Giải mã bí ẩn về sự ra đời của hành tinh gần Mặt trời nhất

2 giờ trướcBài gốc

Những bí ẩn trong hệ mặt trời vẫn còn rất nhiều. Dù đôi khi có cảm giác như con người đã biết được rất nhiều điều, chỉ cần chọn ngẫu nhiên một thiên thể bất kỳ trong hệ mặt trời là có thể nhanh chóng tìm thấy hàng loạt câu hỏi chưa có lời giải. Điều này đặc biệt đúng với sao Thủy - hành tinh nhỏ bé và bí ẩn.

Điều bí ẩn về lõi sao Thủy

Điều gây bí ẩn lớn nhất ở sao Thủy nằm ở lõi của nó. Vào những năm 1960 và 1970, các quan sát bằng sóng vô tuyến từ Trái đất đã cho thấy hành tinh này có một lõi khổng lồ.

Đến năm 1975, sứ mệnh Mariner 10 - con tàu vũ trụ đầu tiên tiếp cận sao Thủy - đã cung cấp các phép đo chính xác hơn. Tiếp đó, sứ mệnh Messenger (2010 - 2015) mang đến bằng chứng thuyết phục nhất cho thấy lõi của sao Thủy thực sự khổng lồ.

Vì một lý do nào đó, hành tinh nhỏ bé này lại sở hữu phần lõi chiếm tới khoảng 70% khối lượng toàn bộ hành tinh. Tỷ lệ này cao hơn nhiều so với Trái đất (30%) hay sao Hỏa (25%). Hiện tượng kỳ lạ này được gọi là “Vấn đề sao Thủy” (Mercury Problem).

Giả thuyết chủ đạo để giải thích hiện tượng trên cho rằng sao Thủy từng là nạn nhân của một vụ va chạm với một thiên thể khác. Vụ va chạm dữ dội đã tước đi phần lớn lớp vỏ và lớp áo của hành tinh, để lại một hành tinh với lớp vỏ – áo mỏng bên ngoài và lõi khổng lồ bên trong.

Sao Thủy gần Mặt trời nhất, bằng 1/3 khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất

Tuy nhiên, các mô phỏng lại cho thấy những vụ va chạm giữa các thiên thể có khối lượng chênh lệch quá lớn là cực kỳ hiếm.

Nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Nature Astronomy cho rằng mặc dù một vụ va chạm thực sự là nguyên nhân hình thành cấu trúc bất thường của sao Thủy, nhưng thiên thể va chạm không hề có khối lượng lớn hơn sao Thủy.

Nghiên cứu này mang tiêu đề Formation of Mercury by a grazing giant collision involving similar-mass bodies (Sự hình thành sao Thủy do va chạm sượt giữa các thiên thể có khối lượng tương đồng). Tác giả chính là Patrick Franco, chuyên gia đến từ Viện Vật lý Trái Đất Paris, Đại học Paris Cité, CNRS, Pháp.

Franco và các cộng sự viết: “Hiểu biết về nguồn gốc của sao Thủy vẫn còn rất kém so với các hành tinh đá khác trong hệ mặt trời. Để giải thích cấu trúc bên trong của nó, người ta thường cho rằng đây là sản phẩm của một vụ va chạm khổng lồ. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu đều giả định đó là va chạm giữa hai thiên thể có khối lượng rất khác nhau, trong khi theo các mô phỏng N-body, khả năng xảy ra lại cực kỳ thấp”.

Một trong những lý do là để xảy ra va chạm như vậy, thiên thể va chạm phải có quỹ đạo rất lệch tâm, vốn là điều hiếm hoi.

Kịch bản “va chạm khổng lồ” truyền thống cho rằng sao Thủy là phần còn lại sau khi một phôi hành tinh có khối lượng gấp 2,25 lần sao Thủy hiện tại va chạm với một thiên thể nhỏ hơn nó 6 lần, làm mất đi phần lớn lớp áo, để lại cấu trúc giống như hiện nay. Nhưng nếu kiểu va chạm chênh lệch khối lượng như vậy là hiếm, vậy điều gì đã thực sự xảy ra?

Là sản phẩm của cú va chạm giữa 2 thiên thể 'ngang cơ'

Các mô phỏng số chi tiết cho thấy, trong hệ mặt trời sơ khai, va chạm giữa các thiên thể có khối lượng tương đương lại phổ biến hơn nhiều. Các nhà nghiên cứu cho rằng, trái ngược với kịch bản “va chạm khổng lồ”, chỉ cần một vụ va chạm sượt giữa hai thiên thể có khối lượng tương tự đã có thể giải thích cấu trúc bất thường của sao Thủy.

Franco giải thích: “Thông qua mô phỏng, chúng tôi cho thấy sự hình thành sao Thủy không đòi hỏi những vụ va chạm đặc biệt. Một vụ va chạm sượt giữa hai phôi hành tinh có khối lượng gần tương đương hoàn toàn có thể giải thích được thành phần của nó. Đây là kịch bản hợp lý hơn nhiều xét về mặt thống kê và động lực học”.

“Công trình của chúng tôi dựa trên kết quả của các mô phỏng trước đây, rằng va chạm giữa các thiên thể có khối lượng quá chênh lệch là cực kỳ hiếm. Trong khi đó, va chạm giữa các thiên thể có khối lượng tương đương phổ biến hơn, và mục tiêu của nghiên cứu là kiểm chứng liệu các vụ va chạm đó có thể tạo nên một hành tinh với đặc điểm giống sao Thủy hay không”.

Vị trí của sao Thủy (Mercury) trong hệ mặt trời

Hệ mặt trời thời kỳ sơ khai hỗn loạn và phức tạp hơn nhiều so với ngày nay. Các phôi hành tinh đá lôi kéo (bằng lực hấp dẫn), va chạm nhau trong khu vực phía trong và chưa rõ thiên thể nào sẽ trở thành hành tinh hoàn chỉnh. Trong bối cảnh đó, những vụ va chạm giữa các thiên thể có khối lượng gần tương đương xảy ra thường xuyên.

Franco giải thích: “Chúng là những vật thể đang tiến hóa, nằm trong một ‘vườn ươm’ của các phôi hành tinh, chịu tác động hấp dẫn lẫn nhau, làm nhiễu loạn quỹ đạo, thậm chí va chạm, cho đến khi hình thành các cấu hình quỹ đạo ổn định như ngày nay”.

Mô phỏng ủng hộ giả thuyết

Để kiểm chứng giả thuyết, nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô phỏng thủy động lực học hạt mịn (SPH) - một phương pháp phổ biến để mô phỏng hành vi của chất khí, chất lỏng và chất rắn khi chuyển động, đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu các vụ va chạm hành tinh.

Franco cho biết: “Thông qua mô phỏng SPH chi tiết, chúng tôi nhận thấy có thể tái tạo khối lượng tổng thể cũng như tỷ lệ kim loại – silicat bất thường của sao Thủy với độ chính xác rất cao. Sai số của mô hình chỉ dưới 5%”.

Tỷ lệ kim loại - silicat bất thường này ám chỉ lõi của sao Thủy chủ yếu là kim loại, còn lớp áo và vỏ chủ yếu là silicat. Franco giải thích: “Chúng tôi giả định rằng ban đầu sao Thủy có thành phần tương tự như các hành tinh đá khác. Vụ va chạm đã tước đi tới 60% lớp áo ban đầu, điều này giải thích vì sao thành phần kim loại chiếm ưu thế”.

Nhưng nếu sao Thủy là kết quả của một vụ va chạm tước khối lượng, vậy vật chất bị đánh bật ra ngoài đã đi đâu?

Trong các kịch bản va chạm giữa những thiên thể có khối lượng chênh lệch, phần vật chất bị văng ra thường sẽ quay trở lại hành tinh. Nếu vậy, sao Thủy không thể có cấu trúc như hiện nay. Franco lý giải: “Trong các kịch bản đó, vật chất bị đánh bật sẽ được hành tinh tái hấp thụ. Nếu đúng như vậy, sao Thủy đã không có sự mất cân đối rõ rệt giữa lõi và lớp áo như ta quan sát.

Nhưng trong mô hình mà chúng tôi đề xuất, tùy thuộc điều kiện ban đầu, một phần vật chất có thể bị văng ra và không bao giờ quay lại, nhờ đó duy trì sự mất cân đối giữa lõi và lớp áo”.

Điều này hoàn toàn có thể xảy ra trong giai đoạn đầu của hệ mặt trời, khi các cơ chế khác nhau có thể ngăn cản sự tái hấp thụ khối lượng.

Nhóm nghiên cứu viết: “Kịch bản mà chúng tôi đưa ra xảy ra trong vài chục triệu năm đầu của quá trình hình thành hành tinh, khi nhiều cơ chế khác nhau có thể ngăn cản việc tái hấp thụ mảnh vỡ”.

Những mảnh vỡ đó có thể bị phân tán bởi lực hấp dẫn của vô số tiểu hành tinh và phôi hành tinh khác. Một khả năng khác là sao Kim - hàng xóm của sao Thủy - đã trở nên nặng hơn một chút nhờ hấp thụ số vật chất bị đánh bật đó.

Franco cho biết: “Nếu vụ va chạm xảy ra ở các quỹ đạo gần nhau, một khả năng là phần vật chất kia đã được một hành tinh khác đang hình thành hấp thụ, có lẽ là sao Kim. Đây là giả thuyết cần được nghiên cứu sâu hơn”.

Để mở rộng hiểu biết, các nhà khoa học cho rằng cần tiến hành nghiên cứu địa hóa học không chỉ trên sao Thủy, mà còn trên các thiên thạch và, hy vọng trong tương lai, cả mẫu vật trực tiếp từ sao Thủy. Hiện nay, đã có một số ý tưởng về sứ mệnh mang mẫu vật từ sao Thủy về Trái đất, nhưng vẫn chỉ dừng ở mức khái niệm.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/giai-ma-bi-an-ve-su-ra-doi-cua-hanh-tinh-gan-mat-troi-nhat-238035.html