Đối mặt với vũ trụ chưa biết,
Con người luôn là những đứa trẻ tò mò.
"Ồ, kiến thức thiên văn của tôi đã tăng lên rồi!" [Số 25]
Câu hỏi 1:
Wanling Louise [Câu hỏi] Tại sao một số ngôi sao có vành đai và một số thì không?
MỘT:
Khi nói về vành đai hành tinh, điều đầu tiên mọi người nghĩ đến có lẽ là Sao Thổ với quầng sáng riêng của nó. Suy cho cùng, hình ảnh này quá kinh điển đến nỗi nó đã ăn sâu vào trái tim mọi người.
Sao Thổ với các vành đai của nó, đây là màn hình bảo vệ máy tính để bàn mà tôi tự sử dụng, được tạo bởi SpaceEngine / Xu Penghui
Điều chắc chắn là trong số tám hành tinh trong hệ mặt trời, Sao Thổ không phải là hành tinh duy nhất có vành đai hành tinh. Ngoài Sao Thổ, Sao Mộc, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương cũng có vành đai hành tinh riêng, nhưng vành đai hành tinh của chúng tương đối mờ và khó phát hiện. Ngược lại, không có vành đai hành tinh nào được tìm thấy xung quanh bốn hành tinh đá (Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa).
Một bức ảnh chụp ngược sáng các vành đai của sao Hải Vương. Bức ảnh này được ghép lại từ hai bức ảnh chụp bởi tàu Voyager 2 vào năm 1989. Vì vành đai của Sao Hải Vương rất tối nên chính Sao Hải Vương quá sáng phải được đưa ra khỏi tầm nhìn khi chụp ảnh, và các vành đai ở cả hai bên được chụp riêng biệt. / Mạng Internet
Nguyên nhân của sự khác biệt này là gì? Các nhà khoa học suy đoán rằng sự hình thành của vành đai hành tinh có liên quan đến khối lượng và lực hấp dẫn của chính hành tinh đó. Các hành tinh có khối lượng lớn hơn, chẳng hạn như Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, có lực hấp dẫn mạnh hơn. Một mặt, điều này sẽ giúp chúng thu hút nhiều vật chất liên hành tinh hơn làm cơ sở vật chất cho sự hình thành các vành đai hành tinh; Mặt khác, khối lượng và trọng lực lớn hơn khiến chúng có bán kính giới hạn Roche lớn hơn. Trong bán kính giới hạn Roche, vật chất sao hoàn chỉnh như vệ tinh sẽ không thể duy trì hình dạng của chính nó dưới tác động thủy triều của hành tinh và sẽ bị xé toạc, tạo thành một vành đai vật chất mảnh vụn bao quanh hành tinh. Lấy vành đai của Sao Thổ làm ví dụ, một suy đoán cho rằng vành đai của Sao Thổ được hình thành do Sao Thổ sử dụng khối lượng khổng lồ của chính nó để tích tụ vật chất từ không gian liên hành tinh.
Một suy đoán quan trọng khác là vành đai của Sao Thổ có nguồn gốc từ một vệ tinh bị vỡ của Sao Thổ. Một phiên bản trước đó của suy đoán này cho rằng vành đai của Sao Thổ có thể hình thành khi một mặt trăng có kích thước tương tự như Mimas bị vỡ tan hoàn toàn sau nhiều vụ va chạm. Một phiên bản mới hơn cho rằng vệ tinh này có thể đã bị Sao Thổ nuốt chửng trong thời kỳ Sao Thổ hình thành, nhưng trong quá trình nuốt chửng, lớp phủ băng của vệ tinh dần dần bị kéo ra khỏi phần thân chính của vệ tinh, tạo thành vành đai vật chất hình vành đai. Sau một thời gian dài tiến hóa, vành đai Sao Thổ ngày nay hình thành chủ yếu từ nước đá.
Các vành đai hành tinh khổng lồ của J1407b, được tạo ra bởi SpaceEngine / Network
Nhưng những phát hiện mới cho thấy vành đai hành tinh có thể có cơ chế hình thành khác. Năm 2007, các nhà khoa học đã phát hiện ra sự chuyển động bất thường của ngôi sao J1407. Sau đó, vào năm 2012, các nhà khoa học đã xác nhận sự tồn tại của ngoại hành tinh J1407b và các vành đai hành tinh của nó thông qua việc giải thích chi tiết dữ liệu quan sát có liên quan. Điều đáng ngạc nhiên là hành tinh này thực sự có vành đai hành tinh với bán kính 0,6 AU. Bán kính vành đai lớn như vậy rõ ràng đã vượt quá bán kính giới hạn Roche của hành tinh này, và theo cách giải thích dữ liệu quan sát của các nhà khoa học, các vệ tinh dường như đang được hình thành bên trong vành đai của hành tinh. Điều này cho thấy rằng các vành đai hành tinh có thể không ổn định so với toàn bộ vòng đời của hành tinh (thang thời gian hàng tỷ năm) và sự hình thành và biến mất của chúng là một quá trình động.
Haumea với các vành đai. Tỷ lệ khung hình của hình ảnh không được nén. Haumea thực chất có hình quả trứng. Hình ảnh được tạo ra bởi SpaceEngine/Internet
Ngoài các hành tinh, các nhà khoa học còn phát hiện ra rằng một số tiểu hành tinh cũng có vành đai riêng. Haumea, 10199 Haumea, 2060 Haumea và các thiên thể khác cũng được phát hiện có cấu trúc vành đai, nhưng lực hấp dẫn của các thiên thể nhỏ này rõ ràng là không đủ để xé toạc các thiên thể khác gần chúng. Những khám phá này đã mở ra một bức màn mới về vành đai sao, cho thấy có thể có những cơ chế chưa được biết đến cho sự hình thành vành đai sao.
[Robot thông minh: Bạn hỏi tôi tại sao tôi cũng... (thở dài)]
Câu hỏi 2:
Lin Bingguo [Câu hỏi] Vành đai của sao Thổ được hình thành như thế nào? Nếu là do trọng lực thì tại sao lại có khoảng trống?
MỘT:
Chúng ta vừa nói về cơ chế hình thành vành đai hành tinh. Ở đây chúng tôi chủ yếu sẽ giải thích nguyên nhân gây ra khoảng trống trong vành đai của Sao Thổ.
Một nguyên nhân là do cộng hưởng quỹ đạo vệ tinh. Về cộng hưởng quỹ đạo, ví dụ điển hình nhất là ảnh hưởng của Sao Mộc đến sự phân bố bán trục lớn của các tiểu hành tinh trong vành đai tiểu hành tinh: các tiểu hành tinh có chu kỳ quỹ đạo là tỷ số nguyên của chu kỳ quỹ đạo của Sao Mộc sẽ bị tác động định kỳ bởi lực hấp dẫn của Sao Mộc và sẽ bị kéo ra khỏi quỹ đạo ban đầu của chúng, khiến chúng không thể hoạt động ổn định. Hiệu ứng này cũng tồn tại ở vành đai của Sao Thổ. Khe hở Cassini nổi tiếng là "kiệt tác" của Mimas. Vị trí có khoảng trống này có chu kỳ quỹ đạo bằng đúng một nửa chu kỳ quỹ đạo của Mimas.
Cassini Gap, Encke Gap và Sao Thổ, được tạo ra bởi SpaceEngine / G. Cataldo, 2015
Một nguyên nhân khác là do vệ tinh được vệ sinh trực tiếp. Ngoài ra còn có các vệ tinh của Sao Thổ trong vành đai của Sao Thổ. Một số vệ tinh này sử dụng lực hấp dẫn riêng của chúng để dọn sạch vật liệu vành đai Sao Thổ trên quỹ đạo của chúng, để lại một khoảng trống vành đai. Khoảng cách Encke đã được vệ tinh Saturn của Sao Thổ dọn sạch.
[Robot thông minh: Vệ tinh nhỏ có khẩu vị tốt~]
Câu hỏi 3:
Dương Minh nhìn từ bên ngoài [Câu hỏi] Tại sao lại có sự khác biệt lớn như vậy về tỷ lệ chiều rộng và độ dày của vành đai Sao Thổ?
MỘT:
Chiều rộng của vành đai Sao Thổ là khoảng 100.000 km (một số nghiên cứu cho thấy nó có thể còn lớn hơn), trong khi độ dày chỉ là 10 mét, chênh lệch gần 10 triệu lần. Để hiểu tại sao lại có sự khác biệt lớn về tỷ lệ khung hình này, có lẽ chúng ta có thể xem xét điều gì sẽ xảy ra nếu vành đai của Sao Thổ dày hơn nhiều so với hiện tại.
Nếu độ dày hiện tại của vành đai Sao Thổ tăng lên - chẳng hạn, khoảng 100-1000 km - và giả sử rằng chúng không tập hợp lại thành vệ tinh, thì vành đai sẽ có hình dạng "bánh rán". Vì vòng tròn này quay với tâm là Sao Thổ nên các mảnh vỡ bên ngoài mặt phẳng trung tâm của "hình bánh rán" chắc chắn sẽ đi qua mặt phẳng trung tâm theo định kỳ. Ngoài ra, vì vật liệu trong "hình bánh rán" được phân bố gần như đều nên các mảnh vỡ này sẽ va chạm khi chúng di chuyển lên xuống mặt phẳng trung tâm. Theo thời gian, các mảnh vỡ ở cả hai bên mặt phẳng trung tâm sẽ bù trừ các thành phần vận tốc dọc của nhau do va chạm. Cuối cùng, hầu hết các mảnh vỡ sẽ tập trung quỹ đạo của chúng vào mặt phẳng trung tâm, tạo thành một vành đai hành tinh cực kỳ phẳng. (Quá trình này phải kèm theo hình ảnh, nhưng SpaceEngine không có chức năng tạo vật thể tự nhiên nên tôi không thể vẽ được. Vì vậy, tôi phải nhờ trình biên tập cung cấp hình ảnh. Nhớ xóa nội dung trong ngoặc sau nhé.)
((இдஇ; ) Tôi cũng không thể vẽ dày được, tôi có thể cho một vài chiếc bánh rán vào được không?)
Tất nhiên, ngoài việc đặc điểm của vành đai hành tinh quyết định vành đai này sẽ không quá dày, một số vệ tinh của Sao Thổ được đề cập ở trên cũng đóng vai trò "người chăn dắt" ở một mức độ nhất định, duy trì hình dạng cơ bản của vành đai Sao Thổ để chúng không lan rộng vào trong hoặc ra ngoài. Do sự va chạm của các hạt bên trong vành đai, bản thân vành đai hành tinh có xu hướng khuếch tán vào trong và ra ngoài. Các vệ tinh nằm bên trong hoặc bên ngoài vành đai có thể sử dụng lực hấp dẫn của riêng mình để đẩy các hạt ở bên trong vành đai ra ngoài hoặc đẩy các hạt ở bên ngoài vành đai vào trong, do đó giúp duy trì hình dạng. Ví dụ, vệ tinh Prometheus của Sao Thổ và vệ tinh Prometheus của Sao Thổ là "vệ tinh chăn dắt" của vành đai F.
Prometheus, Pantheon và vành đai F (đường mỏng giữa hai vệ tinh), được tạo ra bởi SpaceEngine / SpaceEngine
[Robot thông minh: meo meo~]
Câu hỏi 4:
Dương Minh nhìn từ bên ngoài [Câu hỏi] Tại sao vành đai của Sao Thổ là vành đai duy nhất lớn bằng Sao Thổ trong tám hành tinh?
MỘT:
Trong số bốn hành tinh có vành đai, vành đai của Sao Thổ thực sự là lớn nhất. Tại sao Sao Thổ lại là hành tinh duy nhất có vành đai hành tinh lớn nhất và sáng nhất trong toàn bộ hệ mặt trời, chúng ta vẫn chưa biết (con người biết rất ít về vành đai hành tinh).
So với các vành đai hành tinh khác, vành đai của Sao Thổ độc đáo ở chỗ thành phần chính của chúng là nước đá chứ không phải bụi và mảnh vụn đá, điều này giúp chúng có khả năng phản xạ cao hơn và dễ nhìn thấy hơn từ góc nhìn có đèn chiếu trực diện (vành đai của ba hành tinh khác đã được xác nhận và phát hiện bởi tàu vũ trụ chụp ảnh từ góc nhìn ngược sáng). Ngoài ra, theo dữ liệu từ giai đoạn cuối của sứ mệnh Cassini, vành đai của Sao Thổ có thể chỉ mới hình thành từ 10 đến 100 triệu năm tuổi, đây không phải là khoảng thời gian quá dài để hình thành. Có thể chúng ta đã tình cờ chứng kiến vành đai của Sao Thổ vào thời điểm ngoạn mục nhất của chúng trong hàng trăm triệu năm, và ngay cả loài khủng long ở kỷ Jura cũng có thể không có cơ hội nhìn thấy điều đó (nếu chúng có phương tiện quan sát tương ứng).
[Robot thông minh: Thân thể ngôi sao: Thời gian và số phận.] 】
Hình ảnh Cassini rơi vào bầu khí quyển của Sao Thổ/NASA
Câu hỏi 5:
Happy Home [Câu hỏi] Tại sao Trái Đất không có vành đai?
MỘT:
Sự hình thành vành đai hành tinh trước tiên đòi hỏi cơ sở vật chất. Không gian liên hành tinh gần Trái Đất tương đối "sạch", không có nhiều bụi, nước đá, mảnh vụn đá và các vật liệu khác có thể hình thành vành đai hành tinh. Thứ hai, so với những “người khổng lồ” bên ngoài, Trái Đất chỉ là một “thứ nhỏ bé”. Nó có khối lượng nhỏ và bán kính giới hạn Roche nhỏ. Nếu một vành đai hành tinh lớn như Sao Thổ được đặt trên Trái Đất, Trái Đất sẽ không thể giữ được nó. Những vật liệu vành đai hành tinh này cuối cùng có thể tập hợp thành một hoặc nhiều vệ tinh. Hiện nay có một giả thuyết cho rằng Mặt Trăng có nguồn gốc từ một vành đai vật chất xung quanh Trái Đất. Cuối cùng, Trái Đất có một vệ tinh tự nhiên, Mặt Trăng, giúp “dọn dẹp sân”. Ngay cả khi có các vành đai hành tinh trong không gian giữa Trái Đất và Mặt Trăng, Mặt Trăng vẫn có thể dần xóa bỏ chúng thông qua cộng hưởng quỹ đạo, khiến chúng không thể tồn tại ổn định.
Tuy nhiên, không có gì là tuyệt đối và sự tồn tại của vành đai hành tinh cũng vậy. Sao Hỏa, một hành tinh đá giống như Trái Đất, hiện không có vành đai hành tinh, nhưng điều này không có nghĩa là nó sẽ không có vành đai trong tương lai. Khoảng cách giới hạn Roche của sao Hỏa là khoảng 4.500 km và Phobos hiện đang tiến gần đến sao Hỏa dưới tác động của lực hấp dẫn của sao Hỏa và cuối cùng sẽ phải đối mặt với sự tan rã trong hàng chục triệu năm nữa. Sau khi tan rã, nó sẽ biến thành vành đai hành tinh của sao Hỏa và tiếp tục chiếu sáng bầu trời sao Hỏa.
[Robot thông minh: Nhẫn sao không phải là thứ bạn có thể có được chỉ vì bạn muốn. 】
Hình ảnh tưởng tượng của vành đai sao Hỏa/Internet
Câu hỏi 5:
Xiyue [Câu hỏi] Nếu mặt trăng vỡ thành vành đai sao, trái đất sẽ trông như thế nào?
MỘT:
Đầu tiên, chúng ta hãy xem xét điều kiện nào khiến Mặt Trăng tách ra thành vành đai hành tinh?
Nếu muốn phá vỡ Mặt Trăng thành nhiều mảnh ngay tại chỗ, con người không thể làm được điều đó bằng sức mạnh hiện tại của mình, nên kịch bản có khả năng xảy ra nhất là một thiên thể ngoài hành tinh có kích thước không nhỏ so với Mặt Trăng đã đập vỡ Mặt Trăng thành nhiều mảnh. Tuy nhiên, các vành đai hành tinh hình thành theo cách này không đủ ổn định. Những mảnh vỡ này trên quỹ đạo Mặt Trăng vẫn có cơ hội tập hợp lại và tạo thành một vệ tinh mới vào một thời điểm nào đó sau vụ va chạm, vì Mặt Trăng ban đầu có thể được hình thành từ một vành đai vật chất quay quanh Trái Đất.
Do đó, chúng ta có thể thử phương pháp thứ hai, đó là kéo Mặt Trăng vào giới hạn Roche của Trái Đất và sử dụng lực hấp dẫn của Trái Đất để xé Mặt Trăng thành nhiều mảnh. Tuy nhiên, phương pháp này cũng không thể thực hiện được bằng sức mạnh hiện tại của con người, vì nó đòi hỏi phải kéo Mặt Trăng đến khoảng cách chỉ 9.500 km so với Trái Đất, rất gần so với khoảng cách hiện tại giữa Trái Đất và Mặt Trăng - 380.000 km (nếu thao tác này thất bại, Trái Đất và Mặt Trăng có thể va chạm).
Đây chính là khoảng cách bình thường giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Hình ảnh được tạo bởi SpaceEngine. / Động cơ không gian
Nhưng khi mặt trăng chỉ cách trái đất 9.500 km... / SpaceEngine
Nhìn từ Trái Đất, kích thước của mặt trăng ở độ cao 9.500 km sẽ rất đáng sợ. / Động cơ không gian
Nhưng dù thế nào đi nữa (gian lận trong Trái đất OL), chúng ta vẫn có thể kéo Mặt trăng vào giới hạn Roche của Trái đất và xé nó thành một vành đai hành tinh hoàn chỉnh (tạm gọi là "Vành đai Trái đất"). Chuyện gì sẽ xảy ra sau đó?
Một kết quả có thể thấy được bằng một phép tính nhỏ là một lượng lớn vật chất từ Mặt Trăng sẽ biến thành thiên thạch và đâm vào Trái Đất. Khối lượng của mặt trăng không thể bị đánh giá thấp. Ngay cả những thứ lớn như vành đai của Sao Thổ cũng không vượt quá một phần nghìn khối lượng của Mặt Trăng, chứ đừng nói đến "vành đai của Trái Đất". Do đó, phần lớn vật chất trên Mặt Trăng sẽ biến đổi thành các thiên thể nhỏ và va vào bề mặt, đây sẽ là một thảm họa chưa từng có.
Có vẻ như đây không phải là kết quả mà chúng ta có thể chấp nhận được - phá hủy Trái Đất để tạo thành "vành đai Trái Đất". Do đó, chúng ta một lần nữa cho rằng sau khi Mặt Trăng vỡ ra, ngoại trừ phần vật chất được dùng để hình thành nên "vành đai Trái Đất", phần vật chất còn lại sẽ bị ném vào không gian liên hành tinh bởi một số quá trình hấp dẫn và không va chạm trực tiếp vào Trái Đất để gây hại. Chuyện gì sẽ xảy ra tiếp theo?
"Vành đai Trái Đất" nhìn từ không gian. / Động cơ không gian
Trước hết, do lực thủy triều của mặt trời nên hiện tượng thủy triều vẫn tồn tại, nhưng biên độ triều lên và triều xuống sẽ nhỏ hơn trước, hiện tượng triều lên và triều xuống sẽ biến mất. Ngoài ra, những thay đổi về độ nghiêng của trục quay Trái Đất sẽ rõ rệt hơn bao giờ hết vì tác dụng ổn định của Mặt Trăng đã không còn nữa. Cùng với những thay đổi ngày càng tăng về độ nghiêng của trục quay, "vành đai Trái Đất" sẽ làm thay đổi khí hậu toàn cầu bằng cách chặn ánh sáng mặt trời. Những điều này sẽ gây ra tác động phá hoại đến hệ sinh thái của Trái Đất. Hơn nữa, là sản phẩm bổ sung của "vành đai Trái Đất", khả năng thiên thạch rơi và sao băng sẽ tăng lên rất nhiều. Nguyên nhân là do Trái Đất sẽ dần dần "nuốt" khối lượng của "vành đai Trái Đất" từ bên trong (Cassini đã quan sát thấy hiện tượng tương tự trên Sao Thổ). Tuy nhiên, có lẽ tác động trực tiếp nhất của "Vành đai Trái đất" đến công nghệ của con người là trở ngại lớn mà nó gây ra đối với việc phóng tàu vũ trụ. Sự tồn tại của "Vành đai Trái Đất" sẽ khiến các vệ tinh, tàu vũ trụ và trạm vũ trụ ở quỹ đạo trung bình và thấp phải đối mặt với nguy cơ bị mảnh vỡ vũ trụ đâm phải cao hơn bao giờ hết, đồng thời mạng lưới chòm sao vệ tinh, định vị và truyền thông sẽ phải đối mặt với những khó khăn chưa từng có.
Ngắm "vành đai Trái Đất" khổng lồ trên bầu trời lúc chạng vạng. / Động cơ không gian
Vì vậy, trong khi vành đai địa lý sẽ khiến Trái Đất trông đẹp hơn cả khi nhìn từ ngoài không gian và từ mặt đất, cuộc sống của chúng ta trên Trái Đất có thể không tốt hơn so với khi chúng ta chỉ có Mặt Trăng.
[Robot thông minh: Nào, bắt đầu hành động đi. 】
Ít nhất khi có trăng, thỉnh thoảng bạn có thể cầm nó trong tay như thế này
Số tháng 11 của "Thiên văn học quốc gia Trung Quốc"
Cảm ơn nhóm nghiên cứu Strange Astronomy Knowledge Think Tank đã giúp đỡ hào phóng / Xu Penghui
Đánh giá khoa học/ Gou Lijun
Lập kế hoạch/Huang Jingyi Huaichen Biên tập/Huaichen Nuonuo
Thiên văn học quốc gia Trung Quốc
Thiên văn học quốc gia Trung Quốc
ID WeChat: chineseastronomy
Tạp chí "Thiên văn học quốc gia Trung Quốc" được Đài quan sát thiên văn quốc gia tài trợ.
Tạp chí này hướng đến công chúng, cung cấp nội dung thiên văn học và đời sống văn hóa mang tính khoa học, văn hóa, nghệ thuật và sưu tầm.
