Nghiên cứu mới cho thấy khả năng Trái đất va chạm vơi sao Hỏa, sao Kim

Trái đất có lẽ đã không thể tồn tại đến ngày nay. Đó là bởi vì quỹ đạo của các hành tinh bên trong hệ Mặt trời (sao Thủy, sao Kim, Trái đất và sao Hỏa) rất hỗn loạn và các mô phỏng đã gợi ý rằng những hành tinh bên trong này (để phân biệt với các hành tinh bên ngoài gồm sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên vương và sao Hải vương) 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 phỏng 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 sợi dây ràng 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 (các hành tinh xung quanh những ngôi sao khác bên ngoài hệ Mặt trời).

Các hành tinh có quỹ đạo gần nhau tạo ra lực hấp dẫn tác động lẫn nhau lên nhau, và những lực hút nhỏ này liên tục tạo ra những điều chỉnh nhỏ đối với quỹ đạo của chúng. Các hành tinh bên ngoài thuộc hệ Mặt trời (sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên vương, sao Hải vương) lớn hơn nhiều, có khả năng chống lại các lực kéo nhỏ hơn và do đó duy trì quỹ đạo của chúng tương đối ổn định.

Tuy nhiên, vấn đề về quỹ đạo của các hành tinh bên trong thuộc hệ Mặt trời vẫn còn quá phức tạp nên khó giải quyết một cách chính xác. Vào cuối thế kỷ 19, nhà toán học Henri Poincaré đã chứng minh rằng về mặt toán học là không thể giải các phương trình chi phối chuyển động của ba hoặc nhiều vật thể có tương tác với nhau, 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 2 kịch bản, trong đó khoảng cách giữa sao Thủy, sao Kim, sao Hỏa và Trái đất chênh lệch nhau một lượng nhỏ nhất: một trường hợp các hành tinh va vào nhau còn trong trường hợp khác thì chúng đi chệch nhau.

Thời gian cần thiết để 2 quỹ đạo có điều kiện xuất phát gần như giống hệt nhau phân kỳ một lượng xác định được gọi là thời gian Lyapunov của hệ hỗn loạn. Năm 1989, Jacques Laskar, nhà thiên văn học và là giám đốc nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu khoa học quốc gia và Đài thiên văn Paris, đã tính toán thời gian Lyapunov đặc trưng cho quỹ đạo hành tinh bên trong của hệ Mặt trời chỉ là 5 triệu năm.

Laskar phân tích: "Về cơ bản, điều đó có nghĩa là bạn mất đi một chữ số cứ sau 10 triệu năm. Ví dụ, nếu độ không chắc chắn ban đầu về vị trí của một hành tinh là 15 mét, thì 10 triệu năm sau độ không chắc chắn này sẽ là 150 mét; sau 100 triệu năm, 9 chữ số nữa bị mất đi, tạo ra độ bất định là 150 triệu cây số, tương đương với khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời. Về cơ bản, bạn không biết hành tinh này ở đâu".

Mặc dù 100 triệu năm có vẻ dài, nhưng trong lịch vũ trụ lại khá ngắn. Bản thân hệ Mặt trời đã hơn 4,5 tỉ năm tuổi và việc thiếu các sự kiện điểm nhấn, chẳng hạn 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 bối rối bấy lâu.

Laskar sau đó xem xét vấn đề theo một cách khác: bằng cách mô phỏng quỹ đạo hành tinh bên trong ở 5 tỉ 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 tỉ năm để bất kỳ hành tinh nào va chạm nhau.

Xu thế ổn định thống trị trong sự hỗn loạn

Sau đó, 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 cái mà theo cách Laskar nói là "rào cản thực tế trong sự lang thang hỗn loạn của các hành tinh".

Các đại lượng nổi lên này gần như không đổi và ngăn chặn một số chuyển động hỗn loạn nhất định, nhưng không ngăn chặn chúng hoàn toàn, giống như phần trồi lên của vành đĩa ăn sẽ ngăn chặn thức ăn rơi ra khỏi đĩa nhưng không ngăn chặn hoàn toàn. Chúng ta có thể cần cảm ơn những đại lượng này vì chúng duy trì sự ổn định rõ ràng của hệ Mặt trời.

Renu Malhotra, Giáo sư khoa học hành tinh tại Đại học Arizona, 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 trong hệ Mặt trời của chúng ta 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 tỉ năm trước khi sự sống tiến hóa hay không vẫn là một câu hỏi bỏ ngỏ.