Một nghiên cứu mới đang làm nóng lại tranh luận về số lượng hành tinh từng tồn tại trong Hệ Mặt Trời sơ khai và cách cấu trúc hiện nay được hình thành. Dù trên Trái Đất có xảy ra điều gì, các hành tinh vẫn tiếp tục quay quanh Mặt Trời theo những quỹ đạo có thể dự đoán được, tạo nên những mô hình quen thuộc trên bầu trời và gần như nằm trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo. Tuy nhiên, mọi thứ có thể không phải lúc nào cũng trật tự như vậy.
Mô hình Nice và các hành tinh băng khổng lồ bổ sung
Theo một trong những mô hình phổ biến nhất về Hệ Mặt Trời sơ khai, được gọi là mô hình Nice, khu vực không gian mà chúng ta đang sống có thể từng sở hữu thêm hai hành tinh nữa. Khi đó, Hệ Mặt Trời có thể có tới bốn hành tinh băng khổng lồ, thay vì chỉ còn hai hành tinh tồn tại đến ngày nay là Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương. Tuy nhiên, một nghiên cứu trên tạp chí Icarus vừa phát hiện một vấn đề có thể rất nghiêm trọng.
Thông qua mô phỏng giai đoạn hỗn loạn khi các hành tinh giả định này bị đẩy ra khỏi Hệ Mặt Trời, các nhà thiên văn học nhận thấy các vệ tinh của Sao Thiên Vương phải trải qua một lịch sử va chạm và xáo trộn dữ dội hơn rất nhiều so với những gì hình dạng hiện nay của chúng cho thấy. Phát hiện này cho thấy câu chuyện về cách Hệ Mặt Trời tiến hóa thành cấu trúc ổn định như hiện nay vẫn còn rất nhiều điều chưa được giải đáp.
Ba hàm ý từ kết quả nghiên cứu
"Những kết quả này có thể dẫn đến ba hàm ý khác nhau", nhóm nghiên cứu do nhà vật lý thiên văn Matthew Clement tại Đại học Johns Hopkins dẫn đầu viết trong công bố khoa học. Theo nhóm nghiên cứu, khả năng thứ nhất là các vệ tinh của Sao Thiên Vương đã bị mất ổn định đến mức va chạm với nhau nhiều lần trong giai đoạn hỗn loạn đó. Khả năng thứ hai là phiên bản hiện nay của mô hình Nice cần được điều chỉnh. Khả năng thứ ba là Hệ Mặt Trời đã trải qua một quá trình tiến hóa rất hiếm gặp, trong đó Sao Thiên Vương hầu như không có những cuộc tiếp cận hấp dẫn ở khoảng cách gần với các hành tinh khổng lồ khác.
Hệ Mặt Trời sơ khai hỗn loạn hơn nhiều so với hiện nay
Các nhà khoa học cho rằng Hệ Mặt Trời non trẻ là một nơi hỗn loạn hơn rất nhiều so với cấu trúc ổn định ngày nay. Khi các hành tinh khổng lồ di chuyển trong đĩa vật chất còn sót lại sau quá trình hình thành Hệ Mặt Trời, lực hấp dẫn giữa chúng có thể đã làm mất ổn định toàn bộ vùng ngoài của hệ hành tinh này. Để giải thích những biến động hấp dẫn dữ dội đó, các nhà khoa học đã xây dựng mô hình Nice vào năm 2005.
Theo các phiên bản hiện đại của mô hình này, Hệ Mặt Trời có thể từng khởi đầu với một hoặc thậm chí hai hành tinh băng khổng lồ bổ sung. Khi đó, tổng cộng có sáu hành tinh khổng lồ cùng tồn tại và dần dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu của chúng. Quá trình di cư này tạo ra hàng loạt bất ổn hấp dẫn trong Hệ Mặt Trời. Cuối cùng, bốn hành tinh khổng lồ còn tồn tại ngày nay ổn định ở các quỹ đạo hiện tại, trong khi một hoặc hai hành tinh còn lại bị văng ra khỏi Hệ Mặt Trời và trôi dạt vào không gian liên sao.
Mô hình Nice giải thích khá thành công nhiều đặc điểm của Hệ Mặt Trời, bao gồm giai đoạn được gọi là Late Heavy Bombardment (tạm dịch: giai đoạn bắn phá muộn dữ dội), cấu trúc tổng thể của Hệ Mặt Trời hiện nay cũng như quần thể các tiểu hành tinh Trojan đi cùng Sao Mộc. Tuy nhiên, Clement và các cộng sự muốn tìm hiểu một câu hỏi khác: mô hình này ảnh hưởng như thế nào đến những cấu trúc nhỏ hơn trong Hệ Mặt Trời?
Các vệ tinh tự nhiên của Sao Thiên Vương đặt ra bài toán mới
Nhóm nghiên cứu đã xây dựng một loạt mô phỏng để kiểm tra điều gì xảy ra với hệ thống vệ tinh của Sao Mộc và Sao Thiên Vương trong hai kịch bản khác nhau của mô hình Nice: một kịch bản có thêm một hành tinh băng khổng lồ và một kịch bản có thêm hai hành tinh. Các mô phỏng được thực hiện dựa trên gần như toàn bộ những điều kiện ban đầu từng được đề xuất cho vùng ngoài Hệ Mặt Trời, tạo ra nhiều khả năng tiến hóa hơn so với các nghiên cứu trước đây.
Kết quả cho thấy phần lớn các mô phỏng đều làm mất ổn định hệ thống vệ tinh của Sao Thiên Vương. Nhiều vệ tinh va chạm với nhau, bị đẩy khỏi quỹ đạo hoặc trải qua những thay đổi lớn về quỹ đạo. Trong khi đó, các vệ tinh của Sao Mộc chịu ảnh hưởng nhẹ hơn đáng kể. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng việc giữ nguyên vẹn đồng thời cả hệ thống vệ tinh của Sao Mộc và Sao Thiên Vương là điều cực kỳ khó xảy ra. Thực tế, họ chỉ tìm thấy duy nhất một kịch bản mà tất cả các vệ tinh của cả hai hành tinh đều sống sót qua cùng một giai đoạn bất ổn.
Nếu mô hình Nice là chính xác, các nhà khoa học cho rằng chỉ còn hai khả năng đáng chú ý. Một là Hệ Mặt Trời đã đi theo một con đường tiến hóa cực kỳ hiếm gặp, giúp hệ thống vệ tinh của Sao Mộc và Sao Thiên Vương gần như không bị ảnh hưởng. Hai là hệ thống mặt trăng hiện nay của Sao Thiên Vương được hình thành sau các vụ va chạm và những biến động hấp dẫn dữ dội. Kịch bản thứ hai đồng nghĩa với việc Sao Thiên Vương có thể đã trải qua ít nhất hai biến cố lớn trong lịch sử. Biến cố đầu tiên là sự kiện khiến hành tinh này bị nghiêng gần như nằm ngang so với mặt phẳng quỹ đạo. Biến cố thứ hai là giai đoạn bất ổn theo mô hình Nice, vốn có thể đã làm xáo trộn toàn bộ hệ thống vệ tinh của nó.
Tất nhiên vẫn còn một khả năng khác: mô hình Nice chưa hoàn chỉnh. Điều này không phải là điều quá bất ngờ, bởi các nhà khoa học đang cố gắng tái dựng những sự kiện xảy ra cách đây khoảng 4 tỷ năm. "Rất có thể không có kịch bản bất ổn nào được mô phỏng trong các nghiên cứu trước đây có chính xác chuỗi tương tác cần thiết để tái tạo hoàn hảo mọi đặc điểm của Hệ Mặt Trời", nhóm nghiên cứu viết. Theo nhóm nghiên cứu, dù về lý thuyết cả bốn hệ thống vệ tinh nguyên thủy của các hành tinh khổng lồ ở vùng ngoài Hệ Mặt Trời có thể không bị ảnh hưởng bởi các cuộc tiếp cận hấp dẫn giữa các hành tinh, kết quả mô phỏng cho thấy kịch bản này khó xảy ra trên thực tế.
