Các hành tinh khổng lồ của Hệ Mặt Trời tan rã trong 9 trên 10 mô phỏng

Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương từ lâu được xem là bộ máy bền vững nhất trong Hệ Mặt Trời, một tập hợp quỹ đạo được cho là sẽ tồn tại lâu hơn vũ trụ rất nhiều lần. Các mô phỏng mới cho thấy chính Mặt Trời sẽ phá vỡ bộ máy đó khi đi đến cuối đời, nhiều khả năng trong vòng khoảng một tỷ năm kể từ khi nó trở thành sao lùn trắng.

Nguyên nhân nằm ở cách Mặt Trời mất khối lượng. Các tính toán trước đây giả định một Mặt Trời đang chết sẽ trút bỏ các lớp ngoài một cách êm ái, như một chỗ rò rỉ chậm, khiến mọi quỹ đạo giãn rộng mà không làm xáo trộn trật tự các hành tinh. Công trình mới của Konstantin Batygin và Jim Fuller thuộc Caltech, cùng Fred Adams thuộc University of Michigan, xuất phát từ bằng chứng rằng các ngôi sao đang hấp hối phóng ra lớp vỏ của chúng thành những đợt riêng biệt, bất đối xứng. Mỗi đợt khiến Mặt Trời bị đẩy nhẹ, và các hành tinh cảm nhận từng cú đẩy ấy.

Qua hàng trăm tương lai được mô phỏng, những cú đẩy đó tích lũy lại. Trong kịch bản mà các tác giả cho là gần với quan sát nhất, khoảng 40% các Hệ Mặt Trời mô phỏng đã bị phá vỡ hoặc xáo trộn dữ dội vào thời điểm sao lùn trắng hình thành, và xấp xỉ chín trên mười hệ tan rã trong vòng 3 tỷ năm. Ở một số lượt chạy, Sao Thổ bị hất văng hoàn toàn khỏi Hệ Mặt Trời. Ở những lượt khác, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương đổi chỗ cho nhau.

Nếu kết quả này được xác nhận, sự kết thúc của Hệ Mặt Trời không còn là một tai nạn xa vời do một ngôi sao đi ngang gây ra. Nó trở thành một phần trong cách Mặt Trời chết đi, và lập luận tương tự mở rộng tới gần như mọi hệ hành tinh trong thiên hà, bởi hầu như tất cả các ngôi sao đều kết thúc vòng đời dưới dạng sao lùn trắng.

Vì sao một Mặt Trời đang chết lại đá văng các hành tinh của chính nó

Trong khoảng 5 tỷ năm nữa, Mặt Trời sẽ phình lên thành sao khổng lồ đỏ, và trong các giai đoạn khổng lồ, nó sẽ mất khoảng 46% khối lượng. Khi lực giữ của nó suy giảm, các hành tinh trôi dần ra ngoài. Trong mô hình mất khối lượng trơn tru, mọi quỹ đạo nở ra khoảng 1,85 lần, vì vậy phần ngoài của Hệ Mặt Trời trở thành một bản sao lớn hơn, chậm hơn của hệ mà chúng ta biết.

Dấu hiệu cho thấy sự mất mát này không hề trơn tru đến từ Gaia, vệ tinh lập bản đồ sao của Cơ quan Vũ trụ châu Âu. Bằng cách theo dõi những cặp sao quay quanh nhau ở khoảng cách rất xa, các nhà thiên văn phát hiện rằng những sao lùn trắng mới sinh chuyển động như thể chúng đã bị đá với vận tốc khoảng 0,75 km mỗi giây, tương đương chừng 2.700 km/h. Một ngôi sao trút khí đồng đều theo mọi hướng sẽ không nhận được cú đá nào cả.

Lời giải thích hàng đầu, một khuôn khổ mà Fuller mới đề xuất, là lớp vỏ của sao khổng lồ đỏ thoát ra thành các luồng riêng rẽ do sự khuấy đảo ở những lớp bên ngoài thúc đẩy. Các kính thiên văn kết hợp ánh sáng từ nhiều gương đã cho thấy những đám mây bụi riêng biệt, dịch chuyển quanh các sao khổng lồ già cỗi. Mỗi luồng đẩy ngôi sao hơi lệch theo một hướng ngẫu nhiên, và các lực đẩy cộng dồn thành cú đá quan sát được.

Đối với các hành tinh, một cú hích vào Mặt Trời là một cú hích đồng thời vào mọi quỹ đạo. Trong trường hợp tham chiếu của nghiên cứu, Mặt Trời nhận khoảng 4.600 cú giật lùi, mỗi cú chỉ vài mét mỗi giây, với trung vị khoảng 7 m/s. Từng cú một đều rất nhỏ. Nhưng vì chúng tác động tại những điểm ngẫu nhiên trên quỹ đạo của mỗi hành tinh, chúng không triệt tiêu lẫn nhau, và các quỹ đạo bắt đầu trôi dạt. “Mọi thứ thay đổi khi lớp vỏ rời đi thành từng mảnh,” các tác giả viết.

Họ đã thực hiện như thế nào

Nhóm nghiên cứu sử dụng rebound, một mã nguồn mở được dùng rộng rãi để tính chuyển động của các thiên thể dưới lực hấp dẫn lẫn nhau, rồi ghép nó với mô hình tiến hóa của Mặt Trời được xây dựng bằng MESA, một chương trình chuẩn về tiến hóa sao. Bốn hành tinh khổng lồ bắt đầu từ vị trí và vận tốc hiện tại, sau đó Mặt Trời mất khối lượng theo lộ trình của mô hình này.

Đầu tiên là thí nghiệm đối chứng. Trong hơn 60 lượt chạy với sự mất khối lượng trơn tru, kết quả không bao giờ thay đổi: các quỹ đạo giãn nở, tỷ lệ giữa chu kỳ quỹ đạo của các hành tinh giữ nguyên, và hệ vẫn ổn định suốt hàng tỷ năm.

Sau đó, các nhà nghiên cứu chia quá trình mất khối lượng thành từng mảnh. Họ thực hiện 672 mô phỏng, thay đổi khối lượng của mỗi gói khí bị phóng ra từ một phần mười triệu đến một phần mười nghìn khối lượng Mặt Trời, đồng thời thay đổi việc các đợt bùng phát diễn ra xuyên suốt mọi pha khổng lồ của Mặt Trời hay chỉ pha cuối cùng, gọi là nhánh khổng lồ tiệm cận. Mỗi trạng thái cuối sau đó được theo dõi thêm 3 tỷ năm, không có sao đi ngang hay bất kỳ nhiễu động bên ngoài nào khác.

Từ 10¹⁸ năm xuống còn khoảng một tỷ năm

Những con số đang bị thay thế là vô cùng khổng lồ. Chỉ riêng hỗn loạn đã từng được ước tính cần khoảng 10¹⁸ năm, tức một tỷ tỷ năm, để làm Sao Thiên Vương mất ổn định. Khi tính thêm các ngôi sao đi ngang, vốn dễ tác động hơn vào những quỹ đạo đã giãn rộng, ước tính này giảm xuống còn từ 30 đến 100 tỷ năm. Vũ trụ khoảng 13,8 tỷ năm tuổi.

Ở mức hiệu chỉnh mà các tác giả ủng hộ, Hệ Mặt Trời nay tự tan rã khoảng một tỷ năm sau khi sao lùn trắng hình thành, sớm hơn một trăm lần so với thời gian chờ dự kiến để ngôi sao đi ngang đầu tiên gây xáo trộn xuất hiện. Trong những lượt chạy dữ dội nhất, quỹ đạo Sao Hải Vương bị kéo dãn tới độ lệch tâm khoảng 0,5, khiến khoảng cách của nó với Mặt Trời dao động gấp ba lần giữa điểm gần nhất và xa nhất.

Rắc rối không phải lúc nào cũng chờ Mặt Trời chết hẳn. Trong 37 trên 48 lượt chạy của kịch bản được ưa chuộng, các quỹ đạo bắt đầu cắt nhau trước khi quá trình mất khối lượng kết thúc; trường hợp sớm nhất xảy ra khi Mặt Trời vẫn là sao khổng lồ đỏ và còn giữ 89% khối lượng hiện nay. Trong một ví dụ, Sao Thổ bị phóng ra ngoài chỉ trong vòng 2,5 triệu năm kể từ khi sao lùn trắng ra đời, để lại Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương khóa chặt với nhau.

Isaac Newton từng nghi ngờ lực hút lẫn nhau của Sao Mộc và Sao Thổ cuối cùng sẽ phá hỏng trật tự các hành tinh. Về sau, Laplace và Lagrange chỉ ra rằng, ở mức xấp xỉ của họ, các quỹ đạo chỉ dao động, còn ba thế kỷ tính toán tiếp tục đẩy phán quyết ấy lùi xa hơn. “Sự bất ổn mà Newton hình dung rốt cuộc là có thật. Ông chỉ nhầm về thủ phạm,” các tác giả kết luận.

Không phải mọi kết quả đều mang tính hủy diệt. Một số lượt chạy khiến các cặp hành tinh bị giữ trong cộng hưởng, những mô hình quỹ đạo nhịp nhàng mà Hệ Mặt Trời chưa từng có: Sao Mộc và Sao Thổ theo tỷ lệ 5:2, hoặc Sao Thiên Vương hoàn thành hai vòng quỹ đạo cho mỗi một vòng của Sao Hải Vương. Trong 8 trên 672 mô phỏng, cả hai cặp cùng bị giữ lại một lúc. Những hệ bị khóa đó không an toàn hơn, và trong các lượt chạy có tính hạt nhỏ nhất, chúng sống sót với tần suất thấp hơn đôi chút so với các hệ khác.

Những điều mô phỏng chưa thể giải quyết

Mọi thứ phụ thuộc vào một đại lượng chưa ai đo trực tiếp: mỗi đợt phụt khí thoát ra lớn đến mức nào. Nếu Mặt Trời trút lớp vỏ thành các gói có khối lượng bằng một phần mười triệu khối lượng của nó hoặc nhỏ hơn, các đợt bùng phát phần lớn sẽ tự trung bình hóa và Hệ Mặt Trời tồn tại như một phiên bản phóng lớn của chính mình. Các kết cục dữ dội chiếm ưu thế khi các gói đạt khoảng một phần một trăm nghìn khối lượng Mặt Trời.

Cầu nối từ các cú đá Gaia tới kích thước gói vật chất cũng là một cách diễn giải. Nó giả định các cú đá đến từ nhiều lần phóng vật chất độc lập. Các tác giả lập luận rằng ngay cả đầu thấp của khoảng đo được, 0,25 km mỗi giây, cũng cho thấy các gói đã nằm trong chế độ dữ dội. Họ cũng lưu ý rằng kịch bản chính của mình kéo dài các đợt bùng phát vượt quá nhánh khổng lồ tiệm cận, pha mà mô hình được hiệu chỉnh tốt nhất. Giới hạn các đợt bùng phát chỉ trong pha đó loại bỏ mọi sự tan rã sớm ở giai đoạn sao khổng lồ đỏ, nhưng 83% số hệ vẫn trở nên bất ổn trong vòng 3 tỷ năm.

Công trình này để các hành tinh bên trong sang một bên. Nó chỉ theo dõi bốn hành tinh khổng lồ, nên Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa không nằm trong phép tính. Các nghiên cứu trước đó ước tính rủi ro riêng của Sao Thủy vào khoảng 1%: đó là xác suất quỹ đạo của nó trở nên bất ổn trước khi Mặt Trời rời pha đốt hydro hiện tại.

Lý thuyết này cũng đưa ra các dự đoán mà giới thiên văn có thể kiểm tra. Nếu các ngôi sao đang chết thường xuyên làm rung bật các hành tinh khỏi quỹ đạo, những sao lùn trắng trẻ sẽ đi cùng một quần thể hành tinh trôi nổi tự do. Trong các mô phỏng này, các hành tinh khổng lồ bị phóng ra thường xuyên hơn nhiều so với va đập vào nhau, và những mảnh vụn thực sự rơi xuống sao lùn trắng phần lớn phải đến từ các thiên thể đá thay vì hành tinh khổng lồ; điều này phù hợp với vật chất đá được đo trong các sao lùn trắng ô nhiễm cho đến nay.

Những câu hỏi thường gặp về cái chết của Mặt Trời và các hành tinh

Hệ Mặt Trời có tan rã khi Mặt Trời chết không?

Theo các mô phỏng này, nhiều khả năng là có đối với các hành tinh khổng lồ. Nếu Mặt Trời mất các lớp ngoài qua hàng nghìn đợt riêng biệt, như những cú đá của sao lùn trắng gợi ý, xấp xỉ chín trên mười hệ mô phỏng trở nên bất ổn trong vòng 3 tỷ năm kể từ khi sao lùn trắng hình thành. Với sự mất khối lượng trơn tru, các hành tinh vẫn ổn định.

Khi nào Mặt Trời sẽ trở thành sao khổng lồ đỏ?

Trong khoảng 5 tỷ năm nữa. Mặt Trời sau đó sẽ mất khoảng 46% khối lượng qua các pha khổng lồ trước khi kết thúc dưới dạng sao lùn trắng có khối lượng khoảng 0,54 lần khối lượng Mặt Trời. Trong nghiên cứu, các vụ tan rã xảy ra trong lúc mất khối lượng đó hoặc trong vài tỷ năm tiếp theo.

Cú đá của sao lùn trắng là gì?

Đó là vận tốc nhỏ mà một ngôi sao dường như nhận được khi trở thành sao lùn trắng, khoảng 0,75 km mỗi giây theo các phép đo của Gaia về những cặp sao cách xa nhau. Một cú đá nghĩa là ngôi sao đã mất khí không đồng đều, và mỗi đợt bất đối xứng cũng đẩy nhẹ mọi hành tinh đang quay quanh nó.

Sao Thổ thực sự có thể bị hất khỏi Hệ Mặt Trời không?

Trong một số mô phỏng, có. Ở một lượt chạy, Sao Thổ bị phóng ra trong vòng 2,5 triệu năm kể từ khi sao lùn trắng hình thành. Trong số các hành tinh khổng lồ, các vụ phóng ra phổ biến hơn va chạm, vì vậy những hành tinh thất lạc sẽ trôi qua thiên hà như các thế giới tự do.

Điều gì sẽ đến tiếp theo

Nghiên cứu xuất hiện trên The Astrophysical Journal Letters vào tháng 9 năm 2026, sau một bản thảo trước công bố trên arXiv, và nhận được sự đưa tin rộng rãi hơn vào ngày 12 tháng 10. Con số trung tâm của nó có thể được làm sắc nét hơn nhờ thêm các phép đo Gaia về cú đá của sao lùn trắng và những mô hình tốt hơn về cách các sao khổng lồ phóng khí. Các tác giả cũng chỉ ra rằng những hành tinh và mảnh vụn hiện đang được tìm thấy quanh sao lùn trắng là hồ sơ về cách mỗi ngôi sao đã chết, vì thế mỗi hệ mới được ghi nhận ở đó đều kiểm chứng liệu các hành tinh khổng lồ của Mặt Trời đã được định sẵn để diệt vong hay chỉ đơn thuần phình lớn hơn.

Tham khảo: Batygin và cộng sự, “Terminal Instability of the Solar System Triggered by Stochastic Solar Mass Loss,” The Astrophysical Journal Letters, 2026. DOI: 10.3847/2041-8213/aea290

Thẻ: thiên văn học, sao lùn trắng, Caltech, Hệ Mặt Trời, Konstantin Batygin, Mặt Trời