Hệ Mặt Trời gồm 8 hành tinh: Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, Sao Hỏa, Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Tất cả những hành tinh này chuyển động quanh Mặt Trời do chịu tác động của lực hấp dẫn cực mạnh từ nó. Nhưng liệu đây có phải là số lượng hành tinh tối đa có thể chuyển động quanh Mặt Trời hay không? Hay còn có thể có chỗ cho nhiều hành tinh nữa?
So với các hệ hành tinh khác đã biết thì Hệ Mặt Trời chứa một số lượng hành tinh cao bất thường. Theo Extrasolar Planets Encyclopaedia (một trang web về thiên văn do đài quan sát Paris lập ra từ năm 1995) thì tổng cộng có 812 hệ hành tinh đã biết có ba hành tinh trở lên được xác nhận, và chỉ có một hệ hành tinh là Kepler-90 (cách Trái Đất khoảng 2.545 năm ánh sáng trong chòm sao Draco) chứa nhiều hành tinh như Hệ Mặt Trời.
Có khả năng cao là trong rất nhiều hệ hành tinh này sẽ chứa các hành tinh nhỏ bên trong mà chúng ta không thể phát hiện được. Vì vậy, thực sự không thể chắc chắn rằng Hệ Mặt Trời là hệ hành tinh đông dân nhất trong vùng vũ trụ của chúng ta. Nhưng điều này nhấn mạnh rằng 8 hành tinh là một số lượng đang ở mức gần giới hạn trên về kích cỡ của một hệ hành tinh mà có thể phát triển một cách tự nhiên.
Vì vậy, để tính toán sức chứa tối đa tuyệt đối của Hệ Mặt Trời thì chúng ta cần dựa vào lĩnh vực lý thuyết, bỏ qua một số yếu tố tự nhiên mà có thể làm hạn chế số lượng hành tinh có thể hình thành. Một trong những cách tốt nhất để làm điều đó là thiết kế hoặc xây dựng một Hệ Mặt Trời hoàn toàn mới từ đầu.
Thiết kế một Hệ Mặt Trời
Nhà thiên văn Sean Raymond chuyên về nghiên cứu các hệ hành tinh tại phòng thí nghiệm vật lý thiên văn Bordeaux (Pháp) cho biết: “Khi bạn đang nói về việc có thể có bao nhiêu hành tinh trong một hệ hành tinh thì bạn cần xem xét rất nhiều khía cạnh khác nhau.”
Raymond cho biết, cấu trúc của một hệ hành tinh là do nhiều yếu tố phức tạp gây ra, kể cả kích thước của ngôi sao, kích thước của các hành tinh, loại hành tinh (chẳng hạn như hành tinh đá hoặc hành tinh khí khổng lồ), số lượng các vệ tinh chuyển động quanh mỗi hành tinh, vị trí của các tiểu hành tinh và sao chổi có kích thước lớn (chẳng hạn như các thiên thể trong vành đai tiểu hành tinh nằm giữa quỹ đạo của Sao Hỏa và Sao Mộc hay trong vành đai Kuiper nằm ngoài quỹ đạo của Sao Hải Vương), hướng quỹ đạo của các hành tinh và lượng vật chất còn sót lại từ sự hình thành của Mặt Trời để tạo ra các hành tinh. Các hành tinh trong một hệ cũng phải mất hàng trăm triệu năm va chạm và giằng co hấp dẫn dữ dội với nhau để có được hình dạng ổn định.
Tuy nhiên, nếu chúng ta là một nền văn minh siêu tiên tiến sở hữu công nghệ và tài nguyên vượt xa hơn hẳn những gì hiện tại chúng ta làm được thì có thể khắc phục rất nhiều hạn chế này và thiết kế một Hệ Mặt Trời với số lượng hành tinh tối đa, Raymond cho biết.
Trong Hệ Mặt Trời được thiết kế theo lý thuyết này, chúng ta có thể giả định rằng các vật liệu có sẵn để tạo thành các hành tinh là không giới hạn và các vật liệu này con người có thể sản xuất và được bố trí tùy ý. Cũng có thể loại bỏ các vệ tinh, tiểu hành tinh, sao chổi và các vật cản khác có thể làm mọi thứ trở nên phức tạp. Hạn chế duy nhất ở đây là lực hấp dẫn mà các hành tinh và Mặt Trời tác dụng sẽ giống như bình thường và các hành tinh sẽ phải chuyển động quanh Mặt Trời theo một cấu hình ổn định mà không gây nhiễu loạn lẫn nhau.
Một thiên thể được xem là hành tinh khi nó đáp ứng đủ 3 điều kiện sau: Thứ nhất là có quỹ đạo chuyển động quanh sao chủ (trường hợp đang nói tới ở đây là Mặt Trời); Thứ hai là khối lượng của thiên thể này đủ để tạo thành trạng thái cân bằng thủy tĩnh (thiên thể có dạng hình cầu); Cuối cùng là nó phải dọn sạch được khu vực quỹ đạo của mình khỏi các mảnh vỡ - đây cũng là lý do tại sao Pluto không còn được xem là một hành tinh thực sự, theo IAU.
Vấn đề kích cỡ
Trong một Hệ Mặt Trời mô phỏng, số lượng tối đa các hành tinh trong hệ là bao nhiêu phụ thuộc vào số lượng quỹ đạo hành tinh mà bạn có thể sắp xếp quanh Mặt Trời trước khi các quỹ đạo này bắt đầu trở nên không ổn định.
Raymond cho biết: “Khi một hệ hành tinh trở nên không ổn định thì quỹ đạo của các hành tinh bắt đầu cắt nhau, có nghĩa là các hành tinh có thể va chạm với nhau hoặc bị phân tán tùy thuộc vào lực hấp dẫn, tức là các hành tinh có lực hấp dẫn lớn hơn sẽ ném tung các hành tinh có lực hấp dẫn kém hơn ra khỏi hệ.”
Khoảng cách an toàn tối thiểu giữa quỹ đạo của các hành tinh trong một hệ ổn định phụ thuộc vào kích thước của mỗi hành tinh hay chính xác hơn là bán kính Hill của nó. Bán kính Hill của một hành tinh là khoảng cách từ hành tinh tới rìa ảnh hưởng của nó, trong đó các thiên thể có khối lượng nhỏ hơn sẽ chịu tác động bởi lực hấp dẫn của hành tinh này, chẳng hạn như Mặt Trăng chuyển động quanh Trái Đất.
Các hành tinh có khối lượng lớn hơn gây ra một lực hấp dẫn mạnh hơn, có nghĩa là chúng sẽ có bán kính Hill lớn hơn. Đó là lý do tại sao khoảng cách giữa quỹ đạo của Trái Đất và Sao Hỏa chỉ khoảng 48,65 triệu dặm (78,3 triệu km), nhỏ hơn khoảng 7 lần khoảng cách giữa quỹ đạo của Sao Hỏa và Sao Mộc - khoảng 342,19 triệu dặm (550,7 triệu km), theo NASA.
Vì lý do này mà số lượng quỹ đạo có thể nằm gọn trong Hệ Mặt Trời chủ yếu phụ thuộc vào kích thước của các hành tinh, Raymond cho biết. Chẳng hạn như Sao Mộc có khối lượng lớn hơn Trái Đất khoảng 300 lần, như vậy bán kính Hill của Sao Mộc lớn hơn bán kính Hill của Trái Đất khoảng 10 lần. Điều này có nghĩa là 10 quỹ đạo chuyển động của Trái Đất riêng biệt có thể nằm trong cùng một không gian quỹ đạo hiện tại do Sao Mộc chiếm giữ.
Do đó, để tối đa hóa số lượng hành tinh trong một hệ thì bạn phải làm cho kích thước của các hành tinh này càng nhỏ càng tốt.
Chuyển động ngược
Kích thước của các hành tinh là mấu chốt để tối đa hóa số lượng quỹ đạo có thể phù hợp với một hệ mô phỏng. Tuy nhiên, có một cách hay khác mà chúng ta có thể khai thác để bổ sung thêm một số quỹ đạo vào mà không cần chú ý tới kích thước của các hành tinh đó là thay đổi hướng chuyển động của chúng quanh Mặt Trời.
Trong Hệ Mặt Trời hiện tại, mỗi hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời theo cùng một hướng. Nguyên nhân là do các hành tinh hình thành từ một đám mây bụi lớn quay theo cùng một hướng quanh Mặt Trời. Tuy nhiên, trong Hệ Mặt Trời mô phỏng của chúng ta, có thể có các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời theo hướng ngược lại - được gọi là quỹ đạo ngược, Raymond cho biết. Tuy nhiên, ý tưởng này hơi viễn vông vì quỹ đạo ngược có thể không tồn tại trong tự nhiên do bản chất của cách mà các hành tinh hình thành.
Điều đó nói lên rằng, nếu hai hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời theo hướng ngược nhau thì lực hấp dẫn giữa chúng sẽ bị suy yếu một phần và khoảng cách an toàn tối thiểu giữa các quỹ đạo của chúng có thể bị giảm đi.
“Nếu hai hành tinh có quỹ đạo khác nhau chuyển động theo cùng một hướng thì chúng sẽ có thời gian chạm mặt nhau lâu hơn khi đi qua, dẫn tới tạo ra một lực hấp dẫn lớn hơn” Raymond cho biết. “Tuy nhiên, nếu hai hành tinh chuyển động theo hướng ngược nhau thì chúng sẽ chỉ lướt qua nhau và tương tác trong một khoảng thời gian ngắn hơn” nghĩa là chúng có thể ở gần nhau hơn mà không va chạm hoặc bị phân tán.
Do đó, nếu chúng ta biến mọi quỹ đạo khác trong hệ mô phỏng thành quỹ đạo ngược thì giống như một băng chuyền nơi những người liền kề di chuyển theo hướng ngược nhau, chúng ta có thể giảm thiểu không gian cần thiết giữa mỗi quỹ đạo và khi làm như vậy, chúng ta có thể thêm vào các hành tinh khác.
Chia sẻ quỹ đạo
Cho tới thời điểm này, chúng ta đã giả định rằng mỗi quỹ đạo trong Hệ Mặt Trời mô phỏng chỉ chứa một hành tinh. Tuy nhiên, thực tế có thể có nhiều hành tinh có cùng quỹ đạo, Raymond cho biết. Và điều này có thể được quan sát thấy ngay trong chính Hệ Mặt Trời hiện tại của chúng ta.
Trên quỹ đạo chuyển động của Sao Mộc có hai nhóm tiểu hành tinh gọi là “Hy Lạp” (Greek) và “Troy” (Trojan). Raymond cho biết hai nhóm này nằm ở vị trí khoảng 60 độ phía trước và phía sau của hành tinh khí khổng lồ này (tức chúng nằm tại 2 điểm L4 và L5 của Sao Mộc - 2 điểm trên quỹ đạo của Sao Mộc mà mỗi điểm trong số chúng là đỉnh của tam giác đều với 2 đỉnh còn lại là Sao Mộc và Mặt Trời) khi nó chuyển động quanh Mặt Trời. Tuy nhiên, các nhà thiên văn cho rằng có thể có các hành tinh cũng chia sẻ quỹ đạo theo cách tương tự và họ đã đặt tên cho thế giới lý thuyết này là các hành tinh trojan.
Raymond cho biết: “Mọi người đang tích cực tìm kiếm minh chứng về các hành tinh Trojan này trong số các hệ ngoại hành tinh vì các hành tinh như vậy được cho là sẽ hình thành một cách tự nhiên”. Tuy nhiên, vẫn chưa có trường hợp nào được quan sát thấy.
Nếu muốn tối đa hóa số lượng hành tinh trong Hệ Mặt Trời mô phỏng thì chúng ta sẽ cần có các hành tinh Trojan này càng nhiều càng tốt. Tuy nhiên, cũng giống như số lượng quỹ đạo mà bạn có thể sắp xếp phù hợp quanh Mặt Trời thì số lượng hành tinh mà bạn có thể gắn lên quỹ đạo phải được giữ ở một khoảng cách đủ để duy trì trạng thái ổn định.
Trong một nghiên cứu được công bố vào năm 2010 trên Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy (một tạp chí chuyên về thiên văn động lực học và cơ học thiên thể), hai nhà thiên văn đã sử dụng bán kính Hill để tính xem có bao nhiêu hành tinh có thể chia sẻ cùng quỹ đạo thì họ phát hiện rằng con số này có thể lên tới 42 hành tinh nếu các hành tinh này có kích thước bằng Trái Đất. Hơn nữa, giống như số lượng quỹ đạo trong một hệ thống, các hành tinh có kích thước càng nhỏ thì bạn càng có thể đặt nhiều hành tinh trong cùng một quỹ đạo, Raymond cho biết.
Tất nhiên, trên thực tế không bao giờ có cơ hội để nhiều hành tinh này tự nhiên có chung một quỹ đạo duy nhất, vì để được như vậy thì mỗi hành tinh chính xác là sẽ phải có cùng kích thước và cần được hình thành cùng một lúc để ổn định, Raymond cho biết. Nhưng trong một Hệ Mặt Trời mô phỏng thì mức độ cấu trúc đồng quỹ đạo này sẽ có thể xảy ra và điều này sẽ làm tăng đáng kể số lượng hành tinh mà chúng ta có thể thêm vào.
Số lượng tối đa về mặt lý thuyết
Bây giờ chúng ta đã hiểu các biến số quan trọng mà chúng ta cần để xây dựng một Hệ Mặt Trời chứa đầy hành tinh, và cuối cùng đã tới lúc tính toán và xem chúng ta có thể sắp xếp bao nhiêu hành tinh vào trong hệ này.
May mắn là Raymond đã làm điều này cho chúng ta bằng việc sử dụng các mô phỏng máy tính mà ông đã tạo ra; các mô phỏng này có thể được xem chi tiết hơn tại blog cá nhân của ông - PlanetPlanet. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù những tính toán này dựa trên lý thuyết mà các nhà thiên văn sử dụng để tạo ra các mô phỏng hợp lý, nhưng các mô hình này không được bình duyệt và được đánh giá là mang tính giải trí.
Để tối đa hóa số lượng hành tinh thì Hệ Mặt Trời mô phỏng của Raymond cần mở rộng phạm vi tới 1.000 đơn vị thiên văn (AU) tính từ Mặt Trời. (1 AU là khoảng cách trung bình từ Mặt Trời tới quỹ đạo của Trái Đất - khoảng 93 triệu dặm hay 150 triệu km.) Hiện tại, rìa xác định của Hệ Mặt Trời, hay còn được gọi là nhật quyển thì cách Mặt Trời khoảng 100 AU , theo Cơ quan Không gian Châu u (ESA), nhưng ảnh hưởng hấp dẫn của Mặt Trời có thể mở rộng ra xa hơn nhiều. Hơn nữa, mô hình của Raymond sử dụng các hành tinh có kích thước bằng nhau với quỹ đạo ngược xen kẽ.
Tính tới tất cả những điều này, nếu sử dụng các hành tinh có kích thước bằng Trái Đất thì bạn có thể sắp được vào 57 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 42 hành tinh, như vậy tổng cộng sẽ có 2.394 hành tinh. Tuy nhiên, nếu bạn sử dụng các hành tinh nhỏ hơn chỉ bằng 1/10 kích thước của Trái Đất (tức gần bằng khối lượng của Sao Hỏa) thì bạn có thể sắp vào 121 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 89 hành tinh, như vậy tổng số sẽ là 10.769 hành tinh. Và nếu các hành tinh chỉ có kích thước tương đương với Mặt Trăng (tức bằng 1/100 khối lượng Trái Đất) thì có thể có 341 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 193 hành tinh, tổng cộng là 65.813 hành tinh.
Rõ ràng những con số này là cực kỳ lớn, và khả năng xây dựng những hệ thống phức tạp như vậy thì vượt quá giới hạn của loài người. Nhưng thí nghiệm mang tính giải trí này đã nhấn mạnh rằng có nhiều không gian cho các hành tinh trong Hệ Mặt Trời hơn so với 8 hành tinh ít ỏi mà chúng ta thấy ngày nay. Tuy nhiên, khả năng có nhiều hành tinh nữa được hình thành một cách tự nhiên là không cao.
Hồng Anh
Theo Livescience
