Độ nghiêng của Thiên vương tinh về cơ bản có hành tinh quay quanh Mặt trời, trục quay của nó gần như hướng vào Mặt trời.
(Ảnh: © NASA và Erich Karkoschka, Hoa Kỳ ở Arizona)
Mặc dù các hành tinh bao quanh các ngôi sao trong thiên hà, cách chúng hình thành vẫn là một chủ đề tranh luận. Bất chấp sự giàu có của các thế giới trong hệ mặt trời của chúng ta, các nhà khoa học vẫn không chắc chắn cách thức các hành tinh được xây dựng. Hiện tại, hai lý thuyết đang đưa ra cho vai trò của nhà vô địch.
Sự bồi đắp cốt lõi đầu tiên và được chấp nhận rộng rãi nhất, hoạt động tốt với sự hình thành của các hành tinh trên mặt đất nhưng có vấn đề với các hành tinh khổng lồ như Sao Thiên Vương. Thứ hai, phương pháp không ổn định đĩa, có thể giải thích cho việc tạo ra các hành tinh khổng lồ.
"Điều tách biệt những người khổng lồ băng với những người khổng lồ khí là lịch sử hình thành của họ: trong quá trình tăng trưởng cốt lõi, trước đây không bao giờ vượt quá [khối lượng quan trọng] trong một đĩa khí đầy đủ", các nhà nghiên cứu Renata Frelikh và Ruth Murray-Clay viết trong một bài nghiên cứu.
Mô hình bồi tụ lõi
Khoảng 4,6 tỷ năm trước, hệ mặt trời là một đám mây bụi và khí được gọi là tinh vân mặt trời. Trọng lực làm sụp đổ vật chất vào chính nó khi nó bắt đầu quay, tạo thành mặt trời ở trung tâm của tinh vân.
Với sự trỗi dậy của mặt trời, các vật liệu còn lại bắt đầu co cụm lại với nhau. Các hạt nhỏ vẽ lại với nhau, bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn, thành các hạt lớn hơn. Gió mặt trời cuốn trôi các nguyên tố nhẹ hơn, như hydro và heli, từ các khu vực gần hơn, chỉ để lại các vật liệu nặng, đá để tạo ra các thế giới trên mặt đất. Nhưng xa hơn, gió mặt trời ít tác động đến các yếu tố nhẹ hơn, cho phép chúng hợp lại thành những người khổng lồ khí như Sao Thiên Vương. Theo cách này, các tiểu hành tinh, sao chổi, hành tinh và mặt trăng đã được tạo ra.
Không giống như hầu hết những người khổng lồ khí, Uranus có một lõi là đá chứ không phải khí. Lõi có khả năng hình thành đầu tiên, và sau đó thu thập hydro, heli và metan tạo nên bầu khí quyển của hành tinh. Nhiệt từ lõi khiến nhiệt độ và thời tiết Uranus', lấn át sức nóng phát ra từ mặt trời xa xôi, đó là gần 2 tỉ dặm.
Một số quan sát ngoại hành tinh dường như xác nhận sự bồi tụ cốt lõi là quá trình hình thành ưu thế. Các ngôi sao có nhiều "kim loại" - thuật ngữ các nhà thiên văn học sử dụng cho các nguyên tố khác ngoài hydro và heli - trong lõi của chúng có nhiều hành tinh khổng lồ hơn so với anh em họ nghèo kim loại. Theo NASA, sự bồi đắp cốt lõi cho thấy rằng những thế giới nhỏ bé, bằng đá nên phổ biến hơn những người khổng lồ khí khổng lồ.
Phát hiện năm 2005 về một hành tinh khổng lồ với lõi khổng lồ quay quanh ngôi sao giống như mặt trời HD 149026 là một ví dụ về một hành tinh ngoại giúp tăng cường trường hợp cho sự bồi đắp lõi.
"Đây là một sự xác nhận về lý thuyết bồi tụ cốt lõi cho sự hình thành hành tinh và bằng chứng cho thấy các hành tinh thuộc loại này nên tồn tại rất nhiều", Greg Henry nói trong một thông cáo báo chí. Henry, một nhà thiên văn học tại Đại học bang Tennessee, Columbia, đã phát hiện ra sự mờ đi của ngôi sao.
Vào năm 2017, Cơ quan Vũ trụ châu Âu có kế hoạch phóng vệ tinh ExOPlanet (CHEOPS) đặc trưng, sẽ nghiên cứu các ngoại hành tinh có kích cỡ từ siêu Trái đất đến Sao Hải Vương. Nghiên cứu những thế giới xa xôi này có thể giúp xác định các hành tinh trong hệ mặt trời hình thành như thế nào.
"Trong kịch bản bồi tụ lõi, lõi của một hành tinh phải đạt đến khối lượng tới hạn trước khi nó có thể tích tụ khí theo kiểu chạy trốn", nhóm CHEOPS nói. "Khối lượng tới hạn này phụ thuộc vào nhiều biến số vật lý, trong đó quan trọng nhất là tốc độ bồi tụ của hành tinh."
Bằng cách nghiên cứu cách các hành tinh đang phát triển tích lũy vật chất, CHEOPS sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thế giới phát triển.
Mô hình không ổn định đĩa
Nhưng sự cần thiết phải hình thành nhanh chóng cho các hành tinh khí khổng lồ là một trong những vấn đề của sự bồi tụ cốt lõi. Theo các mô hình, quá trình này mất vài triệu năm, lâu hơn các loại khí nhẹ có sẵn trong hệ mặt trời sơ khai. Đồng thời, mô hình bồi tụ lõi phải đối mặt với vấn đề di cư, vì các hành tinh bé có khả năng xoắn ốc vào mặt trời trong một khoảng thời gian ngắn.
"Các hành tinh khổng lồ hình thành rất nhanh, trong vài triệu năm nữa", Kevin Walsh, nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Tây Nam ở Boulder, Colorado, nói với Space.com. "Điều đó tạo ra một giới hạn thời gian vì đĩa khí quanh mặt trời chỉ tồn tại 4 đến 5 triệu năm."
Theo một lý thuyết tương đối mới, sự mất ổn định của đĩa, các đám bụi và khí được liên kết với nhau sớm trong vòng đời của hệ mặt trời. Theo thời gian, những khối này dần dần thu gọn vào một hành tinh khổng lồ. Những hành tinh này có thể hình thành nhanh hơn so với các đối thủ bồi tụ cốt lõi của chúng, đôi khi chỉ trong một nghìn năm, cho phép chúng bẫy các loại khí nhẹ biến mất nhanh chóng. Chúng cũng nhanh chóng đạt đến một khối ổn định quỹ đạo giúp chúng không bị chết khi di chuyển vào mặt trời.
Khi các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu các hành tinh bên trong hệ mặt trời, cũng như xung quanh các ngôi sao khác, họ sẽ hiểu rõ hơn về cách mà Thiên vương tinh và anh chị em của nó hình thành.
Sỏi bồi
Thách thức lớn nhất đối với việc bồi đắp cốt lõi là thời gian - xây dựng những người khổng lồ khí khổng lồ đủ nhanh để lấy các thành phần nhẹ hơn trong bầu khí quyển của họ. Nghiên cứu gần đây về cách các vật thể nhỏ hơn, kích thước cuội hợp nhất với nhau để xây dựng các hành tinh khổng lồ nhanh hơn 1000 lần so với các nghiên cứu trước đó.
"Đây là mô hình đầu tiên mà chúng tôi biết về việc bạn bắt đầu với cấu trúc khá đơn giản cho tinh vân mặt trời từ đó hình thành các hành tinh và kết thúc với hệ thống hành tinh khổng lồ mà chúng ta thấy", tác giả chính của nghiên cứu Harold Levison, nhà thiên văn học tại Viện nghiên cứu Tây Nam (SwRI) ở Colorado, nói với Space.com vào năm 2015.
Vào năm 2012, các nhà nghiên cứu Michiel Lambrechts và Anders Johansen từ Đại học Lund ở Thụy Điển đã đề xuất rằng những viên sỏi nhỏ, một khi được viết ra, đã nắm giữ chìa khóa để nhanh chóng xây dựng các hành tinh khổng lồ.
"Họ đã chỉ ra rằng những viên sỏi còn sót lại từ quá trình hình thành này, trước đây được cho là không quan trọng, thực sự có thể là một giải pháp lớn cho vấn đề hình thành hành tinh", Levison nói.
Levison và nhóm của ông đã xây dựng dựa trên nghiên cứu đó để mô hình chính xác hơn cách thức các viên sỏi nhỏ có thể hình thành các hành tinh được nhìn thấy trong thiên hà ngày nay. Trong khi các mô phỏng trước đây, cả các vật thể lớn và trung bình đều tiêu thụ anh em họ có kích cỡ viên sỏi với tốc độ tương đối ổn định, mô phỏng của Levison cho thấy các vật thể lớn hơn hoạt động giống như những kẻ bắt nạt, cướp đi những viên sỏi từ khối lượng trung bình để phát triển nhanh hơn rất nhiều tỷ lệ.
"Các vật thể lớn hơn bây giờ có xu hướng phân tán những vật nhỏ hơn nhiều so với những vật nhỏ hơn phân tán chúng trở lại, vì vậy những vật thể nhỏ hơn cuối cùng bị phân tán ra khỏi đĩa sỏi", đồng tác giả nghiên cứu Kinda Kretke, cũng từ SwRI, nói với Space.com . "Người lớn hơn về cơ bản bắt nạt người nhỏ hơn để họ có thể tự ăn tất cả các viên sỏi, và họ có thể tiếp tục lớn lên để tạo thành lõi của các hành tinh khổng lồ."
Sự bồi đắp đá cuội có nhiều khả năng hoạt động cho các hành tinh khổng lồ hơn các thế giới trên mặt đất. Theo Sean Raymond, thuộc Đại học Bordeaux của Pháp, đó là vì "những viên sỏi" lớn hơn một chút và dễ dàng hơn để vượt qua dòng tuyết, dòng tưởng tượng nơi khí lạnh đủ để trở thành băng.
"Đối với đá cuội, chắc chắn sẽ tốt hơn một chút khi vừa qua khỏi đường tuyết", Raymond nói với Space.com.
Trong khi việc bồi đắp sỏi hoạt động tốt cho những người khổng lồ khí, có một số thách thức đối với những người khổng lồ băng. Đó là bởi vì các hạt có kích thước từ milimet đến centimet tích tụ cực kỳ hiệu quả.
"Chúng tích tụ quá nhanh đến nỗi rất khó để các lõi khổng lồ băng tồn tại với khối lượng lõi gần như hiện tại của chúng trong một phần đáng kể của vòng đời đĩa trong khi tích tụ một lớp vỏ khí", Frelikh và Murray-Clay viết.
"Để tránh chạy trốn, do đó, họ phải hoàn thành sự tăng trưởng của mình tại một thời điểm cụ thể, khi đĩa khí là một phần, nhưng không hoàn toàn, cạn kiệt."
Cặp đôi đề xuất rằng phần lớn khí tích tụ vào lõi của Thiên vương tinh và Hải vương tinh trùng khớp với chuyển động của chúng khỏi mặt trời. Nhưng điều gì có thể khiến họ thay đổi ngôi nhà của họ trong hệ mặt trời?
Một mô hình đẹp
Ban đầu, các nhà khoa học nghĩ rằng các hành tinh được hình thành trong cùng một phần của hệ mặt trời mà chúng sống ngày nay. Việc phát hiện ra các ngoại hành tinh làm rung chuyển mọi thứ, cho thấy ít nhất một số vật thể lớn nhất có thể di chuyển.
Năm 2005, một bộ ba bài báo được công bố trên tạp chí Nature đã đề xuất rằng Thiên vương tinh và các hành tinh khổng lồ khác bị ràng buộc trong quỹ đạo gần tròn nhỏ gọn hơn nhiều so với ngày nay. Một đĩa lớn đá và băng bao quanh chúng, kéo dài tới khoảng 35 lần khoảng cách mặt trời Trái đất, vượt xa quỹ đạo hiện tại của sao Hải Vương. Họ gọi đây là mô hình Nice, sau thành phố ở Pháp nơi họ lần đầu tiên thảo luận về nó. (Đó là phát âm Neese.)
Khi các hành tinh tương tác với các cơ thể nhỏ hơn, chúng phân tán hầu hết chúng về phía mặt trời. Quá trình này khiến họ trao đổi năng lượng với các vật thể, gửi Sao Thổ, Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương xa hơn vào hệ mặt trời. Cuối cùng, các vật thể nhỏ chạm tới Sao Mộc, khiến chúng bay đến rìa của hệ mặt trời hoặc hoàn toàn thoát khỏi nó.
Sự di chuyển giữa Sao Mộc và Sao Thổ đã đẩy Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương vào các quỹ đạo thậm chí còn lập dị hơn, gửi cặp đôi qua đĩa ices còn lại. Một số vật liệu được ném vào bên trong, nơi nó đâm vào các hành tinh trên mặt đất trong Vụ đánh bom hạng nặng muộn. Các vật liệu khác được đưa ra ngoài, tạo ra Vành đai Kuiper.
Khi họ di chuyển chậm ra bên ngoài, các địa điểm giao dịch của Sao Hải Vương và Sao Thiên Vương. Cuối cùng, sự tương tác với các mảnh vỡ còn lại đã khiến cặp đôi định cư thành những con đường tròn hơn khi họ đạt được khoảng cách hiện tại so với mặt trời.
Trên đường đi, có thể một hoặc thậm chí hai hành tinh khổng lồ khác đã bị đuổi ra khỏi hệ thống. Nhà thiên văn học David Nesvorny thuộc Viện nghiên cứu Tây Nam ở Colorado đã mô hình hóa hệ mặt trời ban đầu để tìm kiếm manh mối có thể dẫn đến tìm hiểu lịch sử ban đầu của nó.
"Trong những ngày đầu, hệ mặt trời rất khác biệt, với nhiều hành tinh khác, có lẽ to lớn như sao Hải Vương, hình thành và bị phân tán đến những nơi khác nhau," Nesvorny nói với Space.com.
Một thanh niên nguy hiểm
Hệ mặt trời ban đầu là thời kỳ va chạm dữ dội và Thiên vương tinh không được miễn trừ. Trong khi bề mặt của mặt trăng và sao Thủy đều cho thấy bằng chứng bắn phá bởi những tảng đá và tiểu hành tinh nhỏ hơn, Thiên vương tinh rõ ràng đã phải chịu một vụ va chạm đáng kể với một hành tinh có kích thước Trái đất. Kết quả là, Thiên vương tinh bị nghiêng về phía mình, với một cây sào hướng về phía mặt trời trong nửa năm.
Sao Thiên Vương là lớn nhất trong số những người khổng lồ băng, có lẽ một phần vì nó đã mất một phần khối lượng trong quá trình va chạm.
