Tại sao các hành tinh trong vũ trụ chỉ có hình cầu và vòng nhẫn bao quanh?

Lộ diện 3 hành tinh mới giống Trái Đất

Một "hệ Mặt Trời đôi" cách Trái Đất 73,5 năm ánh sáng có thể sở hữu tới 3 mục tiêu cho các sứ mệnh tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh.

Lý do hành tinh có hình cầu

Khi nhìn vào Hệ Mặt trời, chúng ta có thể nhìn thấy vô số các vật thể đủ mọi hình dạng và kích cỡ, từ hạt bụi nhỏ xíu cho tới Mặt trời và những hành tinh to lớn. Nhưng có một điểm chung là các vật thể lớn như hành tinh, ngôi sao, Mặt trăng hay Mặt trời đều có dạng hình cầu trong khi các vật thể nhỏ hơn như sao chổi hay tiểu hành tinh dường như không tuân theo quy luật nào.

Lực hấp dẫn

Chìa khóa giải mã cho câu hỏi tại sao các vật thể không gian lớn có hình cầu là lực hấp dẫn. Vật nào càng lớn thì khối lượng càng lớn và tạo ra một lực hấp dẫn lớn tương đương. Lực hấp dẫn của một vật luôn hướng về trọng tâm ở phần lõi của nó. Khi mới hình thành, các hành tinh chưa có hình dạng xác định, chính lực hấp dẫn đã kéo các vật chất hướng về phía trung tâm của nó, dẫn đến sau hàng triệu, hàng tỉ năm, cuối cùng các hành tinh cũng có hình dạng cố định là hình cầu.

Tuy nhiên, một vật thể phải thực sự to lớn mới có thể tạo ra một lực hấp dẫn đủ mạnh, đủ khả năng vượt qua được sức mạnh của vật chất tạo ra nó.

Trạng thái cân bằng thủy tĩnh

Khi một hành tinh tạo ra trọng lực đủ lớn để thắng được sức mạnh của vật chất tạo ra nó, nó sẽ có xu hướng kéo tất cả vật chất thành hình cầu. Những nơi quá cao trên hành tinh sẽ bị kéo xuống, đè nén các lớp vật chất bên dưới, còn những khu vực quá thấp cũng không thể bị đẩy ra bên ngoài.

Khi đạt đến dạng hình cầu đó, ta nói hành tinh đang ở trạng thái "cân bằng thủy tĩnh''. Nhưng không phải mọi hành tinh đều đạt đến trạng thái cân bằng thủy tĩnh, điều này còn phụ thuộc vào việc nó được cấu tạo bằng gì.

Một vật thể chỉ có thành phần là nước lỏng sẽ thực sự dễ dàng để chế ngự vì về cơ bản các phân tử nước chuyển động rất dễ dàng nên không có sức mạnh chống lại lực hấp dẫn.

Trong khi đó, một vật thể cấu tạo bằng sắt nguyên chất sẽ cần phải có khối lượng lớn rất hơn nhiều để trọng lực của nó thắng được sức mạnh của sắt. Trong Hệ Mặt trời, ngưỡng đường kính cần thiết để một vật thể băng giá trở thành hình cầu là ít nhất 400km. Riêng đối với những vật thể được làm chủ yếu từ các vật chất rắn, ngưỡng này thậm chí còn phải lớn hơn.

Mặt trăng Mimas của Sao Thổ, trông giống như ngôi sao Tử thần, có hình cầu và đường kính 396km. Đây hiện là vật thể không gian nhỏ nhất minh chứng cho tiêu chí nêu trên.

Chuyển động liên tục

Mọi thứ trở nên phức tạp hơn khi bạn nhận ra thực tế rằng tất cả các vật thể đều có xu hướng quay tròn hoặc nhào lộn trong không gian. Nếu một vật thể đang quay, các vị trí ở xích đạo của nó (điểm nằm cách đều hai cực) sẽ cảm nhận được lực hấp dẫn giảm nhẹ so với các vị trí ở gần cực.

Kết quả của việc này là dạng hình cầu hoàn hảo trong trạng thái cân bằng thủy tĩnh trên thực tế sẽ được chuyển sang cái được gọi là "hình cầu dẹt" - khi các vật thể ở xích đạo trông có vẻ phồng lên so với các cực của nó. Điều này đúng với Trái đất của chúng ta, có đường kính xích đạo là 12.756km và đường kính từ cực đến cực là 12.712km.

Một vật thể không gian quay càng nhanh thì hiệu ứng này càng mạnh. Sao Thổ là hành tinh chứa khí là chủ yếu nên lỏng hơn cả nước dù cũng có một lõi đặc bên trong. Hành tinh này quay trên trục của nó hết một khoảng thời gian 10 giờ 30 phút, ngắn hơn so với chu kỳ 24 giờ của Trái đất. Kết quả là sao Thổ có hình cầu dẹt hơn nhiều so với Trái đất.

Một số ngôi sao thậm chí còn mất cân xứng hơn. Ngôi sao sáng Altair, có thể quan sát thấy trên bầu trời phía bắc Australia trong những tháng mùa đông, là một minh chứng. Nó tự quay quanh trục trong vòng 9 tiếng. Nhanh đến mức đường kính xích đạo của nó lớn hơn 25% so với khoảng cách giữa các cực.

Lý do hành tinh có các vòng nhẫn bao quanh

Ngoài lý do hình tròn thì chính các hành tinh này còn có các vòng nhẫn bao quanh. Ví dụ, một số hành tinh trong hệ Mặt trời có các vòng quay xung quanh như Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Trong số này, Sao Thổ được chú ý nhiều nhất vì có nhiều vòng nhẫn bao quanh nhất. Chúng tạo ra hình ảnh tuyệt đẹp nhưng riêng Trái đất lại không có. Theo Scientific American, không sao, vì chúng ta đã có Mặt trăng. Lực hấp dẫn của nó không chỉ là lý do khiến Trái đất có thủy triều, thậm chí là cả lý do có sự sống trên Trái đất.

Vậy làm thế nào mà các vòng nhẫn của các hành tinh lại giống nhau? Tờ Universe Today giải thích, trong quá khứ xa xôi, một số tiểu hành tinh có thể đã va chạm vào các thiên thể khác. Các mảnh vỡ không kết tụ lại mà phân tán và bị khóa trong quỹ đạo của một hành tinh khác. Hoặc, lực hấp dẫn của một hành tinh chỉ gom được một tiểu hành tinh đi ngang qua.

Theo Space, mọi vòng nhẫn quay quanh hành tinh đều được tạo ra theo cách nói trên, bất kể có hệ Mặt trời hay không. Có một điều cần lưu ý: 100% khả năng một tiểu hành tinh "va chạm" với một hành tinh như Sao Mộc, mặc dù Sao Mộc được tạo ra từ khí. Điều này xảy ra gần đây là ngày 13/9/2021, theo một nhà thiên văn nghiệp dư ở Brazil đã ghi lại được sự việc.

Theo NASA, không chỉ có một vòng nhẫn phẳng, rộng trên mỗi hành tinh mà con số cũng bất biến. Ví dụ, Sao Hải Vương có tới 5 vòng tròn đầy đủ và 4 "vòng bán nguyệt". Còn theo nghiên cứu mới đây của Đại học Colorado (Mỹ) giới thiên văn học thậm chí còn biết được độ rộng của các vòng nhẫn bao quanh và khoảng cách cách xa hành tinh là bao nhiêu. Ví dụ, vòng nhẫn Leverrier có chiều rộng 15km và cách tâm Sao Hải Vương tới 53.200km. Về vật liệu, những chiếc còn nhẫn được "chế từ" hàng tỷ bit đá và băng, từ kích thước to như một ngôi nhà đến nhỏ như chiếc kính hiển vi...

Theo CNN, không giống hình dạng vĩnh cửu mang tính biểu tượng của một chiếc nhẫn, những chiếc vòng này không tồn tại mãi mãi. Ví dụ, Sao Thổ đang mất dần các vòng nhẫn bao quanh do trọng lực kéo nên người ta dựa đoán, trong vòng 100 triệu năm nữa, những chiếc nhẫn này sẽ biến mất.