Thiên văn vật lí cho người bận rộn – Neil DeGrasse Tyson (Phần 10)

Chương 10

GIỮA CÁC HÀNH TINH

Nhìn từ xa, hệ Mặt Trời của chúng ta trông trống rỗng. Giả sử bạn bao trọn nó bên trong một quả cầu – một quả cầu đủ lớn để chứa luôn quỹ đạo của Hải vương tinh, hành tinh ngoài cùng¹ – thì thể tích chiếm giữ bởi Mặt Trời, toàn bộ các hành tinh, và vệ tinh của chúng chỉ hơi nhỉnh hơn một phần tỉ của không gian khép kín đó. Thế nhưng nó không trống không, không gian giữa các hành tinh chứa đủ mọi kiểu đá chắc mập, đá cuội, các quả cầu băng, bụi, các dòng hạt tích điện, và các tàu thám hiểm bay xa. Không gian ấy còn tràn ngập các trường hấp dẫn và từ trường khổng lồ.

Không gian giữa các hành tinh không hề trống rỗng nên Trái Đất, trong hành trình quỹ đạo 30 kilo-mét mỗi giây của nó, cày qua hàng trăm tấn sao băng mỗi ngày – phần đông chúng không lớn hơn một hạt cát. Gần như toàn bộ chúng đều bốc cháy trong thượng tầng khí quyển Trái Đất, chúng lao vào không khí với năng lượng cao đến mức các mảnh vỡ bốc hơi ngay lúc tiếp xúc. Giống loài yếu đuối của chúng ta đã tiến hóa dưới lớp chăn bảo vệ này. Những sao băng lớn hơn, cỡ bằng quả bóng golf, nóng lên nhanh nhưng không đều, và thường bị xé toạc thành nhiều mảnh nhỏ hơn trước khi chúng bốc hơi. Những sao băng lớn hơn nữa cháy sém bề mặt của chúng, và chúng tiếp tục cháy sém cho đến khi chạm đất. Lúc này có thể bạn nghĩ, sau hành trình 4,6 tỉ năm xung quanh Mặt Trời, lẽ ra Trái Đất đã “làm sạch” toàn bộ những mảnh vỡ có thể có trong hành trình quỹ đạo của nó. Nhưng mọi thứ từng tệ hơn thế nhiều. Trong nửa tỉ năm sau khi hình thành Mặt Trời và các hành tinh của nó, có quá nhiều thứ tạp nhạp trút vào Trái Đất đến mức nhiệt từ năng lượng dai dẳng của các va chạm làm cho bầu khí quyển của Trái Đất nóng rực và lớp vỏ của chúng ta tan chảy.

Một tảng tạp nhạp đúng to đã dẫn tới sự hình thành Mặt Trăng. Sự khan hiếm đến bất ngờ của sắt và các nguyên tố khối lượng cao khác trên Mặt Trăng, được suy luận từ các mẫu đá Mặt Trăng do các nhà du hành Apollo mang về, cho thấy khả năng cao nhất là Mặt Trăng đã bị thổi tung từ lớp vỏ và lớp bao nghèo sắt của Trái Đất sau một cú va chạm chớp nhoáng với một mầm hành tinh bướng bỉnh cỡ Hỏa tinh. Đám bụi bay lòng vòng từ cú chạm trán này đã kết tập tạo thành vệ tinh thân thương, tỉ trọng thấp của chúng ta. Ngoài sự kiện đáng giá này, thời kì bắn phá nặng nề mà Trái Đất hứng chịu trong quãng thời gian nằm nôi của nó không phải ngoại lệ so với các hành tinh khác và các vật thể lớn khác của hệ Mặt Trời. Mỗi vật thể trong số chúng đều tồn tại sự thiệt hại tương tự, với bề mặt không có không khí, không bị xói mòn của Mặt Trăng và Thủy tinh bảo tồn được phần nhiều số liệu va chạm từ thời kì này.

Hệ Mặt Trời không những bị đe dọa bởi mớ vật chất trôi giạt sót lại từ thời hình thành của nó, mà không gian giữa các hành tinh còn chứa đá thuộc mọi kích cỡ bị bắn vọt ra từ sao Hỏa, Mặt Trăng, và Trái Đất do sự giật lùi của mặt đất từ các va chạm tốc độ cao. Các nghiên cứu trên máy tính về va chạm thiên thạch chứng minh thuyết phục rằng đá bề mặt ở gần vùng va chạm có thể bị ném lên thẳng đứng với vận tốc đủ cao để thoát khỏi sức hút hấp dẫn của vật thể ấy. Ở tỉ lệ mà chúng ta khám phá về các thiên thạch trên Trái Đất có nguồn gốc sao Hỏa, chúng ta kết luận rằng có khoảng một nghìn tấn đá sao Hỏa trút xuống Trái Đất mỗi năm. Có lẽ lượng sao băng đi tới Trái Đất từ Mặt Trăng cũng ngang ngửa như vậy. Ngẫm lại, chúng ta đâu cứ phải đi lên Mặt Trăng để lấy đá Mặt Trăng. Rất nhiều trong số chúng vẫn đi tới chúng ta, mặc dù chúng không nằm trong sự chọn lựa của chúng ta và chúng ta vẫn chưa biết đến lúc thực hiện chương trình Apollo.

*

Phần lớn tiểu hành tinh trong hệ Mặt Trời cư trú và vận động trong vành đai tiểu hành tinh chính, một vùng đại khái bằng phẳng giữa quỹ đạo của Hỏa tinh và Mộc tinh. Theo truyền thống, các nhà khám phá muốn đặt tên gì cho tiểu hành tinh của họ tùy họ thích. Thường được các họa sĩ phác họa là một vùng đá lổn ngổn, lúc nhúc trong mặt phẳng của hệ Mặt Trời, tổng khối lượng của vành đai tiểu hành tinh chưa bằng năm phần trăm khối lượng của Mặt Trăng, mà khối lượng Mặt Trăng thì chỉ vừa vặn hơn một phần trăm khối lượng Trái Đất. Nghe như không có gì đáng kể. Nhưng các nhiễu loạn tích góp của các quỹ đạo của chúng liên tục tạo ra một tập con chết chóc, có lẽ gồm một vài nghìn vật thể, có quỹ đạo lệch tâm cắt qua quỹ đạo Trái Đất. Một phép tính đơn giản cho biết phần lớn trong số chúng sẽ va chạm với Trái Đất trong vòng một trăm triệu năm. Những vật thể có đường kính hơn chừng một kilo-mét sẽ va chạm với năng lượng đủ cao để hủy diệt hệ sinh thái của Trái Đất và đặt các chủng loài trên đất liền của Trái Đất trước nguy cơ diệt vong.

Điều đó sẽ thật tồi tệ.

Các tiểu hành tinh không phải là những vật thể vũ trụ duy nhất có nguy cơ đe dọa đối với sự sống trên Trái Đất. Vành đai Kuiper là một bầy đoàn đông đúc vương vãi sao chổi của mớ vật liệu xà bần nằm ngay từ mé ngoài quỹ đạo của Hải vương tinh, bao gồm cả Pluto, và trải rộng có lẽ cách xa Hải vương tinh bằng với khoảng cách từ Hải vương tinh đến Mặt Trời. Nhà thiên văn người Mĩ gốc Hà Lan Gerald Kuiper đã xúc tiến ý tưởng rằng trong những vùng sâu thẳm lạnh lẽo của không gian, vượt ngoài quỹ đạo của Hải Vương tinh, có những tàn dư băng giá còn sót lại từ sự hình thành của hệ Mặt Trời. Không có một hành tinh khối lượng lớn nào để rơi vào, phần đa các sao chổi này sẽ quay xung quanh Mặt Trời trong hàng tỉ năm nữa. Giống như với vành đai tiểu hành tinh, một số vật thể thuộc vành đai Kuiper chuyển động theo quỹ đạo lệch tâm cắt qua quỹ đạo của các hành tinh khác. Pluto và tập hợp anh em của nó gọi là Plutino cắt qua quỹ đạo của Hải Vương tinh xung quanh Mặt Trời. Các vật thể khác thuộc vành đai Kuiper cày xới vào phía trong hệ Mặt Trời, liều lĩnh cắt qua các quỹ đạo hành tinh. Trong tập con này có Halley, sao chổi nổi tiếng nhất trong số chúng.

Nằm xa ngoài vành đai Kuiper, trải ra đến nửa đường tới những ngôi sao gần nhất, có một kho chứa hình cầu gồm các sao chổi gọi là đám mây Oort, đặt theo tên Jan Oort, nhà thiên văn vật lí Hà Lan lần đầu tiên suy luận ra sự tồn tại của nó. Vùng này là nơi sản sinh các sao chổi chu kì lớn, chúng có chu kì quỹ đạo lớn hơn nhiều so với tuổi thọ con người. Không giống như các sao chổi vành đai Kuiper, các sao chổi đám mây Oort có thể chạy xẹt vào phía trong hệ Mặt Trời từ bất kì góc nào và từ bất kì hướng nào. Hai sao chổi sáng nhất của thập niên 1990, sao chổi Hale-Bopp và Hyakutake, đều xuất xứ từ đám mây Oort và sẽ không quay trở lại trong thời gian sớm.

*

Giả sử mắt chúng ta nhìn thấy từ trường, thì Mộc tinh sẽ trông lớn gấp mười lần Mặt Trăng rằm trên bầu trời. Phi thuyền vũ trụ đến thăm Mộc tinh phải được thiết kế để không bị ảnh hưởng bởi áp lực mạnh này. Như nhà vật lí người Anh Michael Faraday đã chứng minh vào thế kỉ mười chín, nếu bạn cho một dây dẫn chạy qua một từ trường thì bạn tạo ra một hiệu điện thế giữa hai đầu dây. Vì lí do này, các tàu thám hiểm vũ trụ làm bằng kim loại và chuyển động nhanh sẽ có các dòng điện cảm ứng bên trong chúng. Đồng thời, các dòng điện này sinh ra từ trường của riêng chúng và tương tác với từ trường xung quanh theo những cách làm chậm lại chuyển động của tàu thám hiểm.

Theo một lần nọ tôi đếm, có năm mươi sáu vệ tinh giữa các hành tinh trong hệ Mặt Trời. Thế rồi tôi thức dậy vào một sáng nọ và biết rằng có một tá vệ tinh nữa vừa được tìm thấy xung quanh Thổ tinh. Sau tình tiết ấy, tôi quyết định không thèm đếm nữa. Toàn bộ cái tôi quan tâm bây giờ là liệu có bất kì vệ tinh nào trong số chúng là nơi vui vẻ để chúng ta đến thăm hoặc nghiên cứu hay không thôi. Xét theo một số tiêu chí, các vệ tinh của hệ Mặt Trời còn hấp dẫn hơn nhiều so với các hành tinh mà chúng quay xung quanh.

*

Mặt Trăng của Trái Đất bằng 1/400 đường kính của Mặt Trời, song cũng ở xa bằng 1/400 khoảng cách Mặt Trời đến chúng ta, thành ra Mặt Trời và Mặt Trăng trông cùng một kích cỡ trên bầu trời – một sự tình cờ không bắt gặp ở bất kì kết hợp hành tinh-vệ tinh nào khác trong hệ Mặt Trời, cho phép xảy ra hiện tượng nhật thực toàn phần độc đáo. Trái Đất cũng khóa lực thủy triều lên Mặt Trăng, khiến nó có chu kì tự quay quanh trục của nó y hệt như chu kì quay của nó xung quanh Trái Đất. Hễ ở đâu và khi nào điều này xảy ra, thì vệ tinh bị khóa chỉ hướng một mặt của nó về phía hành tinh chủ.

Hệ thống vệ tinh của Mộc tinh có đầy những vật thể lập dị. Io, vệ tinh gần Mộc tinh nhất, bị khóa thủy triều và bị ép cấu trúc bởi các tương tác với Mộc tinh và với các vệ tinh khác, bơm đủ nhiệt vào thiên thể bé nhỏ làm cho đá bên trong của nó tan chảy; Io là nơi hoạt động núi lửa mạnh nhất trong hệ Mặt Trời. Vệ tinh Europa của Mộc tinh có đủ H₂0 nên cơ chế nóng lên cả nó – giống cơ chế tác động lên Io – làm tan chảy băng bên dưới bề mặt, để lại một đại dương ấm ngầm bên dưới. Giả sử từng có một nơi tốt thứ hai để tìm kiếm sự sống, thì chính là ở đây. (Một đồng nghiệp nghệ sĩ của tôi từng hỏi liệu những dạng sống hình thành trên Europa có nên gọi là Europeans hay không. Vì chẳng có lời đáp hợp lí nào khác thế nên tôi buộc phải trả lời rằng có.)

Vệ tinh lớn nhất của Pluto, Charon, to và gần Pluto đến mức Pluto và Charon đều bị khóa thủy triều với nhau: chu kì tự quay của chúng và chu kì quỹ đạo của chúng y hệt nhau. Chúng ta gọi thế này là “khóa thủy triều kép”, nghe cứ ngỡ như một kiểu móc khóa mới chưa được phát minh ra.

Theo lệ thường, các vệ tinh được đặt tên theo các nhân vật Hi Lạp trong phiên bản Hi Lạp của các vị thần La Mã vốn đã được đặt tên cho các hành tinh. Các vị thần cổ điển có cuộc sống xã hội phức tạp, thành ra chẳng hề thiếu nhân vật để trích dẫn. Ngoại lệ duy nhất với quy tắc này áp dụng cho các vệ tinh của Thiên Vương tinh, chúng được đặt tên theo truyền thống Anh. Nhà thiên văn người Anh William Herschel là người đầu tiên tìm thấy một hành tinh nằm ngoài vùng mắt thường dễ dàng nhìn thấy, và ông sẵn lòng đặt tên nó theo tên Đức Vua mà ông hết lòng phụng sự. Giá như William thành công, thì danh sách hành tinh sẽ đọc là: Mercury (Thủy tinh), Venus (Kim tinh), Earth (Trái Đất), Mars (Hỏa tinh), Jupiter (Mộc tinh), Saturn (Thổ tinh) và George. May mắn làm sao, những cái đầu tỉnh táo hơn đã thắng thế và tên gọi cổ điển Uranus (Thiên Vương tinh) được phê chuẩn vài năm sau đó. Thế nhưng đề xuất ban đầu của ông muốn đặt tên cho các vệ tinh theo các nhân vật trong kịch của William Shakespeare và thơ ca của Giáo hoàng Alexander thì vẫn lưu giữ cho đến ngày nay. Trong số hai mươi bảy vệ tinh của Uranus, chúng ta thấy có Ariel, Cordelia, Desdemona, Juliet, Ophelia, Portia, Puck, Umbriel, và Miranda.

Mặt Trời thất thoát vật chất khỏi bề mặt của nó ở tốc độ hơn một triệu tấn mỗi giây. Chúng ta gọi hiện tượng này là “gió Mặt Trời”, nó có hình thức các hạt tích điện năng lượng cao. Chuyển động lên tới một nghìn dặm mỗi giây, các hạt này lan tỏa trong không gian và bị lệch hướng bởi các từ trường hành tinh. Các hạt chuyển động xoắn ốc xuống cực bắc từ và cực nam từ, gây ra các va chạm với các phân tử chất khí và để lại bầu khí quyển phát sáng với cực quang đầy màu sắc. Kính thiên văn Vũ trụ Hubble đã tìm thấy cực quang ở gần hai cực của Thổ tinh lẫn Mộc tinh. Và trên Trái Đất, cực quang phương bắc và phương nam chính là sự nhắc nhở từng hồi rằng Trái Đất có một bầu khí quyển bảo vệ lung linh như thế nào.

Khí quyển của Trái Đất thường được mô tả là hàng tá dặm trải rộng phía trên bề mặt Trái Đất. Các vệ tinh trong quỹ đạo Trái Đất “thấp” thường chuyển động ở độ cao từ một trăm đến bốn trăm dặm, hoàn tất một vòng quỹ đạo trong khoảng chín mươi phút. Trong khi bạn không thể thở được ở những cao độ như thế, nhưng một số phân tử chất khí vẫn tồn tại – đủ để từ từ làm giảm năng lượng quỹ đạo của các vệ tinh. Để chống lại sự kéo lê này, các vệ tinh trong quỹ đạo thấp cần có những cú hích từng hồi, để chúng khỏi bị rơi xuống Trái Đất và bốc cháy trong khí quyển. Một cách khác để định nghĩa rìa khí quyển của chúng ta là nêu câu hỏi ở đâu mật độ phân tử không khí của nó bằng với mật độ phân tử chất khí trong không gian giữa các hành tinh. Theo định nghĩa đó, khí quyển Trái Đất trải rộng đến hàng nghìn dặm.

Bay cao hơn mức này, ở cao độ hai mươi ba nghìn dặm (một phần mười khoảng cách đến Mặt Trăng) là các vệ tinh viễn thông. Ở độ cao đặc biệt này, khí quyển Trái Đất không những chẳng thấm tháp gì, mà tốc độ của vệ tinh cũng đủ thấp để nó cần một ngày trọn vẹn mới hoàn tất một vòng quỹ đạo xung quanh Trái Đất. Với một quỹ đạo khớp đúng với tốc độ tự quay của Trái Đất, các vệ tinh này có vẻ lơ lửng, khiến chúng lí tưởng để phản hồi tín hiệu từ một phần bề mặt Trái Đất đến một phần khác.

*

Các định luật Newton phát biểu rành mạch rằng, trong khi lực hấp dẫn của một hành tinh trở nên yếu dần khi bạn chuyển động ra xa nó, thì không có khoảng cách nào tại đó lực hấp dẫn đạt tới zero. Mộc tinh, với trường hấp dẫn cường tráng của nó, đánh bật quỹ đạo của nhiều sao chổi nguy hại, nếu không chúng sẽ trút cơn thịnh nộ lên phía trong hệ Mặt Trời. Mộc tinh tác dụng như một lá chắn hấp dẫn cho Trái Đất, một đại ca vạm vỡ, cho phép những quãng dài (trăm triệu năm) tương đối hòa bình và yên ắng trên Trái Đất. Không có sự bảo vệ của Mộc tinh, sự sống phức tạp sẽ có một quãng thời gian khó khăn để trở nên phức tạp, luôn luôn sống trong nguy cơ bị tận diệt từ một cú va chạm tàn khốc.

Chúng ta đã khai thác trường hấp dẫn của các hành tinh cho hầu như mỗi tàu thăm dò phóng lên không gian. Tàu thăm dò Cassini, chẳng hạn, nó đến thăm Thổ tinh, được trợ lực hấp dẫn hai lần bởi Kim tinh, một lần bởi Trái Đất (vào một chuyến bay sớt qua), và một lần bởi Mộc tinh. Giống như một cú đánh bi-a nhiều cuxinê, các quỹ đạo từ hành tinh này đến hành tinh khác là phổ biến. Bằng không thì các tàu thăm dò bé nhỏ của chúng ta đã chẳng có đủ tốc độ và năng lượng từ các tên lửa của chúng ta đến đi tới đích đến của chúng.

Hiện nay tôi chịu trách nhiệm cho một số mảnh vỡ giữa hành tinh của hệ Mặt Trời. Vào tháng Mười Một 2000, tiểu hành tinh vành đai chính 1994KA, được khám phá bởi David Levy và Carolyn Shoemaker, được đặt tên là 13123-Tyson nhằm tôn vinh tôi. Trong khi tôi thích thú với sự biệt đãi ấy, thì chẳng có lí do đặc biệt nào để nghĩ nhiều về nó cả; nhiều tiểu hành tinh có những tên gọi quen thuộc như Jody, Harriet, và Thomas. Còn có những tiểu hành tinh ngoài kia tên là Merlin, James Bond, và Santa. Ngày nay, với số lượng hàng trăm nghìn, danh mục tiểu hành tinh có thể sớm thách thức khả năng của chúng ta đặt tên cho chúng. Cho dù rồi có tới cái ngày ấy hay không, song tôi hài lòng biết rằng mớ mảnh vụn vũ trụ của tôi không hề đơn độc khi vứt vương vãi không gian giữa các hành tinh, mà được gia nhập bởi một danh sách dài gồm những mảnh vụn khác mang tên của những con người có thật và hư cấu.

Tôi cũng vui vẻ vì, hiện nay, tiểu hành tinh của tôi không lao đầu về phía Trái Đất.

¹Không, không phải là Pluto. Hãy quên chuyện đó đi.

Thiên văn vật lí cho người bận rộn
Neil DeGrasse Tyson - Bản dịch của Thuvienvatly.com
Phần tiếp theo >>

Bài trước | Bài kế tiếp