Bảo toàn mô men động lượng là lý do vũ trụ đầy những thứ đang quay: khi một đám mây khí khổng lồ co lại, nó quay nhanh dần như người trượt băng thu tay vào, rồi dẹt thành đĩa — đó là cách Hệ Mặt Trời, thiên hà và sao xung hình thành. Một ngôi sao nặng sụp đổ thành sao neutron chỉ rộng khoảng 20 km có thể quay hàng trăm vòng mỗi giây. Từ con quay đồ chơi tới thiên hà, cùng một định luật đang làm việc.
Định luật nhắc lại
Mô men động lượng L = I·ω. Không có mô men lực bên ngoài, L không đổi. Mô men quán tính I tỉ lệ với khối lượng nhân bình phương kích thước. Vậy khi một vật co lại, I giảm mạnh và ω phải tăng tương ứng.
Với một quả cầu co từ bán kính R xuống R/10 mà khối lượng giữ nguyên, mô men quán tính giảm 100 lần, tốc độ quay tăng 100 lần. Trong vũ trụ, những sự co lại như vậy có thể lên tới hàng nghìn, hàng triệu lần.
Hệ Mặt Trời ra đời từ một đám mây quay
Khoảng 4,6 tỷ năm trước, một đám mây khí và bụi trong Ngân Hà bắt đầu co lại do lực hấp dẫn của chính nó. Đám mây ban đầu chỉ quay rất chậm, gần như không nhận ra được. Nhưng khi co lại, nó quay nhanh dần.
Quay nhanh tạo ra một điều thú vị: theo phương dọc trục quay, vật chất co lại dễ dàng; nhưng theo phương ngang trục, sự quay chống lại sự co (cần lực hướng tâm lớn để giữ vật chất đi vòng). Kết quả, đám mây dẹt dần thành một đĩa xoay quanh một khối trung tâm. Khối trung tâm thành Mặt Trời; đĩa khí bụi xung quanh thành các hành tinh.
Điều này giải thích vì sao:
- Các hành tinh quay quanh Mặt Trời gần như trên cùng một mặt phẳng.
- Tất cả các hành tinh quay quanh Mặt Trời cùng một chiều, cùng chiều với Mặt Trời tự quay.
- Phần lớn các hành tinh cũng tự quay theo chiều đó (Sao Kim và Sao Thiên Vương là ngoại lệ, có thể do va chạm lớn trong quá khứ).
Các kính thiên văn hiện đại như ALMA ở Chile đã chụp được những đĩa tiền hành tinh quanh các ngôi sao trẻ, có những vành tối nơi có thể hành tinh đang hình thành — đúng như kịch bản này dự đoán.
Bài toán mô men động lượng của Mặt Trời
Có một chi tiết đáng chú ý: Mặt Trời chiếm khoảng 99,8% khối lượng Hệ Mặt Trời nhưng chỉ giữ một phần rất nhỏ, chưa tới vài phần trăm, tổng mô men động lượng. Phần lớn mô men động lượng nằm trong chuyển động quỹ đạo của các hành tinh, nhất là Sao Mộc. Mặt Trời tự quay khá chậm: khoảng 25 ngày một vòng ở xích đạo, chậm hơn ở hai cực.
Nếu Mặt Trời co lại từ đám mây mà giữ hết mô men động lượng, nó phải quay nhanh hơn nhiều. Các nhà thiên văn cho rằng từ trường và gió của Mặt Trời trẻ đã "phanh" nó lại, truyền mô men động lượng ra đĩa khí bên ngoài. Chi tiết của quá trình này vẫn đang được nghiên cứu.
Sao xung: con quay nhanh nhất vũ trụ
Khi một ngôi sao rất nặng cạn nhiên liệu, lõi của nó sụp đổ. Lõi có kích thước cỡ Trái Đất có thể co lại thành một sao neutron đường kính chỉ khoảng 20 km, đặc tới mức một thìa vật chất nặng hàng trăm triệu tấn. Mô men quán tính giảm hàng tỷ lần, tốc độ quay tăng tương ứng.
Năm 1967, Jocelyn Bell Burnell, nghiên cứu sinh ở Đại học Cambridge, phát hiện trong dữ liệu kính thiên văn vô tuyến một tín hiệu đều đặn lạ thường, lặp lại mỗi 1,34 giây. Đó là sao xung (pulsar) đầu tiên được phát hiện: một sao neutron đang quay, phát hai chùm sóng vô tuyến từ hai cực từ, quét qua Trái Đất mỗi vòng quay như ánh đèn hải đăng. Giải Nobel Vật lý năm 1974 về phát hiện này được trao cho Antony Hewish, người hướng dẫn của bà, và Martin Ryle — việc Bell Burnell không được trao giải là chủ đề tranh luận kéo dài trong giới khoa học.
| Thiên thể | Thời gian quay một vòng |
|---|---|
| Mặt Trời (xích đạo) | khoảng 25 ngày |
| Trái Đất | khoảng 23 giờ 56 phút (so với các vì sao) |
| Sao Mộc | khoảng 10 giờ |
| Sao xung đầu tiên (CP 1919) | khoảng 1,34 giây |
| Sao xung Con Cua | khoảng 0,033 giây (khoảng 30 vòng/giây) |
| Sao xung nhanh nhất đã biết (PSR J1748−2446ad) | khoảng 0,0014 giây (716 vòng/giây) |
Sao xung Con Cua nằm giữa tinh vân Con Cua — tàn tích của vụ nổ siêu tân tinh mà các nhà thiên văn Trung Hoa ghi chép năm 1054. Một sự kiện được ghi lại cách đây gần một nghìn năm đến nay vẫn còn "quay".
Thiên hà xoắn ốc
Ngân Hà và nhiều thiên hà khác là những đĩa sao khổng lồ đang quay. Hệ Mặt Trời mất khoảng 225–250 triệu năm để đi hết một vòng quanh tâm Ngân Hà. Hình dạng đĩa của thiên hà xoắn ốc cũng xuất phát từ cùng cơ chế: đám khí nguyên thuỷ co lại, quay nhanh dần và dẹt ra.
Tốc độ quay của các thiên hà còn cho các nhà thiên văn một manh mối lớn: các ngôi sao ở rìa ngoài quay nhanh hơn mức mà khối lượng nhìn thấy có thể giữ. Đó là một trong những bằng chứng chính cho vật chất tối — chủ đề có ở các nguồn chuyên về vũ trụ.
Gần hơn: bão và lốc xoáy
Trên Trái Đất, bảo toàn mô men động lượng cũng góp phần trong bão nhiệt đới và lốc xoáy. Không khí ở xa trung tâm đã có một chút chuyển động xoay (do sự quay của Trái Đất và hoàn lưu khí quyển). Khi bị hút vào vùng áp thấp ở trung tâm, khoảng cách tới tâm giảm, tốc độ xoay tăng lên — giống người trượt băng thu tay. Đây là lý do gió mạnh nhất nằm ở gần mắt bão. Cơ chế làm không khí bắt đầu xoay — hiệu ứng Coriolis — có ở mục Trái Đất chuyển động.
Góc nhìn hôm nay: nhìn bầu trời như một con quay
- Lần tới khi xem ảnh một thiên hà xoắn ốc, hãy nhớ đó là một con quay khổng lồ, hình dạng của nó là chữ ký của định luật bảo toàn mô men động lượng.
- Khi đọc tin về một sao xung mới, hãy nhớ nó có thể quay hàng trăm vòng mỗi giây nhờ đã co lại từ một ngôi sao khổng lồ.
- Thử lại thí nghiệm ghế xoay với hai chai nước để "cảm" được những gì đã xảy ra với đám mây hình thành Hệ Mặt Trời.
Muốn đọc thêm, trang của NASA về sao xung, trang ESO về đĩa tiền hành tinh và cuốn Vũ trụ (Cosmos) của Carl Sagan là những lối vào dễ đọc.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao các hành tinh quay cùng một chiều?
Vì Hệ Mặt Trời hình thành từ một đám mây khí bụi đang quay chậm. Khi co lại, đám mây quay nhanh dần do bảo toàn mô men động lượng và dẹt thành đĩa. Các hành tinh hình thành trong đĩa đó nên đều quay quanh Mặt Trời cùng chiều.
Sao xung là gì?
Sao xung là sao neutron đang quay rất nhanh, phát hai chùm sóng vô tuyến từ hai cực từ. Mỗi vòng quay, chùm sóng quét qua Trái Đất một lần như đèn hải đăng, tạo ra xung đều đặn. Sao xung đầu tiên được Jocelyn Bell Burnell phát hiện năm 1967.
Vì sao sao neutron quay nhanh như vậy?
Vì lõi sao cỡ Trái Đất sụp đổ thành vật thể chỉ khoảng 20 km. Mô men quán tính giảm hàng tỷ lần, nên theo bảo toàn mô men động lượng tốc độ quay tăng tương ứng, có sao quay tới hơn 700 vòng mỗi giây.
Mặt Trời quay một vòng mất bao lâu?
Mặt Trời không quay như vật rắn: ở xích đạo mất khoảng 25 ngày một vòng, ở gần hai cực chậm hơn, khoảng 35 ngày. Mặt Trời chỉ giữ chưa tới vài phần trăm tổng mô men động lượng của Hệ Mặt Trời.
Vì sao thiên hà có hình đĩa?
Đám khí nguyên thuỷ co lại do hấp dẫn và quay nhanh dần. Theo phương dọc trục quay vật chất co dễ dàng, còn theo phương ngang sự quay chống lại co lại, nên đám khí dẹt thành đĩa, nơi sao hình thành và quay quanh tâm thiên hà.