thuha19051234
Pearl
Hệ mặt trời của chúng ta 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 đều quay quanh Mặt Trời do lực hấp dẫn cực mạnh của nó. Tuy nhiên, có một câu hỏi đặt ra là, đây có phải số lượng hành tinh tối đa có thể quay quanh Mặt Trời chưa?
So với nhiều hệ hành tinh khác đã được biết đến, hệ Mặt Trời chứa số hành tinh cao bất thường. Tổng cộng có 812 hệ hành tinh đã biết, ba hành tinh trở lên đã được xác nhận, và chỉ một hệ hành tinh khác - Kepler-90 - chứa nhiều hành tinh như hệ Mặt Trời. Nhiều khả năng là còn nhiều hệ hành tinh cũng có hành tinh nhỏ bên trong mà chúng ta không phát hiện được.
Vì thế, chưa chắc chắn để khẳng định rằng hệ Mặt Trời thực sự là hệ hành tinh "đông dân cư" nhất trong vũ trụ. Tuy nhiên, cũng nhấn mạnh rằng 8 hành tinh ở gần Mặt Trời nhất là giới hạn mức độ lớn để một hệ hành tinh có thể phát triển tự nhiên.
Cấu trúc của một hệ hành tinh là kết quả biến đổi từ nhiều yếu tố phức tạp, chẳng hạn kích thước các ngôi sao và hành tinh, loại hành tinh (dạng rắn hoặc khí), số lượng mặt trăng quay quanh mỗi hành tinh, vị trí của các tiểu hành tinh và sao chổi lớn, hướng quỹ đạo của hành tinh và lượng vật chất còn sót lại từ Mặt Trời để tạo ra các hành tinh. Trên thực tế, phải mất hàng trăm triệu năm từ sự va chạm dữ dội giữa các hành tinh, sự giằng co trọng trường giữa chúng, thì mới có một hệ thống ổn định như hiện tại.
Raymond nói thêm: "Nếu coi thế giới của con người đang sống là một nền văn minh siêu tiên tiến, công nghệ và tài nguyên vượt xa khả năng hiện tại thì có thể vượt qua rất nhiều hạn chế, thiết kế một hệ mặt trời với số lượng hành tinh tối đa."
Nếu mô phỏng hệ mặt trời theo lý thuyết này, chúng ta có thể đặt ra giả thuyết rằng không có giới hạn nào đối với việc tạo ra các hành tinh dựa trên những nguyên liệu có sẵn. Bởi chúng có thể sản xuất theo cách nhân tạo và được định vị theo ý muốn. Ngoài ra, những yếu tố như mặt trăng, tiểu hành tinh, sao chổi và các vật cản khác có thể bỏ qua bởi cách chúng đang làm phức tạp mọi thứ. Cản trở duy nhất ở đây chính là lực hấp dẫn giữa các hành tinh và đối với Mặt Trời. Ngoài ra, các hành tinh sẽ phải quay quanh mặt trời theo một cấu hình ổn định, không gây nhiễu lẫn nhau.
Một hành tinh được định nghĩa là một thiên thể quay quỹ đạo xung quanh Mặt Trời với đủ khối lượng, đạt được trạng thái cân bằng thủy tĩnh (trạng thái làm cho nó có hình dạng tròn). Vùng xung quanh quỹ đạo của nó không còn tồn tại các mảnh vỡ. Bởi vì chưa đủ những điều kiện này, sao Diêm Vương không được coi là một hành tinh thực sự.
Khoảng cách an toàn tối thiểu giữa quỹ đạo của các hành tinh khác nhau trong một hệ thống ổn định sẽ phụ thuộc vào kích thước của mỗi hành tinh, chính xác hơn là bán kính Hill của nó. Bán kính Hill của một hành tinh là khoảng cách giữa hành tinh và rìa ảnh hưởng của nó, trong đó các vật thể có khối lượng nhỏ hơn sẽ bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của nó, chẳng hạn như Mặt Trăng quay quanh Trái Đất.
Những hành tinh có khối lượng lớn hơn sẽ tạo ra một lực hấp dẫn mạnh hơn, tức là chúng có bán kính Hill lớn hơn. Đó là lý do tại sao khoảng cách giữa quỹ đạo của Trái Đất và sao Hỏa là khoảng 48,65 triệu dặm (78,3 triệu km), nhỏ hơn khoảng bảy lần so với khoảng cách giữa quỹ đạo của sao Hỏa và sao Mộc, khoảng 342,19 triệu dặm (550,7 triệu km).
Cũng vì lý do này mà số lượng quỹ đạo có thể nằm gọn trong hệ Mặt Trời phụ thuộc chủ yếu vào kích thước của các hành tinh. Chẳng hạn như sao Mộc có khối lượng lớn hơn Trái đất khoảng 300 lần, tương đương với khoảng cách bán kính Hill của nó lớn hơn khoảng 10 lần Trái Đất. Có nghĩa rằng 10 quỹ đạo Trái đất riêng biệt có thể nằm gọn trong cùng một không gian mà quỹ đạo hiện tại của Sao Mộc chiếm giữ. Vì vậy để tối đa hóa số lượng hành tinh trong một hệ thống, bạn cần phải làm cho các hành tinh đó càng nhỏ càng tốt.
Trong hệ mặt trời hiện tại, mỗi hành tinh sẽ quay theo cùng một hướng xung quanh mặt trời. Điều này là do các hành tinh được hình thành từ một đám mây bụi lớn quay theo cùng một hướng . Tuy nhiên, trong hệ mặt trời được mô phỏng, có thể có các hành tinh quay quanh mặt trời theo hướng ngược lại, còn gọi là quỹ đạo ngược. Nhưng ý tưởng này có vẻ hơi "viển vông" bởi quỹ đạo ngược thường không tồn tại trong tự nhiên, do bản chất của cách các hành tinh hình thành.
Điều đó cũng nói rằng, nếu 2 hành tinh quay quanh mặt trời theo hướng ngược nhau, lực hấp dẫn của chúng sẽ bị giảm đi một ít và khoảng cách an toàn tối thiểu giữa các quỹ đạo của chúng có thể bị rút ngắn lại. "Nếu hai hành tinh ở các quỹ đạo khác nhau đi theo cùng một hướng, thì chúng sẽ có thời gian chạm trán nhau lâu hơn, điều này tạo ra một lực hấp dẫn lớn hơn. Tuy nhiên, nếu chúng đi ngược chiều, chúng phóng qua nhau và tương tác trong một khoảng thời gian ngắn hơn, tức là chúng có thể ở gần nhau hơn mà không bị va chạm hoặc phân tán."
"Chúng tôi cũng đang tích cực tìm kiếm những ví dụ về các hành tinh Trojan này trong số các hệ thống ngoại hành tinh bởi vì chúng được cho là sẽ hình thành một cách tự nhiên, tuy nhiên đáng tiếc là hiện chưa có trường hợp nào được quan sát", Raymond nói.
Biểu đồ cho thấy 42 hành tinh bằng kích thước của Trái Đất chia sẻ một quỹ đạo duy nhất
Nếu chúng ta muốn tối đa hóa số hành tinh trong hệ Mặt Trời được mô phỏng, những hành tinh Trojan sẽ đóng một vai trò rất quan trọng, càng nhiều hành tinh Trojan càng tốt. Tuy vậy, cũng tương tự như sự phù hợp quỹ đạo xung quanh Mặt Trời, số lượng các hành tinh quanh nó cũng phải có những khoảng cách đủ lớn để duy trì sự ổn định.
Năm 2010, một nghiên cứu thiên văn đã sử dụng bán kính Hill để tính xem có bao nhiêu hành tinh có thể chia sẻ quỹ đạo. Đáng ngạc nhiên, họ phát hiện ra rằng có thể có tới 42 hành tinh kích thước bằng Trái Đất chia sẻ một quỹ đạo duy nhất. Kích thước các hành tinh càng nhỏ thì càng có xác suất lớn về việc nằm chung trong một quỹ đạo.
Trên thực tế, cơ hội để các hành tinh tự nhiên có thể chia sẻ quỹ đạo của nó gần như là không thể, vì mỗi hành tinh với tư cách là một "cá thể" riêng sẽ có kích thước riêng, được hình thành cùng một thời điểm để có được sự ổn định như hiện tại. Tuy nhiên trong một hệ Mặt Trời được thiết kế, mức độ cấu trúc cùng quỹ đạo này có khả năng xảy ra và làm tăng đáng kể số lượng hành tinh mà chúng ta có thể thêm vào.
Biểu đổ hiển thị số quỹ đạo và hành tinh Trojan có sẵn từ kích thước các hành tinh
Để tối đa hóa số lượng các hành tinh, hệ thống được mô phỏng mở rộng đến 1.000 đơn vị thiên văn (AU) tính từ mặt trời (Một AU là khoảng cách trung bình từ mặt trời đến quỹ đạo Trái đất, khoảng 93 triệu dặm, hay 150 triệu km). Biên giới xác định của hệ Mặt Trời, còn được gọi là nhật quyển, cách mặt trời khoảng 100 AU, nhưng ảnh hưởng từ lực hấp dẫn của Mặt Trời còn được mở rộng xa hơn nhiều. Hơn nữa, mô hình hệ Mặt Trời trên lý thuyết sử dụng các hành tinh có kích thước bằng nhau với quỹ đạo ngược dòng xen kẽ.
Biểu đồ hiển thị số lượng tối đa các hành tinh có kích thước bằng Trái Đất trong hệ mặt trời
Tính đến tất cả những yếu tố có thể tác động, nếu bạn sử dụng các hành tinh có cùng kích thước như Trái Đất, chúng có thể nằm trong 57 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 42 hành tinh, tổng cộng có 2.394 hành tinh. Tuy nhiên nếu bạn sử dụng các hành tinh nhỏ hơn khoảng bằng 1/10 kích thước của Trái Đất (gần bằng khối lượng của sao Hỏa) thì số quỹ đạo chung có thể lên tới 121 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 89 hành tinh, cho tổng số 10.769 hành tinh. Còn nếu các hành tinh chỉ có kích thước tương đương với Mặt Trăng (bằng 1/100 khối lượng Trái Đất), con số quỹ đạo chung sẽ là 341 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 193 hành tinh, tổng cộng là 65.813 hành tinh.
Bạn sẽ kinh ngạc với những con số cực kỳ lớn này, và việc tạo những hệ thống phức tạp như vậy vượt xa tầm tay của nhân loại. Tuy vậy, thí nghiệm thú vị này cũng cho chúng ta thấy một điều rõ ràng rằng trong hệ mặt trời sẽ còn nhiều không gian hơn cho các hành tinh hơn là chỉ có 8 hành tinh ít ỏi như ngày nay. Nhưng, nếu có thêm một hành tinh nào nữa, rất ít khả năng nó được hình thành một cách tự nhiên.
Nguồn Livescience
So với nhiều hệ hành tinh khác đã được biết đến, hệ Mặt Trời chứa số hành tinh cao bất thường. Tổng cộng có 812 hệ hành tinh đã biết, ba hành tinh trở lên đã được xác nhận, và chỉ một hệ hành tinh khác - Kepler-90 - chứa nhiều hành tinh như hệ Mặt Trời. Nhiều khả năng là còn nhiều hệ hành tinh cũng có hành tinh nhỏ bên trong mà chúng ta không phát hiện được.
Vì thế, chưa chắc chắn để khẳng định rằng hệ Mặt Trời thực sự là hệ hành tinh "đông dân cư" nhất trong vũ trụ. Tuy nhiên, cũng nhấn mạnh rằng 8 hành tinh ở gần Mặt Trời nhất là giới hạn mức độ lớn để một hệ hành tinh có thể phát triển tự nhiên.
Kỹ thuật mô phỏng một hệ Mặt Trời
Nhà thiên văn học Sean Raymond tại Phòng thí nghiệm vật lý thiên văn Bordeaux ở Pháp, chuyên về các hệ hành tinh, nói rằng: "Khi bạn đang nói về việc có bao nhiêu hành tinh có thể nằm trong một hệ hành tinh, có rất nhiều khía cạnh khác nhau cần xem xét."Cấu trúc của một hệ hành tinh là kết quả biến đổi từ nhiều yếu tố phức tạp, chẳng hạn kích thước các ngôi sao và hành tinh, loại hành tinh (dạng rắn hoặc khí), số lượng mặt trăng quay quanh mỗi hành tinh, vị trí của các tiểu hành tinh và sao chổi lớn, hướng quỹ đạo của hành tinh và lượng vật chất còn sót lại từ Mặt Trời để tạo ra các hành tinh. Trên thực tế, phải mất hàng trăm triệu năm từ sự va chạm dữ dội giữa các hành tinh, sự giằng co trọng trường giữa chúng, thì mới có một hệ thống ổn định như hiện tại.
Raymond nói thêm: "Nếu coi thế giới của con người đang sống là một nền văn minh siêu tiên tiến, công nghệ và tài nguyên vượt xa khả năng hiện tại thì có thể vượt qua rất nhiều hạn chế, thiết kế một hệ mặt trời với số lượng hành tinh tối đa."
Nếu mô phỏng hệ mặt trời theo lý thuyết này, chúng ta có thể đặt ra giả thuyết rằng không có giới hạn nào đối với việc tạo ra các hành tinh dựa trên những nguyên liệu có sẵn. Bởi chúng có thể sản xuất theo cách nhân tạo và được định vị theo ý muốn. Ngoài ra, những yếu tố như mặt trăng, tiểu hành tinh, sao chổi và các vật cản khác có thể bỏ qua bởi cách chúng đang làm phức tạp mọi thứ. Cản trở duy nhất ở đây chính là lực hấp dẫn giữa các hành tinh và đối với Mặt Trời. Ngoài ra, các hành tinh sẽ phải quay quanh mặt trời theo một cấu hình ổn định, không gây nhiễu lẫn nhau.
Một hành tinh được định nghĩa là một thiên thể quay quỹ đạo xung quanh Mặt Trời với đủ khối lượng, đạt được trạng thái cân bằng thủy tĩnh (trạng thái làm cho nó có hình dạng tròn). Vùng xung quanh quỹ đạo của nó không còn tồn tại các mảnh vỡ. Bởi vì chưa đủ những điều kiện này, sao Diêm Vương không được coi là một hành tinh thực sự.
Vấn đề kích cỡ các hành tinh
Trong một hệ mặt trời được thiết kế, số lượng hành tinh tối đa bị giới hạn bởi số quỹ đạo hành tinh phù hợp, có thể quay quanh mặt trời trước khi chúng bắt đầu trở nên không ổn định. “Khi một hệ hành tinh trở nên không ổn định, quỹ đạo của các hành tinh bắt đầu cắt nhau, có nghĩa là chúng có thể va chạm với nhau hoặc chỉ phân tán theo trọng lực”.Khoảng cách an toàn tối thiểu giữa quỹ đạo của các hành tinh khác nhau trong một hệ thống ổn định sẽ phụ thuộc vào kích thước của mỗi hành tinh, chính xác hơn là bán kính Hill của nó. Bán kính Hill của một hành tinh là khoảng cách giữa hành tinh và rìa ảnh hưởng của nó, trong đó các vật thể có khối lượng nhỏ hơn sẽ bị ảnh hưởng bởi lực hấp dẫn của nó, chẳng hạn như Mặt Trăng quay quanh Trái Đất.
Những hành tinh có khối lượng lớn hơn sẽ tạo ra một lực hấp dẫn mạnh hơn, tức là chúng có bán kính Hill lớn hơn. Đó là lý do tại sao khoảng cách giữa quỹ đạo của Trái Đất và sao Hỏa là khoảng 48,65 triệu dặm (78,3 triệu km), nhỏ hơn khoảng bảy lần so với khoảng cách giữa quỹ đạo của sao Hỏa và sao Mộc, khoảng 342,19 triệu dặm (550,7 triệu km).
Cũng vì lý do này mà số lượng quỹ đạo có thể nằm gọn trong hệ Mặt Trời phụ thuộc chủ yếu vào kích thước của các hành tinh. Chẳng hạn như sao Mộc có khối lượng lớn hơn Trái đất khoảng 300 lần, tương đương với khoảng cách bán kính Hill của nó lớn hơn khoảng 10 lần Trái Đất. Có nghĩa rằng 10 quỹ đạo Trái đất riêng biệt có thể nằm gọn trong cùng một không gian mà quỹ đạo hiện tại của Sao Mộc chiếm giữ. Vì vậy để tối đa hóa số lượng hành tinh trong một hệ thống, bạn cần phải làm cho các hành tinh đó càng nhỏ càng tốt.
Sự ngược hướng nhau
Theo phân tích phía trên, kích thước của các hành tinh là chìa khóa để tối đa hóa quỹ đạo phù hợp với một hệ thống được mô phỏng. Tuy nhiên, có một cách thông minh khác mà chúng ta có thể khai thác để thêm một vài quỹ đạo bổ sung không tính đến kích thước của các hành tinh: đó là thay đổi hướng mà chúng di chuyển xung quanh mặt trời.Trong hệ mặt trời hiện tại, mỗi hành tinh sẽ quay theo cùng một hướng xung quanh mặt trời. Điều này là do các hành tinh được hình thành từ một đám mây bụi lớn quay theo cùng một hướng . Tuy nhiên, trong hệ mặt trời được mô phỏng, có thể có các hành tinh quay quanh mặt trời theo hướng ngược lại, còn gọi là quỹ đạo ngược. Nhưng ý tưởng này có vẻ hơi "viển vông" bởi quỹ đạo ngược thường không tồn tại trong tự nhiên, do bản chất của cách các hành tinh hình thành.
Điều đó cũng nói rằng, nếu 2 hành tinh quay quanh mặt trời theo hướng ngược nhau, lực hấp dẫn của chúng sẽ bị giảm đi một ít và khoảng cách an toàn tối thiểu giữa các quỹ đạo của chúng có thể bị rút ngắn lại. "Nếu hai hành tinh ở các quỹ đạo khác nhau đi theo cùng một hướng, thì chúng sẽ có thời gian chạm trán nhau lâu hơn, điều này tạo ra một lực hấp dẫn lớn hơn. Tuy nhiên, nếu chúng đi ngược chiều, chúng phóng qua nhau và tương tác trong một khoảng thời gian ngắn hơn, tức là chúng có thể ở gần nhau hơn mà không bị va chạm hoặc phân tán."
Sự chia sẻ quỹ đạo
Cho đến thời điểm hiện tại, chúng ta giả định rằng mỗi quỹ đạo trong hệ Mặt Trời được mô phỏng chỉ chứa một hành tinh nhưng trên thực tế, có thể tồn tại nhiều hành tinh chia sẻ quỹ đạo. Một ví dụ sẽ cho chúng ta thấy rõ hơn điều này là sao Mộc, ngôi sao có hai cụm tiểu hành tinh, được gọi là Greeks và Trojan có chung quỹ đạo. Những cụm tiểu hành tinh này nằm ở phía trước và sau khối khí khổng lồ khoảng 60 độ khi nó quay quanh Mặt Trời. Tuy nhiên các nhà thiên văn học cho rằng có thể các hành tinh chia sẻ quỹ đạo theo cách tương tự, họ đặt tên theo lý thuyết là hành tinh Trojan."Chúng tôi cũng đang tích cực tìm kiếm những ví dụ về các hành tinh Trojan này trong số các hệ thống ngoại hành tinh bởi vì chúng được cho là sẽ hình thành một cách tự nhiên, tuy nhiên đáng tiếc là hiện chưa có trường hợp nào được quan sát", Raymond nói.
Nếu chúng ta muốn tối đa hóa số hành tinh trong hệ Mặt Trời được mô phỏng, những hành tinh Trojan sẽ đóng một vai trò rất quan trọng, càng nhiều hành tinh Trojan càng tốt. Tuy vậy, cũng tương tự như sự phù hợp quỹ đạo xung quanh Mặt Trời, số lượng các hành tinh quanh nó cũng phải có những khoảng cách đủ lớn để duy trì sự ổn định.
Năm 2010, một nghiên cứu thiên văn đã sử dụng bán kính Hill để tính xem có bao nhiêu hành tinh có thể chia sẻ quỹ đạo. Đáng ngạc nhiên, họ phát hiện ra rằng có thể có tới 42 hành tinh kích thước bằng Trái Đất chia sẻ một quỹ đạo duy nhất. Kích thước các hành tinh càng nhỏ thì càng có xác suất lớn về việc nằm chung trong một quỹ đạo.
Trên thực tế, cơ hội để các hành tinh tự nhiên có thể chia sẻ quỹ đạo của nó gần như là không thể, vì mỗi hành tinh với tư cách là một "cá thể" riêng sẽ có kích thước riêng, được hình thành cùng một thời điểm để có được sự ổn định như hiện tại. Tuy nhiên trong một hệ Mặt Trời được thiết kế, mức độ cấu trúc cùng quỹ đạo này có khả năng xảy ra và làm tăng đáng kể số lượng hành tinh mà chúng ta có thể thêm vào.
Vậy con số các hành tinh tối đa là bao nhiêu?
Như vậy, chúng ta đã hiểu hơn được các biến số quan trọng cần thiết để tạo một hệ Mặt Trời với đầy đủ các hành tinh, và chỉ còn việc xác định các con số để xem liệu chúng ta có thể đưa tối đa bao nhiêu hành tinh vào đó. Raymond đã sử dụng mô phỏng máy tính mà ông tạo ra. Tuy nhiên, cần lưu ý là những tính toán này đều dựa trên lý thuyết thiên văn và các phương pháp phù hợp, nhưng nó vẫn không được đánh giá đồng nhất với thực tế.Để tối đa hóa số lượng các hành tinh, hệ thống được mô phỏng mở rộng đến 1.000 đơn vị thiên văn (AU) tính từ mặt trời (Một AU là khoảng cách trung bình từ mặt trời đến quỹ đạo Trái đất, khoảng 93 triệu dặm, hay 150 triệu km). Biên giới xác định của hệ Mặt Trời, còn được gọi là nhật quyển, cách mặt trời khoảng 100 AU, nhưng ảnh hưởng từ lực hấp dẫn của Mặt Trời còn được mở rộng xa hơn nhiều. Hơn nữa, mô hình hệ Mặt Trời trên lý thuyết sử dụng các hành tinh có kích thước bằng nhau với quỹ đạo ngược dòng xen kẽ.
Tính đến tất cả những yếu tố có thể tác động, nếu bạn sử dụng các hành tinh có cùng kích thước như Trái Đất, chúng có thể nằm trong 57 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 42 hành tinh, tổng cộng có 2.394 hành tinh. Tuy nhiên nếu bạn sử dụng các hành tinh nhỏ hơn khoảng bằng 1/10 kích thước của Trái Đất (gần bằng khối lượng của sao Hỏa) thì số quỹ đạo chung có thể lên tới 121 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 89 hành tinh, cho tổng số 10.769 hành tinh. Còn nếu các hành tinh chỉ có kích thước tương đương với Mặt Trăng (bằng 1/100 khối lượng Trái Đất), con số quỹ đạo chung sẽ là 341 quỹ đạo, mỗi quỹ đạo chứa 193 hành tinh, tổng cộng là 65.813 hành tinh.
Bạn sẽ kinh ngạc với những con số cực kỳ lớn này, và việc tạo những hệ thống phức tạp như vậy vượt xa tầm tay của nhân loại. Tuy vậy, thí nghiệm thú vị này cũng cho chúng ta thấy một điều rõ ràng rằng trong hệ mặt trời sẽ còn nhiều không gian hơn cho các hành tinh hơn là chỉ có 8 hành tinh ít ỏi như ngày nay. Nhưng, nếu có thêm một hành tinh nào nữa, rất ít khả năng nó được hình thành một cách tự nhiên.
Nguồn Livescience
