Trả lời bởi Jacob Bruns, thạc sĩ về khoa học hành tinh và vật lý thiên văn, Đại học Colorado ở Boulder (2015)
(Chú thích: “ngoại hành tinh” là những hành tinh không thuộc Hệ Mặt Trời)
Trong số hàng ngàn tinh hệ đã được khám phá, chẳng có gì giống (thậm chí chỉ là gần giống) Hệ Mặt Trời của chúng ta cả.
Mấy cái tít báo về ngoại hành tinh thường chỉ có một loại: khám phá ra một hành tinh “giống Trái Đất” vì mọi người rất phấn khích trước tiềm năng tìm ra một hành tinh giống với quê hương của chúng ta (và điều đó cũng đúng thôi). Ý tưởng về việc tìm ra sự sống ở đâu đó trong thiên hà này thực sự vô cùng quyến rũ, nhưng nó cũng phủ bóng đen lên nhiều điều mà ta đang tìm hiểu về các ngoại hành tinh và Hệ Mặt Trời.
Con người đã cố gắng tìm hiểu về quá trình hình thành của Hệ Mặt Trời nhiều năm trước khi ngoại hành tinh đầu tiên được tìm thấy. Tôi đang nói về quãng thời gian nghiên cứu kéo dài hơn một thế kỷ, thậm chí là nhiều thế kỷ nếu quay lại thời kỳ trước cả Kepler và Newton. Và chúng ta luôn bắt đầu bằng cách nghiên cứu một hệ hành tinh: chính là Hệ Mặt Trời này. Kiến thức cơ bản của con người về vũ trụ đều từ đây mà ra.
Khoảnh khắc mà công nghệ của nền văn minh này đủ hiện đại để có thể phát hiện được các ngoại hành tinh (đặc biệt là các hệ có nhiều hành tinh), chúng ta cũng bắt đầu nhận ra rằng chúng kỳ quặc như thế nào. Dường như mỗi hệ đa hành tinh được phát hiện lại khiến con người phải thay đổi gần như hoàn toàn cách nghĩ về quá trình hình thành của các hành tinh, và ngày càng có nhiều loại hệ hành tinh mà trước đó ta không dám tưởng tượng rằng chúng có tồn tại.
Những hệ hành tinh đầu tiên được tìm thấy có loại hành tinh kỳ lạ mà giờ được gọi là Sao Mộc Nóng (Hot Jupiter):
Bạn có thể hình dung nó như một hành tinh đang cháy cũng được vì nó cũng không sai lệch với thực tế lắm. Đó là những hành tinh khí khổng lồ giống Sao Mộc nhưng lại có quỹ đạo cực gần ngôi sao chủ nên nhiệt độ rất cao. Thực ra nói chúng “nóng” là đã làm giảm mức độ rất nhiều rồi. Những hành tinh này đang sôi: nhiệt độ lên tới hàng ngàn độ. Một trong những ngoại hành tinh nóng nhất thuộc loại này là Kelt-9b có nhiệt độ lên tới 4.300°C. Để làm một phép so sánh thì nhiệt độ bề mặt mặt trời là khoảng 5.500°C.
Vì có quỹ đạo ở gần ngôi sao chủ nên những hành tinh loại này cũng bị khóa thủy triều – nghĩa là thời gian tự quay quanh trục của nó cũng bằng thời gian quay quanh sao chủ nên chúng chỉ có một mặt là quay về phía ngôi sao chủ. Từ “mặt” ở đây phải được đặt trong ngoặc kép mới chính xác vì những hành tinh khí khổng lồ này không có bề mặt rắn như Trái Đất. Khí nóng vẫn truyền qua mặt tối và đi khắp hành tinh, đôi khi còn đi về phía lõi nữa. Một lượng lớn khí bị thổi bay khỏi bề mặt hành tinh và đôi khi tạo thành một “cái đuôi” khi hành tinh này quay quanh sao chủ.
Tôi cần nhấn mạnh một lần nữa về nhiệt độ của những hành tinh loại này. “Hàng ngàn độ” chắc chắn là một con số lớn, nhưng chính xác thì nó lớn cỡ nào? Lấy Kelt-9b làm ví dụ: khí quyển của nó chứa đầy titan và sắt ở dạng hơi. Titan và sắt là kim loại nhưng lại tồn tại ở đây dưới dạng… hơi vì nhiệt độ của Kelt-9b lớn hơn điểm sôi của hầu hết kim loại (thường nằm trong khoảng 2.700–3.300°C).
Và khi hơi kim loại này tới được mặt tối của hành tinh, chúng sẽ nguội đi và ngưng tụ thành giọt kim loại lỏng, tạo thành những trận mưa kim loại lỏng trước khi được đưa trở lại mặt sáng của hành tinh.
Nếu điều đó vẫn chưa đủ điên rồ, thì việc có một hành tinh khí khổng lồ gần với ngôi sao chủ là khá thú vị khi ta quay lại thời điểm mà hệ hành tinh này được hình thành. Chúng ta luôn nghĩ rằng lý do những hành tinh khí khổng lồ của mình nằm ở phía ngoài Hệ Mặt Trời là vì ở đó có mật độ chất rắn cao hơn (băng đá): càng nhiều chất rắn thì các hành tinh càng lớn, đúng không?
Ừm, thực ra thì không vì những hành tinh dạng Sao Mộc Nóng khá phổ biến. Các tham số quỹ đạo của một hành tinh có thể thay đổi đáng kể trong giai đoạn đầu mà hệ hành tinh hình thành: một hành tinh có thể thay đổi quỹ đạo quanh sao chủ cho tới khi chúng đạt được quỹ đạo sẽ ổn định trong vài tỷ năm sau. Đây được gọi là “sự di cư của các hành tinh”. Những hành tinh khí khổng lồ của Hệ Mặt Trời cũng từng trải qua điều này, chỉ khác là chúng ra xa Mặt Trời hơn chứ không lại gần. Nếu Sao Mộc tiến lại gần Mặt Trời vào thời kỳ sơ khai đó thì Hệ Mặt Trời ngày nay sẽ rất khác.
Ở một hệ hành tinh khác, Sao Mộc Nóng có thể đã hình thành gần như ở cùng một nơi như Sao Mộc của chúng ta đối với Mặt Trời, rồi từ từ di chuyển vào trong – độ lớn và độ nghiêng của sự di chuyển này có lẽ phụ thuộc vào đĩa tiền hành tinh mà nó đang hình thành.
Dù đã rất kỳ lạ, nhưng những hệ hành tinh chứa Sao Mộc Nóng mới chỉ là phần nổi của tảng băng trôi mà thôi.
Cùng với việc Kính thiên văn vũ trụ Kepler của NASA được phóng lên và sự phát triển của các thiết bị quan sát từ Trái Đất như Keck và TRAPPIST, tri thức của con người về các ngoại hành tinh đang tăng theo hàm mũ và chúng ta đã tìm thấy những hệ hành tinh còn kỳ lạ hơn nữa.
Nổi bật nhất là loại hành tinh được gọi là Siêu Trái Đất (Super Earth). Cái tên này ý chỉ những hành tinh có khối lượng đủ thấp để có thể có bề mặt rắn giống các hành tinh đá của Hệ Mặt Trời. Từ “siêu” trong trường hợp này chỉ có nghĩa là “lớn hơn”, chứ không có ý khẳng định về sự giống nhau giữa chúng và Trái Đất. Trong một số trường hợp, chúng thậm chí hoàn toàn khác Trái Đất nhưng chúng ta sẽ tìm hiểu ở phần sau.
Mặc dù Hệ Mặt Trời không hề có hành tinh thuộc dạng Siêu Trái Đất, nhưng những hành tinh loại này thực ra lại rất phổ biến, có lẽ là loại hành tinh phổ biến nhất mà con người đã phát hiện ra. Tuy nhiên, đây có thể là kết quả của thiên lệch quan sát vì các hành tinh lớn thường dễ phát hiện hơn các hành tinh nhỏ.
Không chỉ có vậy, chúng ta đã khám phá ra những hệ hành tinh chỉ gồm toàn các hành tinh có kích thước bằng Trái Đất và Siêu Trái Đất. Hệ hành tinh loại này đặc biệt phổ biến xung quanh các ngôi sao có khối lượng thấp gọi là sao lùn đỏ (hay sao lùn M). Có lẽ bạn đã nghe tới hệ hành tinh nổi tiếng nhất thuộc loại này: TRAPPIST-1.
TRAPPIST-1 gồm 7 hành tinh, tất cả đều có bán kính nằm trong khoảng từ 0,7–1,2 bán kính Trái Đất, và đều quay quanh sao chủ ở khoảng cách tầm 6% khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời. Sao chủ của chúng khá nhỏ, chỉ lớn hơn Sao Mộc một chút về kích thước nhưng khối lượng thì lớn hơn nhiều.
Các hệ hành tinh dạng này có thể hình thành từ các dải vật chất mật độ cao trong đĩa tiền hành tinh: bụi di chuyển vào phía trong của đĩa do ma sát khí động học và sự mất cân bằng về động lực học, và vật chất bị kẹt lại trong “vùng bẫy” – Trapzone. (Điều này không liên quan đến cái tên “TRAPPIST” vì nó vốn được tên theo đài quan sát đã phát hiện ra mình – từ viết tắt chỉ một loại bia.)
Sau khi các hành tinh thành hình, chúng đồng loạt di cư vào phía trong và đạt được quỹ đạo gần như cộng hưởng: chu kỳ quỹ đạo của chúng có thể được biểu diễn bằng các phân số đơn giản như 3/2, 4/3, 5/3, and 8/5. Chúng đều bị khóa thủy triều với ngôi sao chủ: một mặt là ánh sáng vô tận, mặt kia là bóng đêm vĩnh hằng.
Kepler đã tìm thấy rất nhiều hệ hành tinh có bản chất giống với TRAPPIST-1, trong đó có cả một số hệ hành tinh gồm toàn bộ là các Siêu Trái Đất. Chúng ta hầu như chưa biết gì về các hành tinh dạng này, vì chúng nằm ngay ranh giới giữa một hành tinh đá và hành tinh khí. Vì trong Hệ Mặt Trời của chúng ta không có hành tinh nào như vậy nên rất khó khó để đánh giá những hành tinh này cho đến khi ta có được cách ước lượng khối lượng của chúng – có lẽ phải dựa vào phép đo vận tốc hướng tâm của chúng với ngôi sao chủ.
Tuy nhiên, dựa theo những kiến thức sẵn có, những hành tinh loại này có thể nằm giữa hành tinh đá và hành tinh khí: hành tinh nước. Thực tế thì trong Hệ Mặt Trời không có hành tinh nước, nhưng Trái Đất gần như có thể đáp ứng các tiêu chí của một hành tinh nước. Một ví dụ là Kepler-22b.
Bầu khí quyển của Kepler-22b rất dày, tuy không bằng của các hành tinh khí khổng lồ – vốn hình thành từ khí thoát ra. Bên dưới bầu khí quyển của Kepler-22b là một đại dương nước lỏng khổng lồ bao phủ toàn bộ tinh cầu này. Áp suất ở đáy đại dương này lớn đến mức đáy biển bị ép dẹp vào vỏ – và thậm chí là tới tận quyển manti – của Kepler-22b.
Bất chấp sự dồi dào của nước lỏng, một môi trường như vậy có thể không thích hợp cho sự sống như ta thường nghĩ. Việc thiếu các lục địa và quá trình địa chất (như xói mòn để làm lắng đọng vật chất quang hóa xuống đại dương) sẽ không tạo đủ thành phần để các phân tử hữu cơ và yếu tố cơ bản của sự sống – ít nhất là như chúng ta đã biết – hình thành. Tuy nhiên, loại hành tinh này có thể chiếm tới một phần ba tổng số hành tinh trong Dải Ngân Hà.
Tất cả những khám phá này dẫn tới một xu hướng đáng ngạc nhiên: tất cả những loại hành tinh mà ta nghĩ là kỳ lạ và kỳ quặc thực ra lại khá phổ biến, thậm chí có thể coi là điển hình.
Trên thực tế, hệ hành tinh kỳ lạ nhất trong tất cả các hệ hành tinh mà chúng ta đã biết lại chính là Hệ Mặt Trời.
Dù những hệ ngoại hành tinh này rất kỳ lạ, nhưng vẫn còn nhiều người chưa biết về sự kỳ lạ của chính Thái Dương Hệ này.
Chúng ta đều biết rằng sự sống tồn tại trên Trái Đất chính là một yếu tố khiến ngôi nhà của loài người trở nên đặc biệt, nhưng Hệ Mặt Trời vẫn còn nhiều điều đặc biệt hơn thế.
Thực sự thì một hệ hành tinh với nhiều loại hành tinh khác nhau là một điều rất kỳ lạ, từ sự đa dạng của khoảng cách giữa các quỹ đạo, vành đai tiểu hành tinh hình thành từ vật chất tàn dư sau quá trình hình thành của các hành tinh. Và điều đặc biệt hơn hết là Hệ Mặt Trời có Trái Đất: một hành tinh có khối lượng và nhiệt độ hoàn hảo để duy trì bầu khí quyển với áp suất vừa đủ để nước lỏng tồn tại. Lượng nước này không bao phủ toàn bộ hành tinh nên đủ chỗ cho các quá trình địa chất phức tạp khi lục địa và đại dương tương tác với nhau; ngoài ra kiến tạo mảng, núi lửa và đối lưu nhiệt ở lõi ngoài cũng giúp cho Trái Đất có một từ trường đủ mạnh.
Và tất nhiên, sự sống tồn tại được trên hành tinh là nhờ kết quả của tất cả những hoạt động kể trên.
Một nghiên cứu gần đây cho thấy tất cả các hệ ngoại hành tinh mà chúng ta đã khám phá đều có một điểm chung: hầu hết chúng đều có các hành tinh với kích thước tương đương nhau, khối lượng gần như xấp xỉ, cách đều nhau hoặc cộng hưởng quỹ đạo.
Vì vậy, ta thường thấy các hệ hành tinh với một số hành tinh khí khổng lồ có kích thước từ Sao Hải Vương đến Sao Mộc (như 55 Cancri), các hệ với cả nửa tá Siêu Trái Đất (như Gliese 581), hoặc các hệ với nhiều hành tinh đá cỡ Trái Đất và hành tinh dạng như TRAPPIST-1. Những hệ mà các hành tinh của nó thuộc đủ loại và kích cỡ là rất hiếm.
Nhưng chính tại Hệ Mặt Trời, chúng ta lại có các hành tinh với kích thước rất đa dạng: từ cực nhỏ như Sao Thủy (nhỏ hơn cả một mặt trăng của Sao Mộc!) tới những gã khổng lồ như chính Sao Mộc (người ta vẫn còn đang tranh cãi về việc liệu nó có được hình thành từ một lõi rắn như một hành tinh điển hình hay không. Dưới đây là hình minh họa kích thước các hành tinh trong Hệ Mặt Trời so với TRAPPIST-1.
Trên thực tế, vẫn còn một điều nữa khiến Hệ Mặt Trời trở thành kẻ lập dị. Đó là hệ Jovian (Sao Mộc và các vệ tinh của nó) lại có rất nhiều điểm chung với hầu hết các hệ ngoại hành tinh.
Hãy so sánh nó với TRAPPIST-1:
Bốn mặt trăng lớn nhất của Sao Mộc là Io, Europa, Ganymede và Callisto có kích thước khá tương đương nhau và nằm trên các quỹ đạo cộng hưởng, giống như TRAPPIST-1 và một hệ hành tinh đá khác nằm rất gần nó. Điểm khác biệt chính là Sao Mộc không phải là một ngôi sao (thậm chí không phải là sao lùn nâu theo định nghĩa hiện tại).
Và đó có thể là gốc rễ của mọi sự kỳ quái về Thái Dương Hệ.
Trước cả khi con người bắt đầu khám phá ra các hệ ngoại hành tinh, chúng ta đã biết về ảnh hưởng mạnh mẽ của Sao Mộc tới quá trình hình thành Hệ Mặt Trời. Và đó là khối lượng khổng lồ của nó: với tiêu chuẩn của một hành tinh mà nói thì khối lượng của nó thực sự quá lớn. Trên thực tế, nếu không tính Mặt Trời thì Sao Mộc chiếm tới khoảng 68,2% khối lượng của toàn bộ Hệ Mặt Trời. Hãy nghĩ về điều đó mà xem: 68,2% khối lượng của toàn bộ những thiên thể quay quanh Mặt Trời chỉ tập trung vào một điểm duy nhất. Sao Mộc.
Chúng ta có vành đai tiểu hành tinh là do Sao Mộc vì khối lượng của nó gây ra sự bất ổn về mặt động học trong quỹ đạo của các thiên thể vượt qua quỹ đạo cộng hưởng để tiến vào phía trong. Sự di cư vào phía trong Hệ Mặt Trời của Sao Mộc buộc các hành tinh khí khổng lồ khác di cư ra phía ngoài, dẫn tới một thời kỳ được gọi là Thời kỳ oanh tạc muộn (Late Heavy Bombardment).
Khi các hành tinh khí khổng lồ di cư ra ngoài, chúng băng qua các vật chất tàn dư từ thuở sơ khai và băng đá; hiệu ứng hỗ trợ hấp dẫn do những hành tinh khí khổng lồ này gây ra bắn vật chất đó theo mọi hướng. Đó là lý do tại sao bề mặt của tất cả các hành tinh đá trong Hệ Mặt Trời đều bắn phá nặng nề, ngoại trừ các hành tinh có diễn ra các quá trình như xói mòn: Trái Đất là một ví dụ.
Và điều ảnh hưởng mạnh mẽ nhất tới con người chính là: Sao Mộc là nguyên nhân khiến một tiền hành tinh to cỡ Sao Hỏa đâm vào tiền Trái Đất hàng tỷ năm trước trong Thời kỳ oanh tạc muộn. Vụ va chạm kinh hoàng này đã thổi bay lớp vỏ của tiền Trái Đất vào vũ trụ:
Một phần của lượng vật chất đó đã quay quanh tiền Trái Đất, hình thành một vành đai và cuối cùng trở thành Mặt Trăng. Chúng ta phải cảm ơn quá trình này vì chính nhờ Mặt Trăng mà trên Trái Đất mới có thủy triều – điều mà hầu hết các nhà sinh học đều đồng ý rằng đó là một yếu tố quan trọng với quá trình hình thành sự sống trên Trái Đất.
Trên nhiều khía cạnh thì nhân loại phải biết ơn Sao Mộc và sự hình thành độc nhất vô nhị của Hệ Mặt Trời.
Có thể nói Sao Mộc đã hình thành một vùng bẫy ở ngay bên ngoài đường đóng băng (ice line) của Thái Dương Hệ – nơi nhiệt độ giảm xuống cực thấp, cho phép các chất như nước, metan, amoniac và các hydrocacbon khác đóng băng. Đây không phải điều gì đó quá bất thường. Tôi đã đề cập rằng các vùng bẫy có thể khá phổ biến trong nhiều hệ hành tinh đang hình thành, thậm chí là một phần quan trọng của quá trình đó. Và thật hợp lý khi có một vùng bẫy ở gần Sao Mộc vì nhiệt độ thấp tạo ra sự chênh lệch mật độ vật chất giữa bên trong và bên ngoài đĩa – điều kiện hoàn hảo để vùng bẫy hấp dẫn hình thành.
Điều khiến Hệ Mặt Trời trở nên không đồng nhất là do có sự khác biệt về mật độ vật chất tại nhiều vùng trong đĩa. Ngoại trừ tại đường đóng băng, phía trong đĩa tiền hành tinh cũng có sự chênh lệch mạnh về mật độ vật chất tại một số khu vực, giống như cách TRAPPIST-1 hình thành. Nghĩa là bản thân Hệ Mặt Trời mang đặc điểm của hai hệ hành tinh: các hành tinh đá ở phía trong và các hành tinh khí khổng lồ ở phía ngoài.
Sao Mộc là nguyên nhân của rất nhiều hiện tượng ở phía trong Hệ Mặt Trời. Có thể nó đã ném một số hành tinh khác vào Mặt Trời hoặc ném một số khác ra khỏi Hệ Mặt Trời. Ceres có lẽ đã là một hành tinh nếu khu vực của nó không bị lực hấp dẫn của Sao Mộc khuấy động. Vùng đó chính là vành đai tiểu hành tinh sau này, còn Ceres thì trở thành một hành tinh lùn.
Tùy vào loại dữ liệu mà Juno gửi về trong phần còn lại của sứ mệnh, chúng ta có lẽ sẽ phải cân nhắc lại về bản chất thực sự của Sao Mộc. Rõ ràng nó không phải một ngôi sao, nhưng cũng rất khác các khối khí khổng lồ khác (cả về khối lượng, vai trò trong Hệ Mặt Trời và khả năng nó không có một lõi rắn). Có lẽ sao Mộc nên được coi là một sao lùn nâu, hoặc một loại khác nằm giữa hành tinh và sao lùn nâu. Có lẽ là “siêu hành tinh” hoặc cái gì đó tương tự.
Do đó, có lẽ việc tìm kiếm một hành tinh giống Trái Đất của con người không nên chỉ giới hạn ở việc xem xét các hệ có hành tinh với bán kính và nhiệt độ tương tự Trái đất, mà còn tìm kiếm các hệ có hành tinh giống sao Mộc nằm ở giữa hệ.
Hoặc có lẽ Hệ Mặt Trời của chúng ta chẳng có gì bất thường cả; việc chúng ta chưa từng nhìn thấy hệ nào giống nó có thể chỉ là do thiên kiến quan sát vì các hành tinh có chu kỳ quỹ đạo dài như Sao Mộc và các hành tinh khí khổng lồ khác khá khó phát hiện và muốn phát hiện được phải cần nhiều điều kiện khác.
Thời gian sẽ trả lời!
Footnotes
[1] Evaporating Planet
[2] Catalog Page for PIA21751
[3] TRAPPIST-1
[4] The Moon’s Mystery: Scientists Debate How it Formed
