Điều gì sẽ xảy ra nếu xuất hiện một siêu Trái đất gần sao Hỏa?

Chúng ta luôn ao ước sẽ tìm thấy một hành tinh có môi trường giống như Trái đất với diện tích lớn hơn, nhiều tài nguyên hơn và phải ở khoảng cách đủ gần để di chuyển. Cho đến nay, con người đang lùng sục trong khắp thiên hà các hành tinh có điều kiện giống Trái đất nhưng hầu như không tìm thấy. Và nếu có phát hiện được một số hành tinh có các điều kiện tương tự thì lại ở khoảng cách vài năm ánh sáng nên trong tương lai gần sẽ không thể di chuyển tới đó được.

Khả dĩ hơn trong hệ Mặt trời cũng có một số mặt trăng được coi là ứng cử viên tiềm năng cho con người đặt chân xây mái nhà thứ 2 như mặt trăng Europa của sao Mộc hay Titan của sao Thổ dù những nơi này cũng khá xa, rất lạnh và diện tích bề mặt lại khá nhỏ.

Sẽ thật lý tưởng nếu như có một hành tinh giống như Trái đất, diện tích lớn hơn mà ở khoảng cách tương đương đến sao Hỏa. Tuy nhiên, nếu có một siêu Trái đất xuất hiện từ khoảng cách 2 AU đến 4 AU (mỗi AU là khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trời, tương đương 150 triệu cây số) ở hệ Mặt trời thì mọi thứ chưa chắc đã tốt.

Càng tìm hiểu nhiều về các hệ hành tinh quay quanh các ngôi sao khác trong thiên hà, chúng ta càng nhận ra hệ Mặt trời của chúng ta khác thường đến mức nào.

Hầu hết các hệ thống ngoại hành tinh có kiến trúc rất khác với kiến trúc của chúng ta. Ví dụ, hệ thống Kepler-11 cực kỳ nhỏ gọn, với 6 hành tinh nằm trong quỹ đạo tương đương quỹ đạo của sao Kim.

Các hệ thống sao khác chứa những hành tinh có quỹ đạo cực kỳ dẹt hình elip, chẳng hạn như HD 20782 b, cho thấy các tác động đáng kể trong quá khứ do tương tác hấp dẫn giữa các hành tinh.

Và một trong những loại ngoại hành tinh phổ biến nhất xuất hiện trong các cuộc tìm kiếm thiên văn của chúng ta hoàn toàn không có trong hệ Mặt trời: siêu Trái đất.

Các hành tinh siêu Trái đất có khối lượng lớn hơn Trái đất vài lần nhưng về cơ bản nhỏ hơn những hành tinh băng khổng lồ như sao Thiên vương hay sao Hải vương.

Nhà thiên văn Stephen Kane (Khoa Khoa học trái đất và hành tinh, Đại học California, Riverside) đã thực hiện mô phỏng nghiên cứu xem hệ Mặt trời có thể khác biệt như thế nào nếu nó được hình thành với một siêu Trái đất.

Kane đã tạo ra một loạt các mô phỏng máy tính của hệ Mặt trời ở cấu trúc hiện tại và thả vào mỗi mô phỏng một siêu Trái đất khác nhau giữa quỹ đạo của sao Hỏa và sao Mộc để xem điều gì sẽ xảy ra.

Các siêu Trái đất giả định có khối lượng khác nhau từ một đến 10 lần so với khối lượng Trái đất và có khoảng cách quỹ đạo ban đầu trong khoảng từ 2 AU đến 4 AU.

Nhờ máy tính cấu hình mạnh, Kane đã mô phỏng hàng nghìn hệ Mặt trời đã được điều chỉnh và để mỗi hệ chạy mô phỏng trên máy tính trong thời gian tương đương 10 triệu năm.

Kane phát hiện ra rằng các hành tinh đá bên trong (gồm sao Hỏa, sao Kim, Trái đất và sao Thủy) đặc biệt dễ bị phá vỡ bởi lực hấp dẫn từ siêu Trái đất.

Ví dụ: với một siêu Trái đất có khối lượng bằng 7 lần Trái đất được đưa vào ở 2 AU, quỹ đạo của các hành tinh đá nhanh chóng trở nên không ổn định. Chẳng hạn, sao Hỏa  sẽ chịu tác động lớn nhất với sự cộng hưởng 2:3 với siêu Trái đất. Điều này có nghĩa là cứ 2 quỹ đạo (xoay quanh Mặt trời) của siêu Trái đất thì sao Hỏa hoàn thành được 3 quỹ đạo và do đó nhận được một nguồn lực hấp dẫn đều đặn.

Theo thời gian, quỹ đạo của sao Hỏa ngày càng trở nên dẹt theo hình elip hơn khi hành tinh này liên tục nhận được lực hấp dẫn từ siêu Trái đất bồi tụ và nhanh chóng bị đẩy ra hoàn toàn khỏi hệ Mặt trời.

Quỹ đạo ngày càng không ổn định của sao Hỏa sẽ ảnh hưởng đến cả sao Kim và Trái đất hiện tại, từ đó dẫn đến sao Thủy bị lệch khỏi quỹ đạo. Và khi sao Kim bị đẩy ra khỏi Mặt trời còn Trái đất bị đẩy vào trong, cả hai sẽ có cuộc va chạm thảm khốc với nhau.

Còn nếu siêu Trái đất có khối lượng bằng 7 lần Trái đất được đặt ở khoảng cách 3,8 AU, nó sẽ trải qua sự cộng hưởng quỹ đạo với sao Mộc và thậm chí là sao Thổ, đẩy cả hai hành tinh khí khổng lồ này vào quỹ đạo dẹt hình elip hơn một chút.

Trong trường hợp này, chính siêu Trái đất bị hất khỏi hệ Mặt trời nhưng trước khi bị đăng xuất, nó kịp phá vỡ sự ổn định của hệ hành tinh bên trong và kích hoạt một quỹ đạo hỗn loạn với sao Hải vương dẫn đến việc sao Thiên vương bị đẩy ra ngoài.

Sau các mô phỏng, Kane nhận thấy rằng hệ Mặt trời phần lớn duy trì được ổn định nếu một siêu Trái đất tồn tại trong một phạm vi quỹ đạo hẹp khoảng 3 AU.

Nhưng đối với hầu hết các trường hợp mà Kane nghiên cứu, một siêu Trái đất quay quanh sao Hỏa và sao Mộc rơi vào cộng hưởng với một hoặc nhiều hành tinh khác và hoạt động như một tác nhân phá hủy sự ổn định của hệ Mặt trời.

Do vậy, chúng ta phải cảm thấy may mắn khi không xuất hiện một hành tinh nào giữa sao Hỏa và sao Mộc ở hệ Mặt trời. Cho đến giờ, các nhà khoa học vẫn luôn đặt câu hỏi tại sao lại có khoảng trống lớn giữa 2 hành tinh này. Thực tế giữa hai hành tinh có quỹ đạo cách nhau 3,5 AU có một vành đai chính được cho là sót lại của một hành tinh nhỏ đã bị phá hủy. Bằng không, nếu tồn tại một hành tinh kiểu siêu Trái đất ở khoảng trống đó thì thế giới của chúng ta đã không tồn tại đến nay.