Hình dạng tròn có phải là lựa chọn duy nhất cho các hành tinh?

Tại sao tất cả các ngôi sao, xác sao, hành tinh và các vật thể lớn, nặng khác lại có hình cầu hoặc gần cầu?

Rất khó tin, nhưng đã hơn 2000 năm kể từ khi loài người không chỉ phát hiện ra rằng Trái Đất có hình tròn, mà còn đo được kích thước của nó. Không chỉ Mặt Trăng và Mặt Trời cũng có hình tròn, mà tất cả các hành tinh đều như vậy. Thậm chí nhiều vật thể không phải hành tinh trong Hệ Mặt Trời của chúng ta cũng sở hữu hình dáng tròn này. Xung quanh các hành tinh khổng lồ như Sao Mộc, bốn mặt trăng lớn nhất của nó, bốn trong năm mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ, cả năm mặt trăng lớn nhất của Sao Thiên Vương và mặt trăng lớn nhất của Sao Hải Vương đều có hình tròn. Các hành tinh lùn như Ceres, Eris, Pluto, cùng nhiều vật thể thuộc vành đai Kuiper và đám mây Oort cũng vậy. Có những vật thể nhỏ xa xôi với bán kính khoảng 200 km cũng có hình tròn, trong khi Proteus của Sao Hải Vương và Iapetus của Sao Thổ, dù lớn hơn nhiều, lại không như vậy.

Tại sao nhiều vật thể lớn và nặng lại có hình tròn?

Tại sao, khi vượt qua một kích thước nhất định, tất cả các vật thể đều trở nên tròn? Có phải không thể có các hình dạng khác đối với những vật thể lớn nhất?

Điều này thật kỳ lạ nếu bạn nghĩ về nó: mỗi hành tinh chúng ta đo được đều tròn, và điều này dường như cũng đúng với các ngoại hành tinh, ít nhất là theo độ chính xác tốt nhất mà chúng ta đã đo lường được. Điều này gần như khiến ta tự hỏi: chuyện gì sẽ xảy ra nếu một hành tinh có hình khối lập phương hoặc kim tự tháp, và tại sao chúng ta chưa tìm thấy bất kỳ hành tinh nào như vậy? Đây là câu hỏi mà khoa học không chỉ có thể trả lời, mà khi phân tích các quy luật vật lý đang hoạt động, chúng ta hiểu rằng tròn – hoặc ít nhất là trạng thái cân bằng thủy tĩnh – là lựa chọn duy nhất vượt qua một kích thước nhất định.

Mặc dù Trái Đất và Sao Kim là hai vật thể đá lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, Sao Hỏa, Sao Thủy, cũng như hơn 100 mặt trăng lớn nhất, tiểu hành tinh và các vật thể thuộc vành đai Kuiper đều đã đạt trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Ganymede và Titan còn lớn hơn Sao Thủy, nhưng Callisto, dù đạt 99% kích thước Sao Thủy, lại chỉ có một phần ba khối lượng của Sao Thủy. Tất cả các vật thể được biết đến với bán kính lớn hơn 800 km đều đã đạt trạng thái cân bằng thủy tĩnh, nhưng dưới ngưỡng đó, điều này không còn chắc chắn nữa.

Điều đầu tiên cần nhận ra là, dưới các quy luật của các lực cơ bản chi phối Vũ Trụ, bất kỳ lượng vật chất bình thường nào, dù lớn hay nhỏ, đều có thể tụ lại và liên kết với nhau. Các nguyên tử riêng lẻ và thậm chí các hạt hạ nguyên tử, như hạt nhân nguyên tử hoặc electron tự do, tồn tại với số lượng lớn trong các hệ sao, cũng như trong không gian giữa các ngôi sao.

Trong khi các lực hạt nhân và lực điện từ đóng vai trò quan trọng, cả hai đều có thể dễ dàng áp đảo các lực khác ở quy mô nhỏ, khi khối lượng tăng lên đáng kể, thì thực tế lực yếu nhất lại chiến thắng: lực hấp dẫn. Nếu bạn tập hợp đủ vật chất bình thường vào một nơi – bất kể loại, trạng thái, nguồn gốc hay bản chất của vật chất – chúng sẽ co lại cho đến khi trở thành một vật thể liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn.

Khi các vật thể này nhỏ, chúng thường tạo thành các cấu trúc nhỏ bé giống như các viên bụi. Những hạt này không thực sự liên kết với nhau bằng trọng lực, mà bởi các lực tĩnh điện.

Tại sao các vật thể nhỏ không trở nên tròn?

Các lực giữa các nguyên tử và phân tử – được chi phối bởi electron và lực điện từ – mạnh hơn lực hấp dẫn ở quy mô này. Trọng lực luôn có xu hướng hút các hạt vật chất về phía tâm khối của chúng. Tuy nhiên, ở quy mô nhỏ, các lực điện từ giữa các nguyên tử và phân tử sẽ định hình và sắp xếp cấu hình của chúng.

Hai hình ảnh toàn cầu của Iapetus này cho thấy đặc điểm va chạm lớn và dãy núi xích đạo khổng lồ của nó. Kết hợp với các thuộc tính khác, các đặc điểm này chứng minh rằng Iapetus không ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh, khiến nó trở thành thế giới lớn nhất trong Hệ Mặt Trời được biết đến mà không đạt trạng thái này.

Đối với các vật thể chủ yếu được cấu tạo từ băng, tính tròn xuất hiện đầu tiên ở bán kính khoảng 200 km, nhưng trạng thái cân bằng thủy tĩnh không đạt được cho đến khi vật thể đó đạt kích thước gấp đôi – tức khoảng 400 km bán kính. Đối với các vật thể đá, tính tròn sẽ không đạt được trừ khi bán kính của vật thể khoảng 400 km, và thậm chí không đạt trạng thái cân bằng thủy tĩnh trừ khi bán kính lớn hơn: có thể cần đến 750 km.

Những vật thể nằm trong vùng giới hạn này có thể đạt trạng thái cân bằng thủy tĩnh hoặc không, và chúng ta vẫn chưa chắc chắn về trạng thái của nhiều vật thể đã biết. Hygiea – một vật thể đá và băng với bán kính chỉ 215 km – khá tròn và có thể ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Mặt trăng Enceladus của Sao Thổ, với bán kính 252 km, gần đạt trạng thái cân bằng thủy tĩnh, nhưng các tiểu hành tinh Pallas và Vesta, với bán kính lần lượt là 256 và 263 km, lại lệch xa khỏi cả tính tròn cơ bản. Mặt trăng lớn của Sao Diêm Vương, Charon, với bán kính 606 km, có thể chưa đạt trạng thái cân bằng thủy tĩnh hoàn toàn; điều này vẫn là một câu hỏi bỏ ngỏ. Hai mặt trăng lớn nhất của Sao Thiên Vương, Titania và Oberon, có lẽ ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh; ba mặt trăng tiếp theo – Umbriel, Ariel và Miranda – có hình dạng tròn, nhưng chưa đạt trạng thái cân bằng thủy tĩnh.

Chỉ khi một vật thể đạt bán kính khoảng 800 km, trạng thái cân bằng thủy tĩnh mới gần như được đảm bảo. Với các vật thể đã biết, mọi vật thể có kích thước trên ngưỡng này không chỉ tròn mà còn thể hiện các đặc điểm cho thấy trạng thái cân bằng thủy tĩnh.

Sao Thổ, được chụp bởi tàu Cassini trong thời kỳ xuân phân năm 2008, không hoàn toàn tròn (vì nó có dạng hình cầu dẹt), nhưng ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Với mật độ thấp và tốc độ quay nhanh, Sao Thổ là hành tinh bị dẹt nhất trong Hệ Mặt Trời, với đường kính xích đạo lớn hơn đường kính cực hơn 10%. Màu sắc và các dải của nó chủ yếu là do các tầng khí quyển khác nhau chiếm ưu thế trong ánh sáng khả kiến ở các vĩ độ khác nhau.

Các hành tinh lùn Haumea, Eris và Sao Diêm Vương (cùng với Makemake, với bán kính 715 km) đều ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Triton của Sao Hải Vương, Mặt Trăng của Trái Đất, Titan của Sao Thổ và bốn mặt trăng Galileo của Sao Mộc cũng đạt trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Tất cả tám hành tinh đều có hình dạng chủ yếu được xác định bởi lực hấp dẫn và chuyển động quay, cũng như Mặt Trời. Trên thực tế, chúng ta khá tự tin rằng đây là một quy tắc phổ quát: nếu một vật thể có bán kính lớn hơn khoảng 800 km, bất kể thành phần của nó là gì, nó sẽ ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh.

Nhiều vật thể – bao gồm các hành tinh và sao – quay nhanh đến mức chúng không tròn, mà có dạng dẹt gọi là hình cầu dẹt. Trái Đất, do quay trong 24 giờ, không hoàn toàn là một hình cầu hoàn hảo, với bán kính xích đạo (6378 km) lớn hơn bán kính cực (6356 km). Sao Thổ quay còn nhanh hơn, hoàn thành một vòng quay chỉ trong 10,7 giờ, và bán kính xích đạo của nó (60.268 km) lớn hơn bán kính cực gần một bán kính Trái Đất.

Tuy nhiên, điều này không áp dụng cho mọi vật thể. Mặt Trăng và Sao Thủy, ví dụ, quay rất chậm. Mỗi vật thể chỉ lớn hơn ~2 km theo hướng xích đạo so với hướng cực, khiến chúng trở thành các hành tinh đá rất tròn. Nhưng bạn có biết vật thể nào là hình cầu hoàn hảo nhất trong Hệ Mặt Trời không? Đó chính là Mặt Trời. Với bán kính trung bình 696.000 km, bán kính xích đạo của nó chỉ lớn hơn bán kính cực khoảng ~5 km, khiến nó là một hình cầu hoàn hảo với độ chính xác đáng kinh ngạc 99,9993%.

Hình ảnh này của Mặt Trời, chụp vào ngày 20 tháng 4 năm 2015, cho thấy một số đặc điểm phổ biến của tất cả các ngôi sao: các vòng từ tính, lồi plasma, sợi plasma và các vùng có nhiệt độ cao và thấp hơn. Tuy nhiên, Mặt Trời quay chậm là hình cầu hoàn hảo nhất trong Hệ Mặt Trời, với đường kính cực và xích đạo giống nhau tới 99,9993%.

Ba dạng chính của các thiên thể

Mặc dù có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hình dạng cuối cùng của một vật thể, nhưng chỉ có ba dạng chính mà các thiên thể rơi vào:

– Nếu một vật thể quá nhỏ hoặc quá nhẹ so với thành phần của nó, nó sẽ giữ nguyên hình dạng ban đầu khi hình thành. Gần như tất cả các vật thể dưới ~200 km bán kính đều có tính chất này, bất kể thành phần của chúng.

– Nếu một vật thể lớn hơn và nặng hơn, hình dạng ban đầu của nó sẽ được tái cấu trúc thành dạng tròn. Ngưỡng này nằm trong khoảng từ ~200 đến 800 km bán kính, tùy thuộc vào thành phần cụ thể của vật thể. Khi và nếu một sự kiện làm biến dạng lớn xảy ra, như va chạm (trường hợp của Mimas), bồi đắp (có thể quanh xích đạo của Iapetus), hoặc thay đổi quỹ đạo (như trường hợp của Phoebe của Sao Thổ), nó có thể giữ lại ký ức của sự kiện đó.

– Cuối cùng, nếu một vật thể vượt quá ~800 km bán kính, nó sẽ ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh: đủ lớn để lực hấp dẫn và chuyển động quay chủ yếu quyết định hình dạng của nó, với chỉ những khuyết điểm nhỏ (như núi, thung lũng và rãnh) chồng lên hình dạng tổng thể.

Về khối lượng, ngưỡng kích thước tối đa này tương ứng với chỉ một phần nghìn khối lượng của Trái Đất. Nếu lực hấp dẫn có thể gom lại khối lượng lớn như vậy, vật thể hình thành từ đó sẽ luôn ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Tính tròn, tự nó, không đủ để khiến một vật thể trở thành hành tinh hoặc để yêu cầu nó ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh, nhưng tất cả các hành tinh trong Hệ Mặt Trời của chúng ta đều có đủ khối lượng để đạt được những cột mốc đó. Với các khối lượng đủ lớn, lực hấp dẫn không thể cưỡng lại đảm bảo hình dạng cầu, giống như cách giọt nước lỏng hình thành hình cầu trong không gian. Theo các quy luật tự nhiên mà chúng ta biết, chúng đơn giản không thể có hình dạng nào khác.