Tại sao các hành tinh luôn có hình tròn?

Điều gì sẽ xảy ra nếu một hành tinh có hình dạng như một khối lập phương hoặc một kim tự tháp, và tại sao lại không có hành tinh nào như vậy? Không chỉ tất cả các hành tinh trong Hệ Mặt trời của chúng ta, mà nhiều mặt trăng, các vật thể nhỏ hơn, và Mặt trời, đều có hình tròn.

Một số vật thể nhỏ hơn có bán kính khoảng 200 km là hình tròn, trong khi vệ tinh Proteus của Sao Hải Vương và Iapetus của Sao Thổ, có bán kính lớn hơn đáng kể, thì lại không phải hành tròn. Hơn nữa, các ngôi sao cũng luôn luôn tròn, nhiều mặt trăng, thậm chí một số tiểu hành tinh và các vật thể ở vành đai Kuiper cũng có hình tròn.

Các vật thể có bán kính đến dưới 10.000 km dường như đều là hình cầu, được kéo về trạng thái cân bằng thủy tĩnh thông qua lực hấp dẫn và chuyển động quay của chúng, kết hợp với nhau. Tuy nhiên, hành tinh có bán kính dưới ~ 800 km, ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh, thì không chắc chắn là hình tròn. (Ảnh: NASA)

Tại sao vậy?

Điều đầu tiên cần nhận biết là vật chất bình thường có thể kết tụ với nhau với số lượng bất kỳ. Các nguyên tử riêng lẻ hoặc thậm chí các hạt hạ nguyên tử, như hạt nhân nguyên tử hoặc các điện tử tự do, tồn tại rất nhiều trong các hệ sao cũng như trong không gian giữa các vì sao. Các nguyên tử cũng liên kết với nhau để tạo thành phân tử, có thể tồn tại tự do hoặc như các bộ phận của hệ thống khác, và bản thân các phân tử có thể kết tụ với nhau với số lượng lớn và nhỏ.

Mặc dù có các lực hạt nhân và điện từ, cả hai lực này đều có thể dễ dàng áp đảo bất kỳ lực nào khác, nhưng khi tập hợp các khối lượng lớn lại với nhau, đó thực sự là lực yếu nhất trong tất cả các lực: lực hấp dẫn. Nếu có đủ vật chất bình thường cùng nhau ở một nơi - bất kể nó thuộc loại, giai đoạn, nguồn gốc hoặc bản chất của vật chất như thế nào thì nó sẽ co lại cho đến khi nó là một vật thể duy nhất.

Khi những vật thể này nhỏ, chúng có xu hướng hình thành các cấu trúc nhỏ, cực nhỏ, giống như quả bóng bụi. Những hạt giống như hạt này không thực sự được giữ lại với nhau thông qua trọng lực, mà là thông qua lực tĩnh điện. Chỉ cần đưa chúng đến gần Mặt trời, nơi chúng tiếp xúc với những thứ như bức xạ mặt trời và gió mặt trời, là đủ để tiêu diệt chúng. Nếu muốn một thứ gì đó chắc chắn hơn thì phải tìm đến những vật có khối lượng lớn hơn, tạo điều kiện cho vật thể có thể bị tác động bởi lực hấp dẫn nhiều hơn.

Hình ảnh sơ đồ về tiểu hành tinh kỳ lạ hình hạt đậu phộng Itokawa. Itokawa là một ví dụ về một tiểu hành tinh, nhưng việc xác định mật độ của nó cho thấy rằng nó có thể là kết quả của sự hợp nhất giữa hai thiên thể có thành phần khác nhau. Nó không thể tự kéo thành hình tròn. (Ảnh : ESO, JAXA)

Lấy ví dụ về tiểu hành tinh trong hình trên: Itokawa. Itokawa đủ lớn để trở thành cấu trúc liên kết hấp dẫn của chính nó, nặng khoảng ~ 30 triệu tấn. Nó chỉ có bề ngang vài trăm mét, nhưng điều đó đủ để minh họa, ít nhất là ở quy mô này, lực hấp dẫn có thể và không thể làm gì. Khi đã tích lũy nhiều hơn một “hạt” vật chất nhưng không quá vài triệu tấn, đây là kết quả:

• Một hình thái như "đống gạch vụn". Thay vì là một vật thể rắn, chúng trông giống như một tập hợp của nhiều loại hạt và đá khác nhau, tất cả được kết dính với nhau thông qua lực hấp dẫn.
• Một đối tượng không đồng nhất. Nếu có nhiều loại khối lượng vật chất khác nhau, sẽ có sự khác biệt về các lớp của đối tượng, trong đó các vật liệu dày đặc nhất chìm vào trung tâm, tạo thành lõi, trong khi các vật liệu ít đặc hơn như lớp phủ hoặc lớp vỏ “nổi” lên trên chúng. Itokawa, và các vật thể khác có khối lượng và kích thước tương đương, không thể làm được điều đó.
• Về thành phần vật chất, cho thấy có sự hợp nhất của các thành phần khác nhau. Điều này xảy ra thường xuyên, và Itokawa là một ví dụ ngoạn mục về điều đó: hai phần của "hạt đậu phộng" tạo nên Itokawa có mật độ khác nhau đáng kể, cho thấy rằng đây từng là hai vật thể riêng biệt hợp nhất với nhau nhờ lực hấp dẫn.

Như vậy, những vật thể này có thể giữ chúng liên kết với nhau theo trọng lực, nhưng nó không phải là hình tròn.

Tại sao những vật thể nhỏ này không trở thành hình tròn? Đó là bởi vì lực giữa các nguyên tử và phân tử - được chi phối bởi các electron và lực điện từ - mạnh hơn lực hấp dẫn ở quy mô này. Lực hấp dẫn luôn có sức hút và kéo mọi hạt vật chất về phía khối tâm của bất kỳ vật thể nào mà chúng là một phần của nó. Nhưng cũng có những lực giữa các nguyên tử và phân tử quyết định hình dạng và cấu hình của chúng.

Khi một lực hấp dẫn tác động lên một vật thể lớn hoặc tập hợp các vật thể, nó tạo ra một áp lực: một lực tác động lên một khu vực. Nếu áp suất đủ lớn, nó sẽ đè lên bất kỳ điều kiện ban đầu hoặc hình dạng ban đầu nào của vật thể đó, và buộc nó phải tự định hình lại thành một cấu hình ổn định hơn về mặt năng lượng.

Trong trường hợp vật thể tự hấp dẫn, việc hình thành hình dạng và cấu hình ban đầu ngẫu nhiên nào là tùy thuộc vào khối lượng cần thiết là bao nhiêu và chúng được tạo ra từ đâu. Chúng có thể tạo thành một khối lập phương, một kim tự tháp, hoặc bất kỳ hình dạng tương tự như củ khoai tây nào của tự nhiên. Nhưng nếu nó quá lớn và lực hấp dẫn quá lớn, chúng sẽ không duy trì được hình dạng ban đầu nữa, và thay vào đó sẽ bị kéo vào một hình tròn.

Các tiểu hành tinh và sao chổi trải dài theo nhiều cấp độ về kích thước, từ các vật thể nhỏ hơn một km đến các vật thể hơn 100 km. Tuy nhiên, không có vật nào trong số này có đủ khối lượng để được kéo thành hình tròn. Lực hút có thể giữ chúng lại với nhau, nhưng không thể định hình lại chúng. (Ảnh : Hiệp hội Hành tinh - Emily Lakdawalla)

Nếu vật thể nặng một nghìn triệu triệu tấn hoặc lớn hơn, bán kính khoảng 100 km, và đó luôn là quá nhỏ, hoặc quá thấp, để kéo nó vào một hình tròn. Itokawa không đạt ngưỡng này, cũng như hầu hết các tiểu hành tinh đã biết.

Tuy nhiên, nếu có thể tích lũy đủ vật chất để vượt qua ngưỡng khối lượng và kích thước này, vật thể sẽ có cơ hội đạt được “độ tròn” thô.

Ví dụ, mặt trăng Mimas của Sao Thổ có bán kính nhỏ hơn 200 km, nhưng nó là hình tròn. Trên thực tế, đó là thiên thể nhỏ nhất được biết đến hiện nay có hình tròn do tự hấp dẫn và là mặt trăng lớn trong cùng của Sao Thổ, hoàn thành quỹ đạo quanh hành tinh có vành đai trong vòng chưa đầy 24 giờ. Mimas có mật độ rất thấp, chỉ đặc hơn băng nước, điều này cho thấy rằng nó được tạo thành phần lớn từ các chất bay hơi: băng đá có mật độ thấp dễ biến dạng dưới tác dụng của lực hấp dẫn.

Nếu Mimas được cấu tạo phần lớn từ đá hoặc thậm chí là kim loại, nó sẽ phải lớn hơn và nặng hơn để có thể tự hút thành một hình cầu: bán kính cần ít nhất là 400 hoặc 500 km.

Mimas, được chụp trong lần bay gần nhất của Cassini vào năm 2010, chỉ có bán kính 198 km, nhưng rõ ràng là khá tròn do lực hút của nó. Tuy nhiên, nó thiếu khối lượng đủ để có thể ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. (Ảnh : NASA / JPL-Caltech / Viện Khoa học Không gian)

Một sự khác biệt quan trọng khác: sự khác biệt giữa ở trạng thái "tròn" và ở "trạng thái cân bằng thủy tĩnh". Lực hấp dẫn có thể kéo vật thể thành hình tròn một cách dễ dàng nếu vật thể có bán kính trên 200 km đối với băng giá, hơn 400 km đối với vật thể cấu tạo bởi đá. Nhưng ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh là một điều khó khăn hơn: phải xác định hình dạng của vật thể chủ yếu bằng sự kết hợp giữa lực hấp dẫn và chuyển động quay, hình dạng giống như một giọt nước lỏng quay tròn tự hấp dẫn.

Bốn tiểu hành tinh lớn nhất, tất cả được hiển thị ở đây, đã được chụp ảnh với sứ mệnh Bình minh của NASA và công cụ SPHERE của ESO. Ceres, tiểu hành tinh lớn nhất, là thiên thể nhỏ nhất được biết đến ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Vesta và Pallas thì không, nhưng Hygeia thì có thể. (Ảnh : NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA; ESO)

Thiên thể nhỏ nhất được xác minh ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh là tiểu hành tinh lớn nhất: hành tinh lùn Ceres , với bán kính khoảng 470 km. Mặt khác, thiên thể lớn nhất được biết là không ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh là mặt trăng kỳ lạ Iapetus của Sao Thổ , với bán kính khoảng 735 km, mà đường xoắn quanh xích đạo của hành tinh sẽ không bao giờ xảy ra nếu chỉ riêng lực hấp dẫn và chuyển động quay đã xác định được hình dạng của nó.

Khi chúng ta đặt một vật thể vào môi trường như:

• căng thẳng,
• nén,
• uốn cong,
• hoặc xoắn

Những vật thể đó thông thường sẽ kéo dài, nén, khóa, xoắn, hoặc biến dạng theo cách tự nhiên. Nếu vật thể bị biến dạng dẻo, những biến dạng và biến dạng đó có thể trở thành vĩnh viễn. Nếu có đủ khối lượng cùng nhau ở một nơi, lực hấp dẫn sẽ đủ để kéo vật thể trở lại trạng thái cân bằng thủy tĩnh, để hình dạng tổng thể một lần nữa được xác định bởi chuyển động quay và lực hấp dẫn của riêng nó. Nếu không, vật thể vẫn có thể tròn, nhưng không ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh.

Hai hình ảnh quả cầu này của vệ tinh Iapetus cho thấy đặc điểm tác động lớn và đỉnh xích đạo của nó, mặc dù hình tròn rõ ràng. Cùng với các đặc tính khác của nó, những đặc điểm này chứng minh rằng Iapetus không ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh ( Ảnh : NASA / JPL-Caltech / Viện Khoa học Không gian)

Đối với các vật thể băng giá, có thể quay tròn ở cự ly khoảng 200 km, nhưng nó sẽ không ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh cho đến khi ở trong bán kính khoảng 400 km. Đối với các vật thể bằng đá nó sẽ không tròn trừ khi bán kính của nó là khoảng 400 km, nhưng có thể không đạt được trạng thái cân bằng thủy tĩnh trừ khi bán kính lớn hơn: có thể cần tới 750 km.

Đá và băng Hygeia, với bán kính chỉ 215 km, có thể ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Mặt trăng Enceladus của sao Thổ, ở độ cao 252 km, rất gần, nhưng các tiểu hành tinh Pallas và Vesta, ở cách 256 và 263 km, lại khởi hành rất xa so với hình tròn. Mặt trăng lớn Charon của sao Diêm Vương, với bán kính 606 km, có thể không hoàn toàn đạt được trạng thái cân bằng thủy tĩnh..

Tuy nhiên, một khi đi đến bán kính khoảng 800 km, mọi thứ đã biết ở trên kích thước đó không chỉ là hình tròn mà còn ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh.

Sao Thổ, như được chụp ở đây bởi Cassini trong điểm phân năm 2008, không chỉ tròn mà còn ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Với mật độ thấp và tốc độ quay nhanh, sao Thổ là hành tinh phẳng nhất trong Hệ Mặt trời, với đường kính xích đạo lớn hơn đường kính cực của nó hơn 10%. (Ảnh : NASA / JPL / Viện Khoa học Không gian)

Các hành tinh lùn Haumea, Eris và Pluto (cùng với Makemake, bán kính chỉ 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 Galilean của Sao Mộc đều ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Tất cả tám hành tinh của hệ mặt trời cũng vậy, và Mặt trời cũng vậy. Trên thực tế, đây là một quy tắc chung: nếu vật thể có bán kính hơn 800 km, bất kể thành phần của nó như thế nào, nó sẽ ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh.

Nhưng đây là một sự thật thú vị: nhiều vật thể - bao gồm nhiều hành tinh và ngôi sao - quay nhanh đến mức rất rõ ràng rằng chúng không tròn, mà có hình dạng được gọi là hình cầu lồi. Trái đất, quay 24 giờ, không phải là một hình cầu hoàn hảo, nhưng có bán kính xích đạo (6.378 km) lớn hơn bán kính vùng cực (6.356 km). Vòng quay của Sao Thổ thậm chí 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 địa cực của nó (54.364 km).

Tuy nhiên, Mặt Trăng và Sao Thủy đều là những trục quay cực kỳ chậm. Chúng chỉ có bán kính ở hướng xích đạo lớn hơn ~ 2 km so với hướng cực, khiến chúng trở thành những hành tinh đá có hình cầu. Nhưng Mặt trời là khối cầu hoàn hảo nhất trong Hệ Mặt trời. Với bán kính trung bình 696.000 km, bán kính xích đạo của nó chỉ lớn hơn bán kính vùng cực ~ 5 km, khiến nó trở thành một hình cầu hoàn hảo với độ chính xác đến 99,9993%.

Hình ảnh Mặt trời này, được chụp vào ngày 20 tháng 4 năm 2015, cho thấy một số đặc điểm chung cho tất cả các ngôi sao: vòng từ tính, điểm nổi bật, các sợi plasma và các vùng có nhiệt độ cao hơn 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 hệt nhau với độ chính xác đến 99,9993%. (Ảnh : NASA / Đài quan sát Động lực học Mặt trời)

Mặc dù có nhiều yếu tố đóng vai trò xác định hình dạng của một vật thể, nhưng thực sự chỉ có ba loại chính mà các vật thể rơi vào.

1. Nếu khối lượng của vật thể quá thấp và / hoặc quá nhỏ so với bố cục của nó, đơn giản sẽ tạo ra bất kỳ hình dạng nào tình cờ có được nhờ sự may rủi trong việc tạo hình; thực tế tất cả các vật thể có bán kính dưới ~ 200 km đều có thuộc tính này.
2. Nếu vật thể lớn hơn, hình dạng ban đầu đó sẽ được cấu hình lại thành hình tròn, ngưỡng mà nó vượt qua trong bán kính từ ~ 200 đến 800 km, tùy thuộc vào bố cục của nó. Tuy nhiên, nếu một sự kiện gây biến dạng lớn xảy ra, chẳng hạn như một tác động, một sự lắng đọng hoặc một sự thay đổi đối với đặc tính quỹ đạo của nó, có thể sẽ lưu giữ một “ký ức” in sâu về sự kiện đó.
3. Và cuối cùng, bán kính trên ~ 800 km, vật thể sẽ ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh: đủ lớn để trọng lực và chuyển động quay chủ yếu xác định hình dạng, chỉ với những khuyết tật nhỏ tại các đỉnh của nó.

Về khối lượng, vật hể có khối lượng 0,1% khối lượng Trái đất sẽ làm được điều đó; kết hợp nhiều thứ đó lại với nhau, nó sẽ luôn ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Bản thân độ tròn không đủ để biến vật thể thành một hành tinh, nhưng tất cả các hành tinh đều có khối lượng lớn hơn đủ để tự kéo chúng thành một hình tròn. Lực hấp dẫn không thể cưỡng lại đủ để đảm bảo nó không thể theo cách nào khác.