Nỗ lực trả lời những câu hỏi này đã dẫn đến nhiều ý tưởng và lý thuyết khác nhau về sự hình thành hệ hành tinh của chúng ta.
Sự ra đời của hệ mặt trời theo lý thuyết cổ điển
Đầu tiên là lý thuyết tinh vân, được thành lập bởi Immanuel Kant * và được hoàn thiện bởi Laplace * vào cuối thế kỷ 18. Lý thuyết này cho rằng hệ mặt trời sơ khai chỉ là một nhóm tinh vân (nebulas) bao gồm khí và bụi. Cụm tinh vân này quay chậm trên trục của chính nó. Mọi vật thể đều có lực hấp dẫn hướng tâm – tức là lực hấp dẫn hướng trực tiếp vào tâm của vật thể. Lực này làm cho tinh vân quay ngày càng nhanh, mật độ vật chất tăng lên khi thể tích của nó giảm đi, tinh vân ngưng tụ thành một vật thể hình cầu – cụ thể là Mặt trời. Quả cầu Mặt trời tiếp tục quay nhanh. Phần vật chất nhận được một lực ly tâm đủ lớn để thắng lực hấp dẫn của tâm tách khỏi Mặt trời nguyên thủy thành một vòng. Trong mỗi vòng này, lực hấp dẫn đóng vai trò tập hợp vật chất lại thành các khối cầu lớn, đó là các hành tinh. Điều tương tự cũng áp dụng cho sự hình thành các vệ tinh từ sự quay của các hành tinh. Sự phân tách vòng vật chất thành các vật nhỏ hơn bị dừng lại khi lực ly tâm sinh ra do chuyển động quay của vật không đủ lớn để thắng lực tự trọng của vật. Lý thuyết này không giải thích được sự phân bố động lượng của các hành tinh trong quỹ đạo của chúng
Trong nỗ lực giải thích yếu tố này, vào đầu thế kỷ 20, hai lý thuyết đã được đưa ra với cùng một ý tưởng chung rằng sự tương tác của các ngôi sao chuyển động gần Mặt trời gây ra sự xuất hiện của các hành tinh.
Lý thuyết va chạm do Chamberlin * và Moulton * đề xuất vào những năm đầu tiên của thế kỷ 20 cho rằng một ngôi sao đi qua có thể đã va chạm với Mặt trời. Vụ va chạm này đã gây ra một làn sóng thủy triều lớn (như xảy ra trên Trái đất) trên bề mặt Mặt trời. Những rung động này làm cho các lớp vật chất tách khỏi Mặt trời và chuyển động theo quỹ đạo hình elip. Khí và bụi tụ lại theo từng quỹ đạo tạo nên vật thể rắn, quỹ đạo dần ổn định thì vật thể rắn này trở thành hành tinh.
Năm 1918, James Jeans * và Harold Jeffreys * đề xuất lý thuyết thủy triều, là một biến thể khác của lý thuyết va chạm được đề cập ở trên. Giả thuyết này cho rằng trên bề mặt Mặt trời có những đợt thủy triều lớn do các ngôi sao đi qua gần đó gây ra. Lực hấp dẫn của ngôi sao đã kéo khí và bụi từ Mặt trời sơ khai thành các dòng có khối lượng và kích thước khác nhau theo quỹ đạo hình elip. Dòng vật chất này sau khi ngưng tụ đã hình thành nên hành tinh ngày nay. Lý thuyết này cũng không giải thích được sự phân bố xung lượng của các hành tinh.
Sự ra đời của hệ mặt trời theo lý thuyết hiện đại
Lý thuyết hiện đại quay trở lại giả thuyết tinh vân Laplace để giải thích sự phân bố động lượng từ Mặt trời đến các hành tinh. Tinh vân này xuất hiện dưới dạng một lõi rắn được bao quanh bởi một lớp khí và bụi. gầy. Lý thuyết này tương tự như lý thuyết được đề xuất bởi Gerard Kuiper *, trong đó tinh vân thể hiện một chuyển động quay không ổn định. Dưới tác dụng của lực ly tâm cùng với chuyển động hỗn loạn của sóng thủy triều trên bề mặt đã tách ra đám mây bụi tiền hành tinh chuyển động quanh tâm chung, nhóm bụi tiền hành tinh này co lại thành một hành tinh. Rõ ràng giả thuyết Kuiper này không giải thích được sự khác biệt lý hóa cụ thể của các hành tinh.
Lý thuyết hiện đại được đưa ra bởi một nhà khoa học khác, HC Urey *. Giả thuyết này đặt ra rằng các hành tinh hình thành ở nhiệt độ thấp khoảng 1200 đến 2200 độ C (không phải ở nhiệt độ cao với Mặt trời như các giả thuyết trên). Urey cho rằng nhiệt độ này là vừa phải. Nó đủ lớn để hỗ trợ các khí như hydro hoặc heli, nhưng đủ nhỏ để không làm tan chảy các kim loại như sắt và silicon. Dưới tác động của lực hấp dẫn, các đám mây bụi trên quỹ đạo tập hợp lại với nhau, trở thành tiền hành tinh. Lúc này, nhiệt độ bắt đầu tăng cao, các kim loại nặng có xu hướng chìm sâu vào khối tâm vật chất và trở thành lõi lỏng của hành tinh, các lớp bên ngoài gồm các nguyên tố nhẹ hơn nguội đi tạo thành lớp vỏ. Với những hành tinh xa xôi, các khí bên ngoài như mêtan, amoniac… bị đẩy xuống nhiệt độ rất thấp, đóng băng, ngăn cản sự tiếp cận của các nguyên tố nặng. Hành tinh trở thành một vật thể lớn với mật độ tương đối thấp (như Sao Mộc, Sao Thiên Vương,…)
Năm 1995, con người lần đầu tiên nghiên cứu một hệ hành tinh bên ngoài chúng ta, hệ 51 Pegasi *. Các nghiên cứu về các hệ hành tinh như vậy đã cho thấy nhiều điểm chung với những nghiên cứu được đề xuất bởi lý thuyết hiện đại. Tuy nhiên, nhân loại cũng cần dừng lại và suy nghĩ thấu đáo hơn về những điều cơ bản được học. Trong hệ hành tinh đó, có những hành tinh nhỏ hơn Sao Diêm Vương, có những hành tinh lớn gấp nhiều lần Sao Mộc, cũng có những hành tinh có quỹ đạo gần ngôi sao mẹ hơn sao Thủy, thậm chí có những hành tinh có quỹ đạo tròn hơn, phần lớn là quỹ đạo của hành tinh chúng ta. Điều đó nói lên rằng, có sự khác biệt trong sự phân bố động lượng của các hệ này, có nghĩa là bản thân sự ra đời của nó có thể không hoàn toàn giống như hệ mặt trời của chúng ta. Tất cả những điều này làm cho lý thuyết hiện đại nói trên chắc chắn phải được sửa đổi và cuộc tranh cãi có thể còn lâu mới kết thúc.
Tham khảo
* Imanuel Kant (1724 – 1804): Nhà triết học người Đức, tác giả đầu tiên của thuyết tinh vân, thuyết đặt nền móng cho thuyết hiện đại về sự ra đời của hệ mặt trời.
* Pierre Simon de Laplace (1749 – 1827): Nhà thiên văn học người Pháp, người đã nghiên cứu về hệ mặt trời và vận tốc quỹ đạo của các hành tinh.
* Chamberlin và Moulton: hai nhà thiên văn học người Mỹ làm việc tại Đại học Chicago. Năm 1905, họ cùng nhau đưa ra giả thuyết va chạm dẫn đến sự hình thành của các hành tinh.
* James Jeans (1877 – 1946): Nhà toán học và vật lý thiên văn người Mỹ từng làm việc tại Princeton, Cambridge và Oxford, và cùng với Jeffreys đề xuất lý thuyết thủy triều vào năm 1918
* Harold Jeffreys (1891 – 1989): Nhà thiên văn học người Anh, với nhiều nghiên cứu về cấu trúc hành tinh và lõi Trái đất
* Gerard Kuiper (1905 – 1973): Nhà thiên văn học người Mỹ, người đã phát hiện ra mặt trăng Nereid, Nereid, mặt trăng Miranda của Sao Thiên Vương và khám phá bầu khí quyển trên mặt trăng Titan của sao Thổ.
* Harold Clayton Urey (1893 – 1981): Nhà vật lý hóa học người Mỹ, nghiên cứu các thiên thạch trong hệ Mặt Trời và trực tiếp tham gia 2 dự án vũ trụ lớn là Apollo và Viking
* 51 Pegasi: Một hệ hành tinh trong chòm sao Pegasus, hệ hành tinh đầu tiên tương tự như hệ mặt trời được phát hiện và quan sát vào năm 1995.