HỆ MẶT TRỜI CÓ CẤU TẠO NHƯ THẾ NÀO
Hệ Mặt Trời là một hệ thống các thiên thể được gắn kết bởi những lực hút lẫn nhau. Hệ Mặt Trời bao gồm: thiên thể trung tâm là Mặt Trời, 9 hành tinh lớn với những vệ tinh của mình (ngày nay người ta đã biết có khoảng trên 60 vệ tinh), vài nghìn hành tinh nhỏ tức là tiểu hành tinh (phát hiện được trên 5000, thực ra con số này còn lớn hơn nhiều), vài trăm sao chổi quan sát được và vô vàn sao băng.
Những hành tinh lớn chia thành hai nhóm chính: các hành tinh nhóm Trái Đất gồm sao Thủy, sao Kim, Trái Đất và sao Hoả, và các hành tinh nhóm sao Mộc hay các hành tinh khổng lồ gồm sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương và sao Hải Vương. Theo cách phân loại này, không có sao Diêm Vương: cả về kích thước và tính chất, sao này tương tự những vệ tinh băng gió của những hành tinh khổng lồ.
Sơ đồ hệ Mặt Trời. Khỏang các trung bình từ các hành tinh đến
Mặt Trời tính theo đơn vị thiên văn (1 đ.v.t.v = 149,6 triệu km)
Các hành tinh có sự khác biệt về tính chất vật lý là do nhóm Trái Đất gần với Mặt Trời, trong khi nhóm khổng lồ lại ở vùng ngoại vi lạnh lẽo của hệ Mặt Trời. Các hành tinh nhóm Trái Đất khá nhỏ và có mật độ (tỉ khối) lớn, có thành phần chủ yếu gồm silicát (hợp chất silic) và sắt. Các hành tinh nhóm sao Mộc không có bề mặt rắn. Ngoài những nhân không lớn, những hành tinh nhóm này chủ yếu gồm hyđrô và hêli tồn tại ở thể khí lỏng. Khí quyển của những hành tinh này bị nén chặt và dần dần chuyển thành một lớp áo (lớp cùi) thể lỏng. Phần chính của khối lượng chung của hệ Mặt Trời (99,87%) tập trung ở Mặt Trời. Bởi vậy sức hút của Mặt Trời điều khiển chuyển động của hầu hết tất cả các thiên thể khác trong hệ: các hành tinh, sao chổi, các hành tinh nhỏ, sao trăng. Chỉ có các vệ tinh là quay xung quanh các hành tinh của mình, do những hành tinh này rất gần các vệ tinh nên có súc hút lán hơn sức hút của Mặt Trời.
Tất cả các hành tinh quay xung quanh Mặt Trời theo một chiều. Chuyển động này có tên gọi là chuyển động thuận.
Các hành tinh có quỹ đạo gần tròn, còn mặt phẳng của các quỹ đạo gần với mặt phẳng chính của hệ Mặt Trời, gọi là mặt phẳng không đổi Laplaxơ. Nhưng khối lượng càng nhỏ thì hành tinh vi phạm quy luật này càng mạnh ví dụ như đối với sao Thủy và sao Diêm Vương. Trong thiên văn học người ta quen đo góc nghiêng của các quỹ đạo hành tinh đối với mặt phẳng Hoàng đạo (tức mặt phẳng quý đạo của Trái Đất). Tâm sai (tỉ lệ của khoảng cách giữa các tiêu điểm hình elíp đối với chiều dài trục lớn của elíp) là đại lượng biểu thị độ sai lệch của hình dạng quỹ đạo so với hình tròn. Tâm sai của đường tròn bòng không, các tâm sai của các elip lớn hơn không nhưng nhỏ hơn một đơn vị, tâm sai của parabôl được coi là bằng một đơn vị.
Kích thước so sánh giữa Mặt Trời và các hành tinh
Khoảng cách từ các hành tinh tới Mặt Trời tăng lên gần như cấp số nhân tuân theo quy tắc Tixiut – Bôđê (tiếng Anh: Titius - Bôdê law):
r = 0,4 + 013 . 2n (đ.v.t.v.)
Ở đây n = 0 đối với sao Kim, 1 đối vái Trái Đất, 2 đối với sao Hoả, 4 đối với sao Mộc v.v. . . (n = 3 tương ứng với vị trí vành đai các tiểu hành tinh). Tuy nhiên, sao Thủy, sao Hải Vương và sao Diêm Vương không theo trình tự này.
Hầu hết các hành tinh quay xung quanh trục cũng theo chiều thuận. Trường hợp ngoại lệ là sao Kim và sao Thiên Vương (sao Thiên Vương quay như thể lăn nghiêng sườn trục của nó gần như trùng với mặt phẳng quỹ đạo).
So sánh khối lượng Mặt trời và Trái Đất
Phần lớn các vệ tinh chuyển động xung quanh các hành tinh của mình cũng theo cùng một hướng như hướng của các hành tinh (những vệ tinh này là những vệ tinh thuận chiều), và quỹ đạo của chúng nằm gần mặt phẳng xích đạo của các hành tinh. Có chiều chuyển động nghịch là bốn vệ tinh ngoài cùng (trên quỹ đạo xa) của sao Mộc: Ananke, Cacme, Paxiphê và Xinôpê; vệ tinh phía ngoài Phêbê của sao Thổ và vệ tinh Tritôn của sao Hải Vương. Mười vệ tinh của sao Thiên Vương, mặc dầu là những vệ tinh thuận chiều với hành tinh này, nhưng chính thức vẫn được coi là ngược chiều trong hệ Mặt Trời, vì hành tinh này có chiều quay như thế. Mặt phẳng quỹ đạo Mặt Trăng gần với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất. Những vệ tinh của sao Mộc là Lêđa, Himalia, Lixithêa, Elara và vệ tinh của sao Thổ là Giapet chuyển động nghiêng một góc lớn so với mặt phẳng xích đạo của hai hành tinh này (từ 14 đến 29o).
Càng chuyển sang các thiên thể có khối lượng nhỏ thì các tâm sai và độ nghiêng của quỹ đạo càng tăng. Các tiểu hành tinh có tâm sai đạt tới trị số 0,3 - 0,5 ( Ở một số tiểu hành tinh, trị số này còn lớn hơn), còn độ nghiêng có thể tới 30o. Tất cả những tiểu hành tinh đã biết đều có chuyển động thuận. Các sao chồi thường có tâm sai và độ nghiêng quỹ đạo bất kỳ, thêm vào đó một số sạo chổi còn có chuyển động ngược chiều.
Hệ Mặt Trời luôn quay, mà chuyển động quay được đặc trưng bằng một đại lượng gọi là mômen động lượng. Mômen động lượng được phân bố giữa các thiên thể thuộc hệ Mặt Trời như thế nào thì đòi hỏi phải giải thích bằng chuyên môn.
Nếu quanh một trục ở một khoảng cách kể từ trục có một vật thề quay, mà kích thước của vật thể nhỏ hơn rất nhiều thì mômen động lượng của vật thể này bằng mvr (ở đây m là khối lượng, v là vận tốc). Nếu như bàn đến sự quay của một vật thể tương đối lớn, thì ta phải hình dung đập vỡ nó thành những phần nhỏ, tính toán đại lượng này cho từng phần nhỏ và tổng hợp (cộng) kết quả lại Mômen động lượng của một hệ các vật thể bằng tổng các mômen của các vật thể trong hệ.
Quy luật bất di bất dịch của cơ học khẳng định rằng, sự thay đổi mômen động lượng của một hệ có thể xảy ra chỉ do tác động bên ngoài, và không bao giờ do tác động qua lại (tương tác) của các thành tố trong hệ với nhau.
Hệ Mặt Trời được tạo nên từ đám mây bụi khí quay. Sự co lại của đám mây này dẫn đến khối cô đặc ở trung tâm rồi khối cô đặc này biến thành Mặt Trời. Các hạt trở tinh thành phần của Mặt Trời mang theo mômen động lượng của mình. Và bởi vì những hạt này đã chuyển động hướng vào trục quay (tức là khoảng cách đã giảm đi), nên vận tốc buộc phải tăng để bảo toàn mômen. Mặt Trời nguyên thủy, rồi sau đó là Mặt Trời buộc phải quay ngày càng nhanh hơn, nhanh hơn. Quá trình này có thể minh hoạ như sau một vận động viên trượt băng nghệ thuật đang thực hiện động tác quay đế quay nhanh hơn, anh ta phải ghì đôi tay vào thân mình.
Như đã nêu ở trên, Mặt Trời chiếm hơn 99% khối lượng của toàn hệ. Trong khi đó Mặt Trời hiện chỉ các không tới 2% tổng mômen động lượng của hệ. Trong nhiều thập kỷ các nhà thiên văn học nung nấu mộ vấn đề tại sao Mặt Trời lại quay chậm như vậy? Bằng cách nào mà mômen động lượng được chuyển từ những vùng phía trong của hệ Mặt Trời ra các cùng phía ngoài?
Một trong những cơ chế truyền như thế đã được biết đến là: ma sát triều, nó đã hãm bớt sự quay của vật thể. Tuy nhiên, tác động triều của các hành tinh vào Mặt Trời là không đáng kể và không thể là nguyên nhân của hiệu ứng đã được thấy.
Một nhân tố khác dẫn đến sự hãm chuyển động là từ trường (xem mục “từ trường giữa các sao”). Lối giải thích như thế đã không gây nên sự phản bác về nguyên tắc, nhưng lời giải cụ thể cho vấn đề này đối với hệ Mặt Trời đang còn liên quan tới nhiều điều chưa rõ, và không phải ai cũng công nhận.
Vấn đề phân bổ mômen động lượng đã được giải quyết khá đơn giản theo giả thuyết vũ trụ luận của nhà thiên văn học Anh Giêmxơ Ginxơ. Ông đã phỏng đoán rằng, một thời đã có một ngôi sao đi qua gần Mặt Trời và sức hút của nó đã làm vật chất của Mặt Trời bắn ra, về sau từ những chất này hình thành nên những hành tinh (xem mục ''Giêmxơ Ginxơ''). Tuy nhiên hiện nay chưa một trong các chuyên gia ủng hộ ý kiến này.
Vậy hệ Mặt Trời có ổn định (bền vững) không? Hệ ổn định có đặc tính là những sai lệch ngẫu nhiên (những nhiễu loạn) nảy sinh trong hệ không dẫn tới những thay đổi tăng tiến có khả năng rồi cuối cùng sẽ phá vỡ hệ, mà dường như bị hệ dập tắt một cách tự động để rồi hệ lại trở lại trạng thái ban đầu. Ví dụ như có thể làm cho một quả cầu nhỏ nằm ở vị trí cân bằng trên đỉnh một quả cầu lớn. Nhưng chỉ khẽ đẩy quả cầu nhỏ, nó sẽ trượt xuống và thế là hệ mất ổn định. Nếu vẫn quả cầu nhỏ đó đem đặt vào đáy một cái bát hình bán cầu và đẩy nó chệch đi, nó sẽ trở lại vị trí ban đầu: hệ đó ổn định. Nhân tố gây nhiễu loạn cho các hành tinh của hệ Mặt Trời là ảnh hưởng hấp dẫn của các hành tinh tác động lẫn nhau ảnh hưởng này làm thay đổi một chút quỹ đạo so vái quỹ đạo mà đáng lẽ mỗi hành tinh phải chuyển động theo do tác động lực hấp dẫn của chỉ mình Mặt Trời. Vấn đề ở chỗ: những nhiễu loạn này hiện có thể tích tụ cho tới mức làm hành tinh rơi vào Mặt Trời hoặc bay ra khỏi phạm vi giới hạn của hệ Mặt Trời hay chúng chỉ có tính chất chu kỳ và những thông số của quỹ đạo sẽ chỉ dao động quanh một vài giá trị trung bình nào đó.
Trong 200 năm gần đây các nhà thiên văn học đã tiến hành những công trình nghiên cứu và kết quả cả về mặt lý thuyết và tính toán đều nghiêng về giả thuyết thứ hai kể trên. Và điều này cũng đã được chứng minh qua những số liệu trong lĩnh vực địa chất, cổ sinh học và những ngành khoa học khác về Trái Đất: đã 4,5 tỷ năm nay khoảng cách giữa hành tinh chúng ta và Mặt Trời thực tế là không thay đổi. Và trong tương lai không có nguy co Trái Đất chúng ta rơi vào Mặt Trời hay rời xa khỏi hệ Mặt Trời.
