Nếu các hành tinh hình thành từ một đám mây khí quay khổng lồ, với một ngôi sao trung tâm quay ở trung tâm của nó, làm thế nào một hành tinh đến quỹ đạo theo hướng đối diện với ngôi sao của nó?
Các nhà thiên văn học đã phát hiện ra hơn 500 hành tinh ngoài hệ mặt trời - các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác ngoài mặt trời - kể từ năm 1995. Nhưng chỉ trong vài năm gần đây, các nhà thiên văn học đã quan sát thấy rằng - trong một số hệ thống này - ngôi sao đang quay một chiều và hành tinh này quay quanh một chiều Ở hướng ngược lại. Điều đó có vẻ kỳ lạ, vì các hành tinh được cho là hình thành từ những đám mây khí và bụi khổng lồ đang quay tròn, với một ngôi sao quay tương tự ở giữa nó.
Những ngôi sao được biết đến thực hiện điều này là những ngôi sao nóng bỏng của Jupiter - những hành tinh khổng lồ to lớn như hành tinh lớn nhất trong hệ mặt trời của chúng ta - nhưng quay quanh rất gần với ngôi sao trung tâm của chúng. Chi tiết về một nghiên cứu giải thích hiện tượng này sẽ xuất hiện vào ngày 12 tháng 5 năm 2011 trên tạp chí Thiên nhiên.
Nghệ sĩ ấn tượng của một Jupiter nóng. Tín dụng hình ảnh: NASA
Frederic A. Rasio, nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại Đại học Tây Bắc, là tác giả cao cấp của bài báo. Anh nói:
Điều đó thật kỳ lạ, và nó thậm chí còn kỳ lạ hơn vì hành tinh này rất gần với ngôi sao. Làm thế nào người ta có thể quay một chiều và cách khác quay quanh chính xác theo cách khác? Thật là điên rồ. Nó rõ ràng vi phạm hình ảnh cơ bản nhất của chúng ta về sự hình thành hành tinh và ngôi sao.
Tìm hiểu làm thế nào những hành tinh khổng lồ này đến rất gần với các ngôi sao của họ đã khiến Rasio và nhóm nghiên cứu của ông khám phá quỹ đạo bị lật của chúng. Sử dụng các mô phỏng máy tính quy mô lớn, họ là những người đầu tiên mô hình làm thế nào một quỹ đạo sao Mộc nóng bỏng có thể lật và đi theo hướng ngược lại với vòng quay ngôi sao. Theo các mô phỏng này, các nhiễu loạn hấp dẫn của một hành tinh xa hơn rất nhiều có thể dẫn đến việc Sao Mộc nóng có cả một hành tinh sai cách và một quỹ đạo rất gần, theo các mô phỏng này.
Khi bạn nhận được nhiều hơn một hành tinh, các hành tinh nhiễu loạn lẫn nhau. Điều này trở nên thú vị bởi vì điều đó có nghĩa là bất cứ quỹ đạo nào chúng được hình thành trên isn nhất thiết phải là quỹ đạo mà chúng sẽ tồn tại mãi mãi. Những nhiễu loạn lẫn nhau này có thể thay đổi quỹ đạo, như chúng ta thấy trong các hệ thống ngoài hệ mặt trời này.
Để giải thích cấu hình đặc biệt của hệ thống ngoài hệ mặt trời, các nhà nghiên cứu cũng đã thêm vào sự hiểu biết chung của chúng ta về sự hình thành và tiến hóa của hệ hành tinh và phản ánh những phát hiện của chúng có ý nghĩa gì đối với hệ mặt trời của chúng ta, bao gồm mặt trời, Trái đất và các hành tinh khác.
Chúng ta đã nghĩ rằng hệ mặt trời của chúng ta là điển hình trong vũ trụ, nhưng từ ngày đầu, mọi thứ trông thật kỳ lạ trong các hệ hành tinh ngoài hệ mặt trời. Điều đó làm cho chúng tôi kỳ quặc, thực sự. Tìm hiểu về các hệ thống khác này cung cấp một con lừa cho hệ thống của chúng tôi đặc biệt như thế nào. Chúng tôi chắc chắn dường như sống ở một nơi đặc biệt.
Vật lý mà nhóm nghiên cứu sử dụng để giải quyết vấn đề về cơ bản là cơ học quỹ đạo, Rasio nói - cùng loại vật lý mà NASA sử dụng cho các vệ tinh xung quanh hệ mặt trời.
Smadar Naoz, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Tây Bắc và là thành viên Gruber, nói:
Đó là một vấn đề đẹp bởi vì câu trả lời đã có cho chúng tôi rất lâu. Nó cùng một vật lý, nhưng không ai nhận thấy nó có thể giải thích các sao Mộc nóng và quỹ đạo bị lật.
Rasio nói thêm:
Làm các phép tính không rõ ràng hoặc dễ dàng. Một số phép tính gần đúng được sử dụng bởi những người khác trong quá khứ thực sự không hoàn toàn đúng. Chúng tôi đã làm điều đó đúng lần đầu tiên sau 50 năm, phần lớn nhờ vào sự kiên trì của Smadar. Nó cần một người trẻ, thông minh, người đầu tiên có thể thực hiện các phép tính trên giấy và phát triển một mô hình toán học đầy đủ và sau đó biến nó thành một chương trình máy tính giải các phương trình. Đây là cách duy nhất chúng ta có thể tạo ra các số thực để so sánh với các phép đo thực tế được thực hiện bởi các nhà thiên văn học.
Trong mô hình của họ, các nhà nghiên cứu giả định một ngôi sao tương tự mặt trời và một hệ thống có hai hành tinh. Hành tinh bên trong là một khối khí khổng lồ tương tự Sao Mộc, và ban đầu nó ở rất xa ngôi sao, nơi các hành tinh kiểu Sao Mộc được cho là hình thành. Trong hệ thống mô phỏng này, hành tinh bên ngoài cũng khá lớn và cách xa ngôi sao hơn hành tinh đầu tiên. Nó tương tác với hành tinh bên trong, gây nhiễu loạn và làm rung chuyển hệ thống.
Các hiệu ứng trên hành tinh bên trong là yếu nhưng tích tụ trong một khoảng thời gian rất dài, dẫn đến hai thay đổi đáng kể trong hệ thống. Đầu tiên, người khổng lồ khí bên trong bắt đầu quay quanh rất gần ngôi sao của nó. Thứ hai, quỹ đạo hành tinh đó đi theo hướng ngược lại với vòng quay ngôi sao trung tâm. Các thay đổi xảy ra, theo mô hình, bởi vì hai quỹ đạo đang trao đổi động lượng góc và bên trong mất năng lượng thông qua thủy triều mạnh.
Sự kết hợp hấp dẫn giữa hai hành tinh khiến hành tinh bên trong đi vào quỹ đạo lệch tâm, hình kim. Nó phải mất rất nhiều động lượng góc, điều này làm bằng cách ném nó vào hành tinh bên ngoài. Quỹ đạo của hành tinh bên trong dần dần co lại vì năng lượng bị tiêu tán qua thủy triều, kéo sát ngôi sao và tạo ra một Sao Mộc nóng. Trong quá trình, quỹ đạo của hành tinh có thể lật.
Chỉ có khoảng một phần tư các nhà thiên văn học Quan sát các hệ thống Sao Mộc nóng này cho thấy các quỹ đạo bị lật. Mô hình Tây Bắc cần có khả năng tạo ra cả quỹ đạo lật và không lật, và nó cũng vậy, Rasio nói.
Tóm lại: Một nghiên cứu giải thích quỹ đạo bị lật của các hành tinh nóng giống như sao Mộc sẽ xuất hiện vào ngày 12 tháng 5 trên tạp chí Thiên nhiên. Một nhóm nghiên cứu của Đại học Tây Bắc đã sử dụng cơ học quỹ đạo để giải thích hiện tượng này. Công việc của họ cho thấy hoạt động của hệ mặt trời của chúng ta là độc nhất.