Khám phá vũ trụ bao la – Phần 5 – 10 vạn câu hỏi vì sao?

Khám phá vũ trụ bao la – Phần 5 – 10 vạn câu hỏi vì sao?

Tại sao sao Kim quay ngược chiều?

Sao Kim, còn được gọi là sao Hôm, hay sao Mai là hành tinh duy nhất trong hệ Mặt trời quay từ Đông sang Tây, trong khi tất cả các hành tinh khác đều quay theo hướng ngược lại. Nguyên nhân của hiện tượng này là do bầu khí quyển dày đặc của Kim tinh.

Các nhà khoa học cho rằng có lẽ lúc ban đầu hành tinh này có trục quay rất nghiêng. Có ít nhất hai cách giải thích sự thay đổi chiều quay này. Đầu tiên, như đa số các nhà khoa học thường nghĩ, hành tinh này đã đảo ngược trục quay 180 độ. Sự vận động hỗn độn của tầng khí quyển dày dặc bên ngoài của nó khiến cho cấu trúc rắn bên trong bị lôi cuốn theo, quay ngược chiều trong khi trục quay không đổi.

Là hành tinh sáng nhất trong hệ môi trường, sao Kim được coi là “anh em song sinh” của Mặt trời. Kích thước của nó bằng 93% đường kính Trái đất, khối lượng bằng 88%, có mật độ và thành phần hoá học gần tương tự nhau và độ tuổi tương đối trẻ (có rất ít miệng núi lửa trên hai hành tinh này).

Tuy nhiên, sao Kim khác hẳn hành tinh xanh của chúng ta, đặc biệt do áp suất của nó cao gấp 90 lần áp suất của Trái đất. Các lớp mây dày đặc chứa acid sulfuric tại hành tinh này khiến cho các nhà thiên văn không thể quan sát được bộ mặt thật của sao Kim. Do có tầng mây khổng lồ bao phủ, nhiệt độ bề mặt hành tinh này cao đến 470 độ C sinh ra từ hiệu ứng nhà kính.

Vì sao Hoả tinh có màu gỉ sắt?

Thần chiến tranh quả khiến người ta nhớ đến thứ vũ khí han gỉ bởi cái màu đỏ nồng của nó, khác xa với Trái đất. Các nhà khoa học cho biết đó là vì Hoả tinh có lượng sắt oxit ở lớp ngoài nhiều gấp đôi so với hành tinh của chúng ta, mặc dù cả hai hành tinh đều hình thành từ cùng loại vật liệu.

Câu trả lời cho hiện tượng này là: nhiệt độ cực nóng trong lòng Trái đất thủa ban đầu đủ để chuyển hầu hết sắt oxit thành sắt nóng chảy. Chất này dồn vào tâm của Trái đất, tạo nên một khối nhân lỏng khổng lồ ngày nay.

Ngược lại, sao Hoả chưa bao giờ tích luỹ đủ nhiệt cần thiết cho quá trình “luyện” sắt, đơn giản vì nó nhỏ hơn. Điều đó khiến cho sắt oxit tập trung ở bề mặt của hành tinh, tạo ra màu đỏ rất đặc trưng. Chỉ một phần sắt rất nhỏ chuyển vào tâm tạo thanh khối nhân của sao Hoả như ở Trái đất.

Để có kết luận này, các nghiên cứu đã sử dụng sức ép của nước để nén một mẫu gồm sắt, niken và oxy tới áp suất hơn gấp 175.000 lần áp suất của khí quyển, đồng thời nung mẫu ở nhiệt độ 2.400 độ C. Những thử nghiệm này đã giúp họ tìm hiểu phản ứng của oxy và sắt trong điều kiện tương tự như trong biển magma nguyên thuỷ của các hành tinh trong hệ Mặt trời.

Trên Trái đất, biển đá nóng chảy này sâu khoảng 1.800 km. Dưới độ sâu như vậy, áp suất mạnh hơn rất nhiều so với ở trên sao Hoả (Do sức ép của một lượng vật chất lớn hơn). Nó khiến cho nhiệt độ của biển magma lên đến hơn 3.200 độ C. Ở thời điểm này, oxit sắt chuyển thành sắt kim loại và oxi hoà tan. Sắt lỏng sẽ thấm xuống dưới, tạo nên khối nhân lỏng và chỉ để lại phần nhỏ khoảng 8% oxit sắt trong lớp manti bên ngoài. Quá trình này có thể đã hoàn thành trong vòng 30 triệu năm đầu tiên.

Tuy nhiên, Trái đất có đường kính gần gấp đôi đường kính của sao Hoả, và nặng gấp 10 lần. Điều đó có nghĩa là biển magma trên Hoả tinh nông hơn nhiều, và nhiệt độ không quá 2.200 độ C. Trong điều kiện này, sắt oxit được bảo tồn nguyên vẹn. Tình trạng đó sẽ tạo ra một lớp manti ngoài chứa khoảng 18% sắt oxit, khớp với những quan sát địa chất trên hành tinh đó.

Tốc độ chuyển động của 9 hành tinh lớn trong hệ Mặt trời là bằng bao nhiêu?

Tuỳ thuộc vào lực hấp dẫn và khoảng cách của chín hành tinh trong hệ Mặt trời với Mặt trời mà các hành tinh có chu kỳ và dạng quỹ đạo elip khi chuyển động quanh Mặt trời khác nhau, chúng tuân theo các định luật Kepler. Giả thuyết rằng 9 hành tinh lấy Mặt trời làm trung tâm và chuyển động trên một quỹ đạo tưởng tượng nào đó, thế thì cho dù Thuỷ tinh cho đến Diêm Vương tinh ở ngoài rìa đều phải có chu kỳ chuyển động giống nhau. Và như vậy thì các hành tinh ở vòng ngoài phải chuyển động rất nhanh. Thế trong hệ Mặt trời, các thiên thể càng ở gần phía ngoài rìa thì chuyển động càng chậm. Quỹ đạo của các hành tinh từ hình tròn cho đến hình elip, và ở những điểm khác nhau thì có vận tốc khác nhau (với sao chổi Halley thì sự thay đổi vận tốc là rất rõ rệt). Các quỹ đạo tuy có hình elip nhưng gần với dạng tròn nên sự thay đổi vận tốc ở các điểm khác nhau là không rõ ràng lắm. Tính vận tốc theo km / giây thì chúng ta có thể thấy: Thuỷ tinh 47,88; Kim tinh 35,02; Trái đất 29,79; Hoả tinh 24,12; Mộc tinh 13,06; Thổ tinh 9,46; Thiên Vương tinh 6,81; Hải Vương tinh 5,44; Diêm Vương tinh 4,75.

Có thể có hành tinh khác va đập với Trái đất không?

Ở đây không nói đến việc các hành tinh sao Kim hoặc sao Hoả có thể va chạm với Trái đất không? Bởi vì các quỹ đạo của các hành tinh có dạng elip, ở gần Mặt trời, quỹ đạo của chúng có lúc dù ít dù nhiều có thay đổi nhưng rất nhanh chóng ổn định, nên không phải lo về việc chúng va chạm ở Trái đất.

Thế nhưng cũng không loại trừ trường hợp có các hành tinh nhỏ hoặc rất nhỏ trong thời gian dài hàng triệu năm lại có khả năng va chạm với Trái đất. Đại đa số các hành tinh nhỏ đều chuyển động trên quỹ đạo ở giữa sao Mộc và sao Hoả, nhưng trong số đó cũng có các tiểu hành tinh lìa khỏi quỹ đạo vốn có của mình đi vào quỹ đạo bên trong Trái đất. Đó là trường hợp các tiểu hành tinh Apolo, Adonit, Eros đã giống như một viên đạn lướt qua Trái đất. Vào năm 1936, Adonit cách Trái đất 1,5 triệu km. Có người cho rằng “như thế đã là quá xa! 1,5 triệu km đã gấp ba lần khoảng cách từ Trái đất đến Mặt trăng”. Thế nhưng thực sự có thể xảy ra sự va chạm với Trái đất. Thực vậy, giả sử vào một ngày nào đó quỹ đạo của tiểu hành tinh thay đổi do sự tha đổi của lực hấp dẫn, bấy giờ ai có thể dám chắc là sẽ không có sự va cham với Trái đất.

Vì số lượng các tiểu hành tinh rất nhiều, nên khả năng xảy ra va chạm cũng lớn. Vào khoảng 65 triệu năm về trước đã xảy ra một cuộc va chạm của Trái đất với một tiểu hành tinh có đường kính 8 km đã đưa đến sự tuyệt diệt của giống khủng long.

Các hành tinh quay quanh Mặt trời như thế nào?

Nhà thiên văn học người Ba Lan Copecnic trong tác phẩm nổi tiếng bất hủ của mình là “Luận vận hành thiên thể” đã giải quyết một cách chính xác vấn đề tranh luận trong thời gian dài: Trái đất và các hành tinh đều lần lượt quay quanh Mặt trời, chứ không phải là các hành tinh và Mặt trời quay quanh Trái đất.

Rốt cục các hành tinh quay quanh Mặt trời như thế nào? Với trình độ khoa học kỹ thuật lúc đó, Copecnic vẫn chưa giải đáp chính xác câu hỏi này.

Qua hơn nửa thế kỷ sau, trên cơ sở các tài liệu quan sát chính xác của nhà thiên văn học người Đan Mạch Digu, nhà thiên văn học người Đức Kapule đã dùng ba định luật để miêu tả chính xác sự vận động của các hành tinh, chúng được gọi là “Định luật Kaipule” hoặc “3 định luật vận động của các hành tinh”.

Quỹ đạo chuyển động của các hành tinh xung quanh Mặt trời đều có hình elip, tỷ lệ thiên lệch của các hình elip này lại rất khác nhau, Mặt trời nằm trên một trong hai tiêu điểm của hình elip. Đây là định luật thứ nhất trong các định luật của Kapule, tức là định luật quỹ đạo.

Định luật thứ hai nói như sau: Trong thời gian như nhau, diện tích đường nối liền giữa trung tâm hành tinh và trung tâm Mặt trời quét qua là bằng nhau. Đây được gọi là định luật diện tích. Dựa vào định luật diện tích, các hành tinh ở quỹ đạo gần điểm Mặt trời vận động nhanh hơn so với các quỹ đạo xa điểm Mặt trời.

Định luật quỹ đạo và định luật diện tích được Kapule phát biểu cùng vào năm 1609 trong cuốn sách “Thiên văn học mới”. 10 năm sau (tức là vào năm 1619), trong tác phẩm “Luận hài hoà vũ trũ” mới của mình, Kapule đã phát biểu định luật thứ ba mà ông đã quan sát và phát hiện trong một khoảng thời gian dài như sau: Bình phương chu kỳ chuyển động quanh hành tinh khác của các hành tinh (T) và lập phương cự ly trung bình của nó tới Mặt trời (R) tỷ lệ thuận với nhau.

Định luật thứ ba còn được gọi là định luật điều hoà. Nếu gọi T1 và T2 lần lượt là chu kỳ chuyển động quanh hành tinh khác của hai hành tinh; R1 và R2 lần lượt là khoảng cách trung bình của chúng với Mặt trời thì bằng phương trình hoá học ta có:

Kapule vô cùng hài lòng với định luật thứ ba mà mình đã tìm ra, ông từng nói với tâm trạng vô cùng phấn khởi như sau: Đây chính là thứ mà 16 năm trước tôi đã hy vọng có thể tìm thấy.

Ba quy luật vận động của các hành tinh có ý nghĩa rất quan trọng, không chỉ các hành tinh đều tuân thủ theo quy tắc mà cả các vệ tinh của các hành tinh cũng không là ngoại lệ. Định luật thứ ba được tuyên bố một cách trang nghiêm: Chu kỳ chuyển động quanh các hành tinh khác của các thiên thể trong hệ Mặt trời và khoảng cách tới Mặt trời không phải là tuỳ ý, cũng không phải là ngẫu nhiên mà là một chỉnh thể có trật tự nghiêm ngặt.

Hằng tinh phát sáng còn hành tinh lại không?

“Hằng tinh” là các sao tự phát sáng và phát nhiệt, ngược lại “hành tinh” không hề có khả năng này. Hệ Mặt trời do đó bao gồm một hằng tinh là Mặt trời và 9 hành tinh khác là sao Thuỷ, Trái đất, sao Kim, sao Hoả, sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương, sao Hải Vương và sao Diêm Vương.

Các hằng tinh trong vũ trụ có nhiệt độ bề mặt từ mấy nghìn tới mấy vạn độ, vì vậy chúng phát ra các loại bức xạ (kể cả ánh sáng nhìn thấy). Mặt trời là hằng tinh gần chúng ta nhất. Mỗi giây trên bề mặt Mặt trời phát ra năng lượng tương đương với một máy phát điện có công suất 382 x 10 mũ 23 W

Nguyên nhân khiến hằng tinh phát sáng

Đây là điều bí ẩn đối với ngành thiên văn học suốt nhiều thế kỷ qua. Mãi cho đến đầu thế kỷ 20, nhà vật lý Einstein dựa vào thuyết tương đối đã đưa ra một công thức có liên quan giữa khối lượng và năng lượng của vật thể, nhờ đó mà các nhà nghiên cứu mới có đáp án cho câu hỏi hóc búa này.

Hoá ra trong lòng các hằng tinh, nhiệt độ cao tới hơn 10 triệu độ C khiến các vật chất trong đó tương tác với nhau, xảy ra phản ứng nhiệt hạch. Hạt nhân nguyên tử hydro biến thành hạt nhân nguyên tử heli và sản sinh ra một nguồn năng lượng khổng lồ. Năng lượng này truyền từ tâm hằng tinh ra ngoài bề mặt và vào không gian bằng cách bức xạ. Các bức xạ này nằm trong phổ từ ánh sáng hồng ngoại, đến ánh sáng nhìn thấy và sóng cực ngắn. Cứ như vậy hằng tinh duy trì phát sáng không ngừng.

Nhiệt độ bề mặt các hành tinh lại thấp hơn nhiều so với bề mặt các hằng tinh, vì thế các hành tinh không tự phát sáng được. Khối lượng của các hành tinh cũng nhỏ hơn nhiều so với các hằng tinh (sao Mộc có thể tích to nhất trong hệ Mặt trời cũng chưa bằng 1/1.000 thể tích Mặt trời). Cho dù các hành tinh tự sản sinh ra năng lượng do sức hút và co giãn, nhưng năng lượng đó không thể nung nóng hành tinh tới mức xảy ra phản ứng nhiệt hạch.

Tại sao giữa quỹ đạo của sao Hoả và sao Mộc lại tập trung nhiều tiểu hành tinh đến vậy?

Vấn đề này đặt ra trước mắt các nhà thiên văn học một hai trăm năm nay rồi, nhưng cho đến nay vẫn chưa cho định luật thừa nhận chung.

Quan điểm được nhắc đến là “Thuyết vụ nổ lớn”, thuyết vụ nổ lớn cho rằng: Trong dải tiểu hành tinh vốn có một hành tinh lớn không giống với Trái đất và sao Hoả, sau đó do một nguyên nhân mà giờ vẫn còn chưa rõ, hành tinh lớn này bị nổ, những mảnh vỡ nổ ra tạo thành cách tiểu hành tinh ngày nay. Nhưng rốt cuộc thì nguồn năng lượng do vụ nổ gây ra lớn đến mức có thể làm cho cả hành tinh lớn đó nổ tan tàn đến từ đâu? Những mảnh vỡ bị nổ và bay ra làm sao có thể vừa vặn tập trung trong dải tiểu hành tinh ngày nay?

Có người đã đưa ra một quan điểm cho rằng, lẽ ra khoảng không gian này có tồn tại vài tiểu hành tinh có đường kính đều dưới mấy trăm nghìn mét. Trong quá trình chúng vận động quanh Mặt trời trong một thời gian dài, các tiểu hành tinh này khó tránh khỏi phải tiếp cận nhau, xảy ra va chạm, thậm chí là và va chạm nhiều lần, và thế là đã hình thành nên nhiều tiểu hành tinh có kích cỡ lớn nhỏ và hình dáng khác nhau ngày nay. Thuyết va đập cũng có chỗ không trọn vẹn. Nếu có mấy chục thiên thạch lớn như vậy vận hành giữa quỹ đạo của sao Hoả và sao Mộc thì cũng giống như có mấy con cá bơi trong Thái Bình Dương vậy, làm sao có nhiều cơ hội va đập như vậy chứ?

Trong mấy năm gần đây, thuyết tương đối thịnh hành được gọi là “Thuyết bán thành phẩm”, đại ý rằng: Trong thời kỳ đầu, khi những chòm sao nguyên thuỷ bắt đầu hình thành, các thiên thể trong hệ Mặt trời do sự biến động của sao Mộc và do một số nhân tố chưa biết khác, đã khiến cho bên trong phần không gian này vốn không thể hình thành những hành tinh lớn, chỉ có thể trở thành “bán thành phẩm ngày nay – các tiểu hành tinh”.

Vấn đề các tiểu hành tinh mặc dù tạm thời còn chưa được giải quyết, nhưng thiên văn học đã nhận thức được rằng, việc nghiên cứu các tiểu hành tinh đối với việc làm rõ vấn đề nguồn gốc của hệ Mặt trời thật quan trọng biết bao!

Tại sao trong hệ Mặt trời lại có nhiều tiểu hành tinh như vậy?

Trong hệ Mặt trời có những gì? Một nhà thiên văn học đã từng trả lời một cách khéo léo rằng: “Một bó nhỏ những hành tinh lớn và một bó lớn những tiểu hành tinh”. Câu nói này quả thực đã nắm được hạt nhân của vấn đề. Những hành tinh lớn trong hệ Mặt trời đã được phát hiện chỉ có 9 chiếc, nhưng tới năm 1801 khi phát hiện ra tiểu hành tinh thứ nhất đến cuối thập niên 90 của thế kỷ 20, những tiểu hành tinh đã được ghi vào sổ và đánh mã đã vượt quá con số 8.000, vẫn còn nhiều tiểu hành tinh nữa vẫn còn đang chờ chứng thực.

“Những tiểu huynh đệ” của các hành tinh lớn này rốt cục có tất cả là bao nhiêu? Theo thống kê, tổng số đang ở vào khoảng 500.000. Đa số trong số đó đều vận hành giữa quỹ đạo của sao Hoả và sao Mộc, tập trung cách Mặt trời 2,06 ~ 3,65 đơn vị thiên văn. Khu vực của hệ Mặt trời này được gọi là “dải tiểu hành tinh”.

>> Xem thêm : Khám phá vũ trụ bao la – Phần 4 – 10 vạn câu hỏi vì sao?