Hệ mặt trời

Hệ Mặt Trời (cũng được gọi là Thái Dương Hệ) là một hệ hành tinh có Mặt Trời ở trung tâm và các thiên thể nằm trong phạm vi lực hấp dẫn của Mặt Trời, gồm 8 hành tinh chính quay xung quanh, 6 trong số các hành tinh này có vệ tinh riêng của chúng, cùng một lượng lớn các vật thể khác gồm các hành tinh lùn (như Diêm Vương Tinh), tiểu hành tinh, sao chổi, bụi và plasma.

So sánh kích thước của các hành tinh hệ Mặt Trời.

Từ trong ra ngoài, Hệ Mặt Trời gồm

• Mặt Trời
• Các hành tinh là Thủy Tinh, Kim Tinh, Trái Đất, Hỏa Tinh, Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh, Hải Vương Tinh.
• Ba hành tinh lùn là Ceres, Diêm Vương Tinh và Eris (được chính thức xếp loại hành tinh lùn kể từ tháng 8 năm 2006).
• Ngoài cùng là Vòng đai Kuiper và Đám Oort.

Các hành tinh còn có các vật thể bay quanh chúng như các vệ tinh tự nhiên, các vòng đai của vài hành tinh (như vành đai Sao Thiên Vương, vành đai Sao Thổ, ...), các vệ tinh nhân tạo. Các tiểu hành tinh cũng có các vệ tinh của chúng.

Xen kẽ giữa các hành tinh có các thiên thạch và bụi cùng các sao chổi. Ngoài ra còn có nhật quyển (heliosphere), cấu trúc lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, được tạo thành từ ảnh hưởng của từ trường quay của Mặt Trời trên plasma, gọi là gió Mặt Trời, choán đầy không gian trong hệ Mặt Trời. Nó hình dạng hình cầu với giới hạn ngoài cũng chính là giới hạn của Hệ Mặt Trời.

Mặt Trời phát ra một nguồn tia liên tục gồm các hạt có khối lượng, ở dạng plasma được biết đến như gió Mặt Trời. Nó tạo thành một vùng có áp suất thấp thâm nhập vào không gian giữa các hành tinh ở mọi hướng, vươn tới khoảng cách ít nhất là mười tỷ dặm tính từ Mặt Trời. Các lượng nhỏ gồm bụi cũng có mặt trong không gian giữa các hành tinh và gây ra hiện tượng ánh sáng hoàng đạo. Một số bụi có lẽ đến từ bên ngoài Hệ Mặt Trời. Sự ảnh hưởng của từ trường quay của Mặt Trời đối với không gian giữa các hành tinh tạo nên kết cấu lớn nhất trong Hệ Mặt Trời, gọi là nhật quyển.

Gió Mặt Trời tạo ra nhiều ảnh hưởng đến khí quyển Trái Đất, tạo ra bão từ, cực quang

Bốn hành tinh kiểu Trái Đất (terrestrial planet) ở vòng trong có đặc trưng ở sự rắn đặc của chúng, được tạo thành từ đá. Chúng được tạo thành trong những vùng nóng hơn gần Mặt Trời, nơi các vật liệu dễ bay hơi hơn đã bay mất chỉ còn lại những thứ có nhiệt độ nóng chảy cao, như silicate, tạo thành vỏ rắn của các hành tinh và lớp phủ bán lỏng bên ngoài, và như sắt, tạo thành lõi của các hành tinh này. Tất cả đều có các hố tạo ra bởi va chạm và nhiều đặc trưng kiến tạo bề mặt, như các thung lũng nứt rạn và các núi lửa. Chúng tự quay quanh trục chậm chạp và có rất ít hoặc không có vệ tinh nào cả. Tổng cộng cả nhóm chỉ có 3 vệ tinh.

Với tính chất lí hóa gần như Trái Đất, nhóm hành tinh bên trong đều có bề mặt là đá (nên lưu giữ được nhiều dấu vết những vụ va chạm với các thiên thạch), nhưng chỉ trên Trái Đất mới có mặt các hợp chất hữu cơ.

Sao Thuỷ, cách Mặt Trời 0,39 AU, là hành tinh nằm gần Mặt Trời nhất và cũng là hành tinh nhỏ nhất, không điển hình nhất trong nhóm. Nó không có khí quyển và hiện nay vẫn chưa quan sát được các hoạt động địa chất. Cái lõi sắt to của nó gợi ý rằng nó từng có vỏ to lớn bên ngoài và cái vỏ đó đã bị lấy đi trong giai đoạn hình thành đầu tiên bởi trọng lực của Mặt Trời.

Sao Kim, cách Mặt Trời 0,72 AU, là hành tinh kiểu Trái Đất thực sự. Giống như Trái Đất, Sao Kim có lớp vỏ silicate dày bao bọc bên ngoài lõi sắt, cũng như một khí quyền đáng kể và bằng chứng về hoạt động địa chất bên trong từng xảy ra trước kia, như các núi lửa. Nó khô hơn Trái Đất, và khí quyển của nó đậm đặc hơn Trái Đất 90 lần, tuy nhiên, chứa chủ yếu thán khí và axít sunfuric.

Trái Đất, cùng vệ tinh tự nhiên Mặt Trăng, cách Mặt Trời 1 AU, là hành tinh lớn nhất trong nhóm bên trong. Trái Đất cũng là nơi duy nhất cho thấy những minh chứng rõ ràng về hoạt động địa chất đang diễn ra. Nó là hành tinh duy nhất có thủy quyển, kích thích sự hình thành các kiến tạo địa chất nhiều tầng. Khí quyển của nó khác biệt căn bản so với các hành tinh trong nhóm, nó đã biến đổi với sự hiện diện của sự sống và chứa 21% ôxi. Vệ tinh của Trái Đất, Mặt Trăng, thỉnh thoảng được coi là một hành tinh kiểu Trái Đất trong cùng quỹ đạo, bởi vì quỹ đạo của nó quay quanh Mặt Trời không bao giờ khép lại tròn một vòng khi quan sát từ bên trên. Mặt Trăng có nhiều đặc tính chung của những hành tinh kiểu Trái Đất khác, mặc dù nó không có lõi sắt bên trong.

Sao Hoả, cách Mặt Trời 1,5 AU, nhỏ hơn Trái Đất và Sao Kim, có khí quyển loãng gồm thán khí. Bề mặt của nó, lỗ chỗ các núi lửa lớn và các rãnh thung lũng như các thung lũng Marineris, cho thấy rằng nó từng có các hoạt động địa chất và chứng cứ hiện nay cho thấy rằng có thể nó còn tiếp tục đển rất gần đây (Trái Đất). Sao Hoả có hai mặt trăng nhỏ được cho là các tiểu hành tinh bị nó tóm được.

Tiểu hành tinh cũng là thiên thể chuyển động quanh Mặt Trời nhưng do có kích thước khá bé (vài chục đến vài trăm km) nên lực hấp dẫn tạo ra không đủ để làm chúng có dạng hình cầu. Trong hệ Mặt Trời có khoảng 100.000 tiểu hành tinh, trong đó khoảng 10% đã được đặt tên. Đại đa số tập trung vào khoảng giữa sao Hỏa và sao Mộc.

Các hành tinh vòng ngoài còn được gọi là những "ông khổng lồ khí" (gas giant), do chúng rất to lớn và chiếm đến 99% khối lượng bay quanh Mặt Trời. Kích thước khổng lồ của chúng và khoảng cách của chúng đến Mặt Trời có nghĩa là chúng có thể giữ lại đa phần hydro và heli bị đẩy ra từ vòng trong do quá nhẹ.

Sao Mộc, cách Mặt Trời 5,2 AU, là hành tinh lớn nhất trong Hệ Mặt Trời. Nó có khối lượng gấp 318 lần Trái Đất, lớn gấp 2,5 lần khối lượng của tất cả các hành tinh khác gộp lại. Thành phần của nó gồm phần lớn gồm hydro và heli, không khác nhiều so với Mặt Trời. Ba trong số 63 vệ tinh của nó, Ganymede, Io và Europa, có các yếu tố chung với các hành tinh, như có núi lửa và nguồn nhiệt bên trong. Sao Mộc có một vành đai đá mờ.

Sao Thổ, cách Mặt Trời 9,5 AU, nổi tiếng vì hệ thống vành đai rộng của mình, có nhiều tính chất chung giống với Sao Mộc, như thành phần khí quyển, mặc dù khối lượng của nó nhỏ hơn nhiều, chỉ gấp 95 lần khối lượng Trái Đất. Hai trong số 49 vệ tinh của nó, Titan và Enceladus, có các dấu hiệu hoạt động địa chất, mặc dù chúng được tạo thành chính từ băng. Titan là vệ tinh duy nhất trong Hệ Mặt Trời có sự hiện diện của một khí quyển đáng kể.

Sao Thiên Vương, cách Mặt Trời 16,9 AU, và Sao Hải Vương, cách Mặt Trời 30 AU, trong khi vẫn có nhiều đặc tính chung với các "ông khổng lồ khí" khác nhưng chúng giống nhau hơn so với Sao Mộc và Sao Thổ. Cả hai đều nhỏ, chỉ gấp 14 và 17 lần Trái Đất. Khí quyển của chúng chứa một phần trăm nhỏ hơn hydro và heli, và một phần lớn hơn "băng", như nước, amoniắc và mêtan. Vì lý do này một số nhà thiên văn cho rằng chúng thuộc đặc tính riêng của chúng, "các hành tinh kiểu Sao Thiên Vương", hay "các ông khổng lồ băng". Cả hai hành tinh đều có hệ vành đai tối và mỏng. Vệ tinh lớn nhất của Sao Hải Vương là Triton, có hoạt động địa chất.

Vòng ngoài còn có các vật thể kiểu sao chổi có quỹ đạo kỳ lạ nằm trong vùng giữa Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, gọi là centaur. Centaur đầu tiên được khám phá là 2060 Chiron, đã được cho là sao chổi vì nó cho thấy một cái đuôi đang phát triển, hay đầu sao chổi, giống như các sao chổi thường thể hiện khi nó đến gần Mặt Trời.

Vùng bên ngoài Sao Hải Vương chứa các thiên thể ngoài Hải Vương Tinh, phần lớn còn chưa được khám phá.

Các sao chổi phần lớn được tạo thành từ băng dễ bay hơi và có quỹ đạo rất lệch tâm, thường điểm cận nhật ở bên trong quỹ đạo của các hành tinh vòng trong và điểm viễn nhật xa bên ngoài Sao Diêm Vương. Các sao chổi chu kỳ ngắn có điểm viễn nhật ở gần hơn, tuy nhiên, một sao chổi già thường bị bay hơi hết những gì có thể bay được khi đi qua gần Mặt Trời thường có nhiều đặc tính của tiểu hành tinh. Các sao chổi chu kỳ dài có chu kỳ kéo dài hàng nghìn năm. Một số sao chổi có quỹ đạo hình hyperbol có thể có nguồn gốc bên ngoài Hệ Mặt Trời.

Điểm kết thúc của Hệ Mặt Trời và là điểm khởi đầu của không gian giữa các sao vẫn chưa được định nghĩa chính xác. Biên giới này được cho là nơi áp suất đẩy ra của gió Mặt Trời cân bằng với lực hấp dẫn từ bên trong Hệ Mặt Trời.

Nhật quyển trải rộng ra phía ngoài tạo thành một hình cầu vĩ đại có bán kính khoảng 95 AU, hay gấp ba lần bán kính quỹ đạo của Sao Diêm Vương. Rìa ngoài của hình cầu là điểm mà ở đó gió Mặt Trời va chạm với các loại gió đối nghịch khác của không gian giữa các sao. Ở đó gió đi chậm lại, đặc lại và trở nên rối loạn hơn, tạo thành một kết cấu hình bầu dục vĩ đại được gọi là nhật bao (heliosheath) có hình dáng và tính chất rất giống đuôi một sao chổi; trải dài ra bên ngoài thêm 40 AU nữa về phía gió sao, nhưng có đuôi về hướng ngược lại dài hơn rất nhiều lần. Biên giới bên ngoài của vỏ, là nhật mãn (heliopause), là điểm mà tại đó gió Mặt Trời cuối cùng cũng kết thúc, và tiến vào không gian liên hành tinh. Phía bên kia của heliopause, ở khoảng 230 AU, có hình cung, là một "đường rẽ nước" do Mặt Trời để lại khi nó di chuyển trong Ngân Hà. Tàu Voyager 1 theo dự kiến sẽ xuyên qua khu vực này vào khoảng năm 2014-2015.

Nhưng cả điểm này cũng không được cho là bên ngoài Hệ Mặt Trời, vì lực hấp dẫn của Mặt Trời vẫn thống trị thậm chí cho tới Mây Oort. Đám mây Oort là một khối to lớn những vật thể đóng băng, hiện vẫn chỉ có tính giả thuyết, được cho là nguồn gốc của những sao chổi thời gian dài và bao quanh Hệ Mặt Trời giống như là một cái vỏ ở khoảng cách 50.000 đến 100.000 AU phía ngoài Mặt Trời, hay thậm chí là nửa đường đến hệ sao khác. Vì thế, đa phần của Hệ Mặt Trời vẫn còn chưa được nghiên cứu.

Hệ Mặt Trời là một phần của thiên hà có tên gọi là Ngân Hà (Sông sao) hay Milky Way (dòng sữa) (trong văn chương còn gọi là sông Ngân), đây là một thiên hà xoắn ốc với đường kính khoảng 100.000 năm ánh sáng chứa khoảng 200 tỷ ngôi sao, trong đó Mặt Trời của chúng ta là một ngôi sao thông thường điển hình.

Hệ Mặt Trời nằm trong Bông Địa phương ở cánh tay của chòm sao Lạp Hộ thuộc Ngân Hà. Khoảng cách từ Hệ Mặt Trời tới tâm của Ngân Hà khoảng từ 25.000 đến 28.000 năm ánh sáng. Vận tốc của hệ Mặt Trời trên quỹ đạo là khoảng 220 km trên s, và nó hoàn thành một chu kỳ quay khoảng 226 triệu năm. Tại vị trí của Hệ Mặt Trời trong dải Ngân Hà thì vận tốc vũ trụ cấp bốn là khoảng 1.000 km/s (tính theo người quan sát ở Trái Đất).

Các sao trong khoảng cách 15 năm ánh sáng

Xung quanh hệ Mặt Trời, trong vòng bán kính cách chúng ta (Trái Đất) 5 parsec (khoảng dưới 17 năm ánh sáng) hiện các nhà khoa học đang thống kê được 49 hệ sao, trong đó có 65 sao sáng và 4 sao lùn nâu

Proxima Centari

Ngôi sao gần hệ Mặt Trời nhất trong dải Ngân Hà là sao lùn đỏ Proxima Centauri trong chòm sao Bán Nhân Mã, cách chúng ta khoảng 4.243±0.002 năm ánh sáng. Cạnh đó là sao đôi Alpha Centauri 4.365±0.007 năm ánh sáng. Sau đó là sao Barnard với khoảng cách 5.98 ± 0.003 năm ánh sáng.

Hệ Mặt Trời có quỹ đạo rất không bình thường trong dải Ngân Hà. Nó vừa rất gần với quỹ đạo tròn vừa gần với khoảng cách chính xác mà từ đó vận tốc quỹ đạo phù hợp với vận tốc của các bước sóng nén tạo ra các nhánh xoắn ốc. Hệ Mặt Trời thuộc về nhánh trong các nhánh xoắn ốc có thể tạo thành sự sống giống như trên Trái Đất. Bức xạ từ các siêu tân tinh trong các nhánh xoắn ốc trên lý thuyết có thể tiêu diệt hay ngăn cản mọi sự sống trên bề mặt các hành tinh. Khác với các phần còn lại của các nhánh xoắn ốc, Trái Đất có thể là một sự khác thường do nó có khả năng tạo thành các hình thái khác nhau của sự sống trên bề mặt của nó.

Lịch sử Hệ Mặt Trời bắt đầu từ cách đây khoảng 5 tỷ năm, với sự hình thành từ một đám mây thể khí gọi là đám bụi Mặt Trời, theo giả thuyết được đưa ra lần đầu tiên năm 1755 bởi Immanuel Kant và được trình bày một cách độc lập bởi Pierre-Simon Laplace.

Để tính ra tuổi Hệ Mặt Trời, có thể đo lượng còn lại của các đồng vị phóng xạ không bền vững không có nguồn sinh ra liên tục sau khi Hệ Mặt Trời hình thành. Bằng cách quan sát xem các đồng vị này đã suy giảm đến mức độ nào, đồng thời biết được chu kỳ bán rã của chúng, có thể tính ra tuổi của chúng. Những hòn đá cổ nhất trên Trái Đất ước tính 3,9 tỷ năm tuổi, tuy nhiên rất khó để tìm được những hòn đá đó vì Trái Đất đã hoàn toàn thay đổi bề mặt của nó. Các thiên thạch, vốn được hình thành trong giai đoạn ban đầu của đám bụi mặt trời, được tìm thấy có tuổi già nhất là 4.6 tỷ năm, suy ra Hệ Mặt Trời đã được hình thành từ cách đây ít nhất 4.6 tỷ năm.

Đám bụi Mặt Trời ban đầu có hình dáng gần giống hình cầu, đường kính 100 AU và có khối lượng bằng 2 đến 3 lần khối lượng Mặt Trời. Theo thời gian, một sự nhiễu loạn, có thể một sao siêu mới bên cạnh, gây sóng hấp dẫn xung kích vào không gian của đám bụi, làm nén đám bụi này, đẩy vật chất của nó sâu vào bên trong, tới lúc lực hấp dẫn vượt qua áp suất khí bên trong và nó bắt đầu sụp đổ.

Khi đám bụi sụp đổ, nó giảm kích thước, điều này làm nó xoay tròn nhanh hơn để giữ mô men động lượng bảo toàn. Các định luật cơ học cho thấy kết quả của các lực hấp dẫn, áp suất khí, và lực ly tâm trong chuyển động quay khiến cho đám bụi bắt đầu trở nên dẹt thành hình một cái đĩa quay tròn với một chỗ phình lên ở giữa, gọi là đĩa bụi Mặt Trời. Mặt phẳng trung bình của đĩa bụi này rất gần với mặt phẳng hoàng đạo sau này.

Khi đĩa bụi Mặt Trời trở nên đặc hơn, một hình thức đầu tiên của sao trung tâm (tức Mặt Trời sau này) được tạo thành ở giữa, gọi là tiền Mặt Trời. Hệ này được sự ma sát của các viên đá va chạm vào nhau làm nóng lên. Những nguyên tố nhẹ hơn như hydro và heli thoát khỏi phần tâm và tràn ra phía rìa ngoài của đĩa, để lại các nguyên tố nặng tập trung bên trong, hình thành bụi và đá ở trung tâm. Các nguyên tố nặng hơn kết thành khối với nhau để tạo thành các tiểu hành tinh và các tiền hành tinh. Ở vùng ngoài của tinh vân này, băng và các khí dễ bay hơi còn tồn tại, và như một kết quả, các hành tinh bên trong là đá và các hành tinh bên ngoài có đủ khối lượng để giữ lại lượng lớn các khí nhẹ, như hydro và heli.

Sau 100 triệu năm, áp suất và sự cô đặc hydrô ở trung tâm của đĩa bụi sụp đổ trở lên đủ lớn để tiền Mặt Trời duy trì các phản ứng nhiệt hạch. Kết quả của việc này, hydro bị biến thành heli trong các phản ứng đó, và một lượng lớn nhiệt được toả ra.

Trong thời gian đó, tiền Mặt Trời biến thành Mặt Trời và các tiền hành tinh và tiền tiểu hành tinh biến thành các hành tinh thông qua sự tập trung dần dần khối lượng. Tất cả các hành tinh được hình thành trong một thời gian ngắn, khoảng vài triệu năm. Chúng đều có quỹ đạo nằm gần mặt phẳng trung bình của đĩa bụi ban đầu; nghĩa là mặt phẳng hoàng đạo (mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất) cũng nằm gần mặt phẳng trung bình này và gần với các mặt phẳng quỹ đạo của các hành tinh khác.

Có giả thuyết cho rằng Mặt Trời có thể là một phần trong một hệ sao đôi, với một ông bạn đồng hành được gọi là Nemesis. Nemesis được cho là có thể giải thích một số trạng thái đều đặn về thời gian của sự tuyệt chủng của cuộc sống trên Trái Đất. Các lý thuyết cho rằng Nemesis tạo ra các xáo trộn định kỳ trong đám mây Oort gồm các sao chổi bay quanh Hệ Mặt Trời, gây ra các "cơn mưa sao chổi". Một số chúng va chạm với Trái Đất, gây ra sự huỷ diệt sự sống. Lý thuyết này không còn được nhiều nhà khoa học cho là nghiêm túc, phần lớn bởi vì các quan sát hồng ngoại không thể tìm thấy bất kỳ một vật thể nào như vậy, vốn phải dễ nhận thấy với các bước sóng đó.