một số nguyên lý. Trước hết, hãy cứ khẳng định rằng việc này chẳng liên quan gì tới lực ly tâm, như nhiều người có thể đang nghĩ!
Mặt Trăng ngoài chuyển động quỹ đạo quanh Trái Đất thì còn có sự tự quay, giống như Trái Đất. Tuy vậy, nó bị khóa triều (hay khóa thủy triều) với Trái Đất. Sự khóa này khiến cho chu kỳ tự quay của Mặt Trăng trùng với chu kỳ quỹ đạo của nó, và vì vậy nó luôn hướng cùng một phía về Trái Đất và chúng ta luôn nhìn thấy cùng một mặt của nó. Hiện tượng này xuất phát từ việc hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng làm cả hai đều bị biến dạng, phồng lên ở phần hướng về phía nhau. Sự phồng lên này khó được nhận ra trực tiếp đối với phần đất liền nhưng được quan sát rất rõ nét ở biển, đó chính là hiện tượng thủy triều.
Vì Trái Đất có chu kỳ tự quay ngắn hơn nhiều so với chu kỳ của Mặt Trăng (chu kỳ tự quay của Trái Đất là 1 ngày trong khi chu kỳ quỹ đạo của Mặt Trăng là gần 1 tháng) nên chỗ phồng trên Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng liên tục di chuyển. Vì lực hấp dẫn giữa đỉnh của vùng biến dạng trên hai thiên thể vẫn lớn hơn giữa các điểm khác trên bề mặt hai thiên thể nên nó có xu hướng kéo cho phần biến dạng tiếp tục hướng về nhau. Kết quả của việc này là sự đồng bộ chu kỳ tự quay của Mặt Trăng với chu kỳ quỹ đạo của nó quanh Trái Đất.
Khóa triều gây ra do lực hấp dẫn như vậy không chỉ có tác dụng đồng bộ chu kỳ tự quay và chu kỳ quỹ đạo của Mặt Trăng. Chúng ta có thể thấy rằng vì đỉnh của chỗ phồng trên Trái Đất thực tế không bao giờ nằm chính xác trên đường nối tâm Trái Đất - Mặt Trăng mà nó luôn đi trước một chút do Trái Đất tự quay nhanh hơn nhiều so với chuyển động quỹ đạo của Mặt Trăng, vì vậy nó có xu hướng bị níu lại do lực hấp dẫn của Mặt Trăng. Điều đó khiến Trái Đất quay chậm lại đôi chút. Tất nhiên, sự tay đổi đó cũng rất chậm, mỗi thế kỷ ngày chỉ dài thêm khoảng 2 phần nghìn giây.
Sự quay chậm lại của Trái Đất đồng nghĩa với năng lượng quay của nó bị giảm. Năng lượng này mất đi do hấp dẫn của Mặt Trăng, được chuyển hóa trực tiếp thành năng lượng quỹ đạo của Mặt Trăng và làm cho Mặt Trăng chuyển động nhanh hơn một chút.
Khi một vật thể được gia tốc khi đang chuyển động trên quỹ đạo quanh một vật thể khác, nó sẽ dịch chuyển ra xa hơn. Điều này được ứng dụng trong chính công nghệ vệ tinh ngày nay, thông qua một cơ chế gọi là quỹ đạo chuyển tiếp Hohmann. Cơ chế này rất đơn giản: để đưa một vệ tinh từ một quỹ đạo cố định lên một quỹ đạo cao hơn, người ta gia tốc cho động cơ của nó, như bạn có thể thấy trong hình dưới.
Vật thể chuyển động ở quỹ đạo 1 (màu xanh) khi được gia tốc thêm một lượng vận tốc là Δv sẽ di chuyển theo quỹ đạo chuyển tiếp Hohmann (đoạn số 2, màu vàng) trước khi chuyển sang quỹ đạo số 3 (màu đỏ) có bán kính quỹ đạo lớn hơn.
Việc tương tự như vậy xảy ra với Mặt Trăng. Việc tăng vận tốc quỹ đạo làm nó bị đẩy dần ra xa. Khác với một vệ tinh nhân tạo được xác lập quỹ đạo cố định, quá trình chuyển quỹ đạo của Mặt Trăng diễn ra liên tục ngay lúc này, nhưng như trên đã nói, nó không đủ để chúng ta nhận thấy trong khoảng thời gian sống khá ngắn ngủi của mình.
Tháng 12 năm 2017
Đặng Vũ Tuấn Sơn
