Bên trong hệ Mặt trời là một mớ hỗn độn
Theo các mô hình vật lý, bên trong hệ Mặt trời là một mớ hỗn độn. Nghiên cứu mới có thể giải thích sự ổn định tương đối của nó.
Sự hỗn loạn của hệ Mặt trời
Quỹ đạo của các hành tinh bên trong hệ Mặt trời như Sao Thủy, Sao Kim, Trái đất và Sao Hỏa - rất hỗn loạn, và các mô hình đã gợi ý rằng những hành tinh bên trong này lẽ ra phải đâm vào nhau. Tuy nhiên, điều đó đã không xảy ra.
Nghiên cứu mới được công bố vào ngày 3/5 trên tạp chí Physical Review X cuối cùng có thể giải thích lý do tại sao.
Thông qua việc nghiên cứu sâu về các mô hình chuyển động của hành tinh, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, chuyển động của các hành tinh bên trong bị hạn chế bởi một số tham số đóng vai trò như một dây buộc ngăn cản sự hỗn loạn của hệ thống.
Bên cạnh việc cung cấp một lời giải thích toán học cho sự hài hòa rõ ràng trong hệ Mặt trời, những hiểu biết sâu sắc của nghiên cứu mới có thể giúp các nhà khoa học hiểu được quỹ đạo của các ngoại hành tinh xung quanh các ngôi sao khác.
Các hành tinh khó lường
Các hành tinh liên tục tạo ra lực hấp dẫn lẫn nhau và những lực kéo nhỏ này liên tục tạo ra những điều chỉnh nhỏ đối với quỹ đạo của các hành tinh. Các hành tinh bên ngoài, lớn hơn nhiều, có khả năng chống lại các lực kéo nhỏ hơn và do đó duy trì các quỹ đạo tương đối ổn định.
Tuy nhiên, vấn đề về quỹ đạo của các hành tinh bên trong vẫn còn quá phức tạp để giải quyết một cách chính xác. Vào cuối thế kỷ 19, nhà toán học Henri Poincaré đã chứng minh rằng, về mặt toán học không thể giải các phương trình chi phối chuyển động của ba hoặc nhiều vật thể tương tác, thường được gọi là "bài toán ba vật thể".
Kết quả là, sự không chắc chắn trong các chi tiết về vị trí xuất phát và vận tốc của các hành tinh tăng lên theo thời gian. Nói cách khác: Có thể xảy ra hai kịch bản trong đó khoảng cách giữa Sao Thủy, Sao Kim, Sao Hỏa và Trái đất chênh lệch nhau nhỏ nhất và trong một trường hợp các hành tinh va vào nhau, trong trường hợp khác thì chúng lệch nhau.
Năm 1989, Jacques Laskar, nhà thiên văn học và giám đốc nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia và Đài thiên văn Paris, Pháp đồng thời là đồng tác giả của nghiên cứu mới này, đã tính toán thời gian Lyapunov đặc trưng cho hành tinh quỹ đạo của hệ Mặt trời bên trong chỉ là 5 triệu năm.
Nếu độ không chắc chắn ban đầu về vị trí của một hành tinh là 15 m, thì 10 triệu năm sau độ không chắc chắn này sẽ là 150 m; sau 100 triệu năm, 9 chữ số nữa bị mất đi, tạo ra độ bất định là 150 triệu km, tương đương với khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời.
Mặc dù 100 triệu năm có vẻ dài, nhưng bản thân hệ Mặt trời đã hơn 4,5 tỷ năm tuổi và việc thiếu các sự kiện kịch tính — chẳng hạn như một vụ va chạm hành tinh hoặc một hành tinh bị đẩy ra khỏi tất cả chuyển động hỗn loạn này — khiến các nhà khoa học luôn bối rối.
Laskar sau đó xem xét vấn đề theo một cách khác: bằng cách mô phỏng quỹ đạo bên trong hành tinh trong 5 tỷ năm tới, bước từ thời điểm này sang thời điểm tiếp theo. Ông chỉ tìm thấy 1% khả năng xảy ra va chạm giữa các hành tinh. Với cách tiếp cận tương tự, ông tính toán rằng, trung bình sẽ mất khoảng 30 tỷ năm để bất kỳ hành tinh nào va chạm.
Thống trị trong sự hỗn loạn
Khi nghiên cứu toán học, Laskar và các đồng nghiệp của ông lần đầu tiên xác định được "sự đối xứng" hoặc "số lượng bảo toàn" trong các tương tác hấp dẫn tạo ra rào cản thực tế trong sự lang thang hỗn loạn của các hành tinh.
Renu Malhotra, Giáo sư Khoa học Hành tinh tại Đại học Arizona, Mỹ, người không tham gia vào nghiên cứu, đã nhấn mạnh mức độ tinh vi của các cơ chế được xác định trong nghiên cứu. Malhotra cho rằng, điều thú vị là quỹ đạo hành tinh của hệ Mặt trời thể hiện sự hỗn loạn đặc biệt yếu.
Trong một nghiên cứu khác, Laskar và các đồng nghiệp đang tìm kiếm manh mối về việc liệu số lượng hành tinh trong hệ Mặt trời có bao giờ khác với những gì chúng ta thấy hiện nay hay không. Đối với tất cả sự ổn định hiển nhiên ngày nay, liệu điều đó có luôn đúng trong hàng tỷ năm trước khi sự sống tiến hóa hay không vẫn là một câu hỏi bỏ ngỏ.