The possibilities were almost limitless, so why does everything line up?

Với xác suất xảy ra gần như là không, tại sao các hành tinh lại nằm thẳng hàng?

Hệ mặt trời là một nơi gọn gàng với bốn hành tinh vòng trong là vành đai tiểu hành tinh và hành tinh khí khổng lồ quay trên cùng một mặt phẳng quanh mặt trời. Dù có nhìn ra xa, những vật thể của vành đai Kuiper cũng có vẻ như thẳng hàng với mặt phẳng đó. Xét tới việc mặt trời có dạng hình cầu và những ngôi sao xuất hiện cùng các hành tinh quay theo quỹ đạo ở mọi hướng khác nhau, việc những hành tinh thẳng hàng nhau có vẻ như là một sự trùng hợp. Tuy nhiên, thực tế mọi hệ mặt trời chúng ta quan sát bên ngoài đều có những hành tinh nhỏ riêng nằm thẳng hàng với chúng, dù chúng ta có thể phát hiện ra hay không. Khoa học đã giải thích hiện tượng này, theo như những gì chúng ta biết.

Our Solar System is an orderly place, with the four inner planets, the asteroid belt, and the gas giant worlds all orbiting in the same plane around the Sun. Even as you go farther out, the Kuiper belt objects appear to line up with that same exact plane. Given that the Sun is spherical and that there are stars appearing with planets orbiting in every direction imaginable, it seems too much of a coincidence to be random chance that all these worlds line-up. In fact, practically every Solar System we’ve observed outside of our own appears to have their worlds line up in the same plane, too, wherever we’ve been able to detect it. Here’s the science behind what’s going on, to the best of our knowledge.

 

Tám hành tinh của hệ quay quanh mặt trời trên một mặt phẳng gần như là giống nhau, được gọi là Mặt Phẳng Không Đổi. Đây là những hệ mặt trời bình thường mà chúng ta biết cho đến nay. (Joseph Boyle trên Quora)

 

The eight planets of the Solar System orbit the Sun in almost an identical plane, known as the Invariable Plane. This is typical of solar systems as we know them so far. (Joseph Boyle of Quora)

Ngày nay, chúng ta có thể tính toán quỹ đạo của những hành tinh chính xác tới một mức độ đáng kinh ngạc, và những gì chúng ta biết là những hành tinh này quay quanh mặt trời - tất cả chúng - trên cùng một mặt phẳng hai chiều, với một mức độ chính xác chỉ chênh lệch nhau khoảng 7 độ.

Today, we’ve mapped out the orbits of the planets to incredible precision, and what we find is that they go around the Sun — all of them — in the same two-dimensional plane, to within an accuracy of, at most, 7° difference.

Trên thực tế, nếu không tính Sao Thủy, hành tinh trong nằm cùng và có độ lệch lớn nhất, ta sẽ thấy rằng mọi thứ đều gần như thẳng tắp: sự chênh lệch của mặt phẳng không đổi của Hệ Mặt Trời, hoặc mặt phẳng quỹ đạo trung bình của những hành tinh, chỉ là khoảng 2 độ.

In fact, if you take Mercury out of the equation, the innermost and most inclined planet, you’ll find that everything else is really well-aligned: the deviation from the Solar System’s invariable plane, or the average plane-of-orbit of the planets, is only about two degrees.

Chúng khá thẳng hàng với trục quay của Mặt Trời: cứ như là khi tất cả các hành tinh quay quanh Mặt Trời, Mặt Trời cũng tự quay theo quỹ đạo vậy. Như bạn có thể ngờ, trục quay của Mặt Trời - một lần nữa - chỉ lệch xấp xỉ 7 độ so với quỹ đạo của tất cả các hành tinh.  

They’re also pretty closely lined up with the Sun’s rotation axis: just as the planets all spin as they orbit the Sun, the Sun itself spins. And as you might expect, the axis that the Sun rotates about is — again — within approximately 7° of all the planets’ orbits.

 

Chưa kể, đây không phải là những gì bạn có thể ngờ trừ khi có gì đó khiến cho những hành tinh này bị “kẹp” xuống trên cùng một mặt phẳng. Bạn đã có thể nghĩ những quỹ đạo được định hướng một cách ngẫu nhiên - vì trọng lực - lực giữ cho những hành tinh này nằm vững trong quỹ đạo - hoạt động như nhau trong cả ba chiều. Bạn cũng có thể đã nghĩ rằng nó là một thứ gì đó trông như một bầy nhung nhúc, chứ không phải là những vòng tròn hoàn hảo như thế này. Vấn đề là - nếu bạn tiến đủ xa ra khỏi Mặt Trời - ngoài những hành tinh và tiểu hành tinh, ngoài những sao chổi giống như sao chổi Halley và ngoài những vành đai Kuiper - đó chính xác là những gì bạn thấy.   

And yet, this isn’t what you would have imagined unless something caused these planets to all be sandwiched down into the same plane. You would’ve expected the orbits to be oriented randomly, since gravity — the force that keeps the planets in these steady orbits — works the same in all three dimensions. You would’ve expected something more like a swarm than a nice, orderly set of nearly perfect circles. The thing is, if you go far enough away from our Sun — beyond the planets and asteroids, beyond the Halley-like comets and even beyond the Kuiper Belt — that’s exactly what you find.

Vậy chính xác đó là gì, thứ khiến cho những hành tinh cuốn lại như một chiếc đĩa chứ không giống như một đám côn trùng trong mặt phẳng quỹ đạo Mặt Trời? Để hiểu được điều này, hãy trở lại khi Mặt Trời bắt đầu được hình thành: từ một đám mây phân tử làm từ khí, chính nó đã tạo nên tất cả những ngôi sao mới trong vũ trụ.

So what is it, exactly, that caused our planets to wind up in a single disk? In a single plane orbiting our Sun, rather than as a swarm? To understand this, let’s travel back in time to when our Sun was first forming: from a molecular cloud of gas, the very thing that gives rise to all new stars in the Universe.

Khi một đám mây phân tử đủ lớn, đủ nặng, đủ nguội để teo-lại-và-biến-mất do chính trọng lực của nó như Ống Tinh Vân(hình bên trái trên), nó sẽ tạo thành những mảng đặc nơi những chùm sao mới sẽ được hình thành (những đốm tròn, hình bên phải trên).

When a molecular cloud grows to be massive enough, gravitationally bound and cool enough to contract-and-collapse under its own gravity, like the Pipe Nebula (above, left), it will form dense enough regions where new star clusters will be born (circles, above right).

Bạn sẽ lập tức nhận thấy rằng tinh vân này - như các tinh vân khác - không là một hình cầu hoàn hảo, mà là một hình bầu dục, khác thường. Trọng lực là một thứ chống lại sự không hoàn hảo. Vì trọng lực là một lực gia tốc gấp lên bốn lần mỗi khi ta chia đôi khoảng cách tới một vật khối, chỉ một vài sự khác biệt nhỏ trong hình dáng ban đầu có thể bị phóng đại một cách dã man ngay lập tức.

You’ll notice, immediately, that this nebula — and any nebula like it — is not a perfect sphere, but rather takes on an irregular, elongated shape. Gravitation is unforgiving of imperfections, and because of the fact that gravity is an accelerative force that quadruples every time you halve the distance to a massive object, it takes even small differences in an initial shape and magnifies them tremendously in short order.

Kết quả là tinh vân, nơi những ngôi sao hình thành, sẽ được tạo ra và có hình dạng cực kì cân đối, nơi những ngôi sao tạo thành trong những mảng khí dày nhất. Điều đặc biệt là khi ta nhìn vào bên trong, những ngôi sao mang dáng của những hình cầu tuyệt đối giống như Mặt Trời.

The result is that you get a star-forming nebula that’s incredibly asymmetric in shape, where the stars form in the regions where the gas gets densest. The thing is, when we look inside, at the individual stars that are in there, they’re pretty much perfect spheres, just like our Sun is.

Tuy nhiên chỉ có tinh vân là thực sự cân đối, còn những ngôi sao được hình thành bên trong xuất thân từ những khối kết không hoàn hảo, bị dày đặc và không đối xứng bên trong tinh vân. Chúng sẽ bị gãy vụn ở một (trong ba) chiều, vì vật chật - các vật như bạn, tôi, các nguyên tử, làm từ nuclei và electron - dính vào nhau và phản ứng khi bạn bị va vào các vật chất khác, bạn sẽ bị bay vào một chiếc đĩa hình bầu dục toàn các vật chất. Trọng lực sẽ kéo hầu hết các vật chất vào trung tâm, nơi mà những ngôi sao sẽ được hình thành, nhưng quanh chúng bạn sẽ thấy một thứ được gọi là đĩa tiền hành tinh. Nhờ có kính viễn vọng không gian Hubble, ta có thể trực tiếp thấy những chiếc đĩa này!

But just as the nebula itself became very asymmetric, the individual stars that formed inside came from imperfect, overdense, asymmetric clumps inside that nebula. They’re going to collapse in one (of the three) dimensions first, and since matter — stuff like you and me, atoms, made of nuclei and electrons — sticks together and interacts when you smack it into other matter, you’re going to wind up with an elongated disk, in general, of matter. Yes, gravitation will pull most of that matter in towards the center, which is where the star(s) will form, but around it you’ll get what’s known as a protoplanetary disk. Thanks to the Hubble Space Telescope, we’ve seen these disks directly!

Đó là dấu hiệu đầu tiên bạn chuẩn bị cuốn vào một thứ gì đó được căn lề trong mặt phẳng chứ không phải là một quả cầu lúc nhúc ngẫu nhiên. Để đi tới bước tiếp theo, ta phải dựa theo mô phỏng vì chúng ta không đủ thời gian, khoảng một triệu năm, để xem quá trình này xảy ra ở trong bất kì hệ mặt trời trẻ nào. Nhưng đây là những gì chúng ta có được dựa trên mô phỏng.

That’s your first hint that you’re going to wind up with something that’s more aligned in a plane than a randomly swarming sphere. To go to the next step, we have to turn to simulations, since we haven’t been around long enough to watch this process unfold — it takes about a million years — in any young solar system. But here’s the story that the simulations tell us.

Đĩa tiền hành tinh, sau khi va về một hướng, sẽ tiếp tục thu nhỏ lại khi các vật chất bị hút vào trung tâm. Nhưng trong khi các vật chất tạo nên một cái phễu bên trong, một lượng vật chất sẽ cuốn thành một quỹ đạo di chuyển ổn định bên trong chiếc đĩa này.

The protoplanetary disk, after going “splat” in one dimension, will continue to contract down as more and more matter gets attracted to the center. But while much of the material gets funnelled inside, a substantial amount of it will wind up in a stable, spinning orbit in this disk.

Tại sao?

Có một khối năng lượng cần được bảo toàn: mô-men góc, thứ cho chúng ta biết có bao nhiêu khí, bụi, sao, và tất cả các vật khác trong hệ thực chất đang quay. Vì mô-men góc hoạt động toàn thể và được phân bố đều giữa các phần tử bên trong, điều này có nghĩa là mọi thứ trong đĩa cần phải di chuyển, đại khái là cùng về một hướng (theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ). Theo thời gian, khi chiếc đĩa đạt tới một độ lớn và độ dày ổn định, những lực hút nhỏ không ổn định sẽ bắt đầu xuất hiện bên trong những hành tinh.

Why?

There’s a physical quantity that has to be conserved: angular momentum, which tells us how much the entire system — gas, dust, star and all — is intrinsically spinning. Because of how angular momentum works overall, and how its shared pretty evenly between the different particles inside, this means that everything in the disk needs to move, roughly, in the same (clockwise or counterclockwise) direction overall. Over time, that disk reaches a stable size and thickness, and then small gravitational instabilities begin to grow those instabilities into planets.

 

Đương nhiên, sẽ có những sự khác biệt nhỏ (và những ảnh hưởng của trọng lực xảy ra giữa những hành tinh tương tác với nhau) giữa những phần khác nhau của chiếc đĩa, cũng như điểm khác biệt trong tình trạng ban đầu. Ngôi sao được hình thành ở trung tâm không là một điểm, mà là một vật được kéo dài ở đâu đó trong khoảng hàng triệu ki-lô-mét đường kính. Và khi những thứ này tập hợp lại, chúng sẽ không tạo thành một mặt phẳng hoàn chỉnh, nhưng khoảng cách giữa chúng lại rất nhỏ. Trên thực tế, ba năm trước, chúng ta vừa tìm ra một hệ hành tinh đầu tiên trong khi quan sát quá trình những hành tinh mới được tạo thành trong một mặt phẳng duy nhất..     

Sure, there are small, subtle differences (and gravitational effects occurring between interacting planets) between different parts of the disk, as well as slight differences in initial conditions. The star that forms at the center isn’t a single point, but rather an extended object somewhere in the ballpark of a million kilometers in diameter. And when you put all of this together, it will lead to everything not winding up in a perfectly singular plane, but it’s going to be extremely close. In fact, we’ve only recently — as in just three years ago — discovered the very first planetary system beyond our own that we’ve caught in the process of forming new planets in a single plane.

Ngôi sao trẻ ở bên trái phía trên trong hình, nằm ngoài phạm vi của vùng tinh vân - HL Tauri, cách khoảng 450 năm ánh sáng - được bao bọc bởi một đĩa tiền hành tinh. Ngôi sao này chỉ khoảng một triệu tuổi. Nhờ có ALMA, một đường ranh giới dài đo ánh sáng của những chiều dài bước sóng khá lớn (mi-li-mét), hoặc nhiều hơn ngàn lần những gì mắt ta có thể thấy, ta có được hình ảnh này.

The young star in the upper left of the image above, on the outskirts of a nebular region — HL Tauri, about 450 light years away — is surrounded by a protoplanetary disk. The star itself is only about one million years old. Thanks to ALMA, a long-baseline array that measures light of quite long (millimeter) wavelengths, or more than a thousand times longer than what our eyes can see, returned the following image.

Đây rõ ràng là một chiếc đĩa, với mọi thứ trên cùng một mặt phẳng và có cả những khoảng trống tối ở bên trong. Mỗi khoảng trống này tương xứng với một hành tinh trẻ bị các vật chất bám trụ lại trong vùng lân cận! Chúng ta không biết được cái nào sẽ hòa vào nhau, cái nào sẽ bị đẩy ra, cái nào sẽ bị chuyển vào trong và bị những ngôi sao mẹ “nuốt mất”, nhưng chúng ta đang chứng kiến một quá trình chủ chốt trong sự phát triển của một hệ Mặt Trời trẻ. Trong những hành tinh trẻ chúng ta quan sát trước đó, quá trình này chưa bao giờ xảy ra. Từ những quá trình đầu tiên, cho tới trung gian, cho tới khi những hệ mặt trời gần được hoàn thành, tất cả những quá trình này đều xảy ra một cách ngoạn mục và chưa hề thay đổi.

It’s clearly a disk, with everything in the same plane, and yet there are dark “gaps” in there. Those gaps each correspond to a young planet that’s attracted all the matter within its vicinity! We don’t know which of these will merge together, which ones will get kicked out, and which ones will migrate inwards and get swallowed by their parent star, but we are witnessing a pivotal step in the development of a young solar system. While we’d observed young planets before, we’ve never seen this particular stage. From the early ones to the intermediate ones to the later stages of more-complete solar systems, they’re all spectacular, and all consistent with the same story.

Vậy tại sao tất cả những hành tinh lại nằm cùng trên một mặt phẳng? Bởi vì chúng được hình thành từ một đám mây khí bất cân xứng, rồi tan biến về hướng ngắn nhất; những vật chất sẽ vỡ ra và dính lấy nhau; chúng thu nhỏ lại về phía trong nhưng quay quanh trung tâm, với những hành tinh được hình thành từ những mảnh không hoàn hảo trong chiếc đĩa vật chất trẻ; tất cả chúng cuốn lại thành quỹ đạo trong cùng một mặt phẳng, chỉ cách nhau khoảng vài độ.

So why are all the planets in the same plane? Because they form from an asymmetric cloud of gas, which collapses in the shortest direction first; the matter goes “splat” and sticks together; it contracts inwards but winds up spinning around the center, with planets forming from imperfections in that young disk of matter; they all wind up orbiting in the same plane, separated only by a few degrees — at most — from one another.

Đây là một trường hợp mà quan sát và mô phỏng, dựa trên tính toán, thực sự ăn ý với nhau. Đây là một điều đáng chú ý, và một điều nữa là, không chỉ nhờ mô phỏng, mà bây giờ việc quan sát vũ trụ có thể cho ta thấy từng chi tiết tới đáng kinh ngạc quá trình những hành tinh đều đi theo quỹ đạo trên cùng một mặt phẳng, bất kể là nơi nào trong vũ trụ.

It’s a case where observations and simulations, based on theoretical calculations, agree remarkably with one another. It’s a remarkable story, and one that — thanks to not only simulations but now observations of the Universe itself — illustrates in incredible detail how rich and fascinating it is that all the planets orbit in the same plane no matter where in the Universe you go!

---------   

Tác giả: Ethan Siegel 

Link bài gốc: https://medium.com/starts-with-a-bang/why-do-all-the-planets-orbit-in-the-same-plane-92ddba8b88d6

Dịch giả: Anne Phan - ToMo: Learn Something New(*)

Bản quyền bài dịch thuộc về ToMo. Khi chia sẻ, cần phải trích dẫn nguồn đầy đủ tên tác giả và nguồn là "Dịch Giả: Anne Phan - Nguồn: ToMo: Learn Something New".

Các bài viết trích nguồn không đầy đủ, ví dụ: "Theo ToMo" hoặc khác đều không được chấp nhận và phải gỡ bỏ. (**)

Follow Facebook ToMo: Learn Something New để cập nhật thông tin bổ ích hàng ngày!