Một phân tích về tính hỗn loạn trong Hệ Mặt Trời hé lộ cho chúng ta biết cách mà các hành tinh đã tránh được va chạm trong suốt hàng tỷ năm.
Trái Đất lẽ ra không tồn tại! Đó là vì quỹ đạo của các hành tinh nhóm trong của Hệ Mặt Trời (Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa) là hỗn loạn, các mô hình lý thuyết cho thấy lẽ ra chúng phải va chạm và hủy lẫn nhau. Nhưng điều đó đã không xảy ra.
Nghiên cứu mới bố hôm mùng 3 tháng 5 trên Physical Review X cuối cùng đã đưa ra lời giải thích.
Thông qua việc phân tích sâu về các mô hình chuyển động hành tinh, các nhà nghiên cứu khám phá ra rằng chuyển động của các hành tinh nhóm trong bị giới hạn bởi một số tham số đóng vai trò như những sợi dây ràng buộc và ngăn cản sự hỗn loạn của hệ. Bên cạnh việc đưa ra lời giải về mặt toán học về sự hài hòa của Hệ Mặt Trời, kết quả thu được từ nghiên cứu còn có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về quỹ đạo của các ngoại hành tinh quanh các ngôi sao khác.
Những hành tinh không thể đoán trước
Các hành tinh luôn gây ra lực hấp dẫn lên nhau, và điều đó tạo ra những biến động liên tục trong quỹ đạo của chúng. Các hành tinh nhóm ngoài của Hệ Mặt Trời có kích thước và khối lượng lớn hơn nhiều, và vì thế chúng ít bị ảnh hưởng bởi dao động nhỏ này hơn (do lực hấp dẫn mà chúng tác động lên nhau quá nhỏ so với chính chuyển động quỹ đạo của chúng) và vì thế chúng dễ dàng giữ được quỹ đạo ổn định.
Tuy nhiên, bài toán về quỹ đạo của các hành tinh nhóm trong vẫn quá phức tạp để có thể giải quyết một cách chính xác. Vào cuối thế kỷ 19, nhà toán học Jules Henri Poincaré đã chứng minh được rằng có thể giải các phương trình về chuyển động của 3 vật thể tương tác lẫn nhau, thường được gọi là "bài toán ba vật thể". Kết quả là, độ bất định trong vị trí ban đầu và vận tốc của các hành tinh tăng dần lên theo thời gian. Nói cách khác, khoảng cách giữa các hành tinh nhóm trong có sự thay đổi chậm theo thời gian, ở một kịch bản chúng có thể rút ngắn và va vào nhau trong khi ở kịch bản ngược lại thì chúng dần dịch ra xa khỏi nhau.
Thời gian cần thiết để hai quỹ đạo có những điều kiện ban đầu gần như giống hệt nhau được phân kỳ với một lượng xác định được gọi là thời gian Lyapunov của hệ hỗn loạn. Năm 1989, Jacques Laskar - nhà thiên văn ở Trung tâm nghiên cứu khoa học Quốc gia Pháp và Đài thiên văn Paris, đồng thời là đồng tác giả của nghiên cứu mới - đã tính ra thời gian Lyapunov của quỹ đạo các hành tinh nhóm trong của Hệ Mặt Trời là chỉ 5 triệu năm.
"Điều đó có nghĩa là về cơ bản thì cứ 10 triệu năm bạn lại mất một chữ số," Laskar nói. "Ví dụ, nếu độ bất định ban đầu là 15 mét, thì 10 triệu năm sau nó sẽ là 150 mét; 100 triệu năm sau đó, có thêm 9 chữ số nữa bổ sung vào đó, khiến cho độ bất định là 150 triệu km, tức là bằng khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời. Về cơ bản là bạn không còn biết được hành tinh lúc đó ở đâu nữa."
Mặc dù 100 triệu năm có vẻ dài, bản thân Hệ Mặt Trời đã tồn tại hơn 4,5 tỷ năm. Việc đó khiến cho sự thiếu vắng những sự kiện kịch tính như là sự va chạm của các hành tinh hay một hành tinh nào đó bị đẩy bật ra khỏi những chuyển động hỗn loạn này từ lâu đã làm đau đầu các nhà khoa học.
Laskar đã quyết định tiếp cận bài toán này theo một cách khác: thử mô phỏng quỹ đạo của các hành tinh trong 5 tỷ năm tiếp theo để xem chúng sẽ ra sao. Ông thấy rằng chỉ có 1% khả năng xảy ra một vụ va chạm hành tinh. Với cùng cách tiếp cận đó, ông tính ra rằng trung bình sẽ cần tới 30 tỷ năm để xảy ra một va chạm.
Thống trị trong hỗn loạn
Sử dụng toán học, Laskar và các cộng sự sau đó đã lần đầu tiên xác định được "tính đối xứng", hay "số lượng bảo toàn" trong tương tác hấp dẫn tạo thành thứ mà họ gọi là "rào cản thực tế đối với chuyển động hỗn loạn của các hành tinh".
Những đại lượng được bổ sung này gần như không biến đổi và trực tiếp ngăn chặn một số chuyển động hỗn loạn, nhưng không chặn đứng hoàn toàn các chuyển động. Nhờ đó mà chúng mang lại sự ổn định trong Hệ Mặt Trời.
Trong một nghiên cứu khác, Laskar và các đồng nghiệp đang tìm kiếm manh mối về việc liệu số lượng hành tinh trong Hệ Mặt Trời có bao giờ khác với những gì chúng ta thấy hiện nay hay không. Mặc dù hiện nay mọi thứ dường như rất ổn định, liệu điều đó có luôn đúng trong hàng tỷ năm trước khi sự sống tiến hóa hay không vẫn còn là một câu hỏi cần trả lời.
R.T
Theo Livescience
