Lực thuỷ triều xé sao chổi và tạo vành đai: giới hạn Roche là gì

Lực thuỷ triều có thể xé toạc một thiên thể nếu nó tới quá gần một hành tinh lớn: phía gần bị kéo mạnh hơn phía xa nhiều tới mức lực hấp dẫn nội tại không giữ nổi các mảnh lại với nhau. Khoảng cách tới hạn ấy gọi là giới hạn Roche. Năm 1992, sao chổi Shoemaker–Levy 9 bay quá gần Sao Mộc và bị xé thành hơn hai chục mảnh, rồi đâm vào Sao Mộc năm 1994. Các vành đai của Sao Thổ nằm trong giới hạn Roche — có thể là những mảnh vụn không bao giờ kết thành được một mặt trăng, hoặc mảnh vỡ của một mặt trăng từng bị xé.

Lực thuỷ triều nhắc lại

Như bài về thuỷ triều đã giải thích, lực thuỷ triều là chênh lệch lực hấp dẫn giữa hai phía của một vật. Lực thuỷ triều tăng rất nhanh khi lại gần: tỉ lệ nghịch với lập phương khoảng cách. Tới gần hơn một nửa, lực thuỷ triều tăng tám lần.

Trên Trái Đất, lực thuỷ triều của Mặt Trăng chỉ đủ nâng mặt biển lên vài chục centimét tới vài mét. Nhưng với một vật bay sát một hành tinh khổng lồ như Sao Mộc, lực thuỷ triều có thể lớn hơn chính lực hấp dẫn giữ vật ấy lại với nhau.

Giới hạn Roche

Năm 1848, nhà thiên văn Pháp Édouard Roche tính toán khoảng cách gần nhất mà một vệ tinh lỏng, chỉ được giữ bằng lực hấp dẫn của chính nó, có thể quay quanh một hành tinh mà không bị xé ra. Khoảng cách này phụ thuộc vào kích thước của hành tinh và tỉ số khối lượng riêng giữa hành tinh và vệ tinh:

• Vệ tinh càng xốp, nhẹ (khối lượng riêng nhỏ) thì giới hạn Roche càng xa — dễ bị xé hơn.
• Với một vệ tinh lỏng có khối lượng riêng bằng hành tinh, giới hạn Roche vào khoảng 2,4 lần bán kính hành tinh.
• Vật rắn chắc, có độ bền vật liệu (như vệ tinh nhân tạo, tảng đá nguyên khối) có thể tới gần hơn mà không bị xé, vì không chỉ có lực hấp dẫn giữ chúng lại.

Đó là lý do Trạm Vũ trụ Quốc tế bay ở độ cao 400 km mà không bị lực thuỷ triều xé: nó được giữ bằng bu lông, mối hàn, không phải bằng lực hấp dẫn của chính nó.

Shoemaker–Levy 9: sao chổi bị xé làm 21 mảnh

Tháng 3 năm 1993, các nhà thiên văn Carolyn và Eugene Shoemaker cùng David Levy phát hiện một vật thể kỳ lạ: một chuỗi những đốm sáng xếp hàng như "chuỗi ngọc trai". Tính toán cho thấy đó là một sao chổi đã bị Sao Mộc bắt giữ vào quỹ đạo, và tháng 7 năm 1992 nó bay qua cực gần Sao Mộc, trong giới hạn Roche, bị lực thuỷ triều xé thành khoảng 21 mảnh có thể nhìn thấy, mảnh lớn nhất ước tính rộng vài kilômét.

Tính toán tiếp theo cho thấy các mảnh sẽ đâm vào Sao Mộc ở lần quay trở lại. Từ ngày 16 đến 22 tháng 7 năm 1994, lần lượt từng mảnh lao vào khí quyển Sao Mộc với tốc độ khoảng 60 km/s. Các kính thiên văn khắp thế giới và kính viễn vọng không gian Hubble theo dõi. Vết sẫm màu do các vụ va chạm để lại trên Sao Mộc, có vết lớn hơn cả Trái Đất, tồn tại nhiều tháng. Đây là lần đầu tiên con người quan sát trực tiếp một vụ va chạm giữa hai thiên thể trong Hệ Mặt Trời.

Vành đai Sao Thổ

Vành đai chính của Sao Thổ trải rộng hàng trăm nghìn kilômét nhưng chỉ dày khoảng mười mét tới một kilômét. Chúng gồm vô số hạt băng nước, từ hạt bụi tới tảng lớn cỡ ngôi nhà. Phần lớn vành đai nằm trong giới hạn Roche của Sao Thổ — nơi lực thuỷ triều không cho phép các hạt kết lại thành một mặt trăng lớn.

Các vành đai hình thành thế nào vẫn đang được tranh luận. Có hai giả thuyết chính: chúng là vật chất còn sót lại từ thuở hình thành, chưa bao giờ kết lại được; hoặc chúng là mảnh vỡ của một mặt trăng hay sao chổi từng tới quá gần và bị xé. Dữ liệu của tàu Cassini (bay quanh Sao Thổ từ 2004 tới 2017) gợi ý vành đai có thể khá "trẻ", chỉ vài trăm triệu năm, nhưng vấn đề này vẫn còn tranh cãi.

Vành đai Sao Thổ cũng là ví dụ đẹp về bảo toàn mô men động lượng: va chạm giữa các hạt làm chúng dàn mỏng thành một mặt phẳng, như đĩa tiền hành tinh.

Lực thuỷ triều nung nóng một thế giới: Io

Io, một vệ tinh lớn của Sao Mộc, là thiên thể có núi lửa hoạt động mạnh nhất trong Hệ Mặt Trời, với hàng trăm núi lửa. Năng lượng không đến từ phóng xạ trong lòng như Trái Đất, mà từ lực thuỷ triều. Quỹ đạo của Io hơi elip (do bị các vệ tinh khác như Europa, Ganymede kéo theo nhịp), nên khoảng cách tới Sao Mộc thay đổi liên tục. Lực thuỷ triều khổng lồ của Sao Mộc bóp nặn Io lúc mạnh lúc yếu, làm bề mặt đá của nó phồng lên xẹp xuống có thể tới khoảng trăm mét. Ma sát bên trong biến công này thành nhiệt, đủ để làm nóng chảy đá và nuôi các núi lửa.

Tương tự, lực thuỷ triều được cho là giữ nước ở thể lỏng dưới lớp băng của Europa (Sao Mộc) và Enceladus (Sao Thổ) — những nơi các nhà khoa học coi là ứng viên tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất.

Phobos: mặt trăng đang tiến tới cái chết

Phobos, vệ tinh lớn hơn trong hai vệ tinh của Sao Hoả, quay quanh Sao Hoả nhanh hơn Sao Hoả tự quay. Khác với Mặt Trăng của chúng ta đang lùi xa, chỗ phình thuỷ triều mà Phobos tạo ra trên Sao Hoả lại nằm phía sau nó, kéo nó chậm lại, làm nó hạ dần độ cao, khoảng 1,8–2 m mỗi thế kỷ. Các nhà khoa học tính toán rằng trong khoảng 30–50 triệu năm nữa, Phobos sẽ tới giới hạn Roche và bị xé thành vành đai quanh Sao Hoả, hoặc đâm xuống bề mặt.

Gần lỗ đen: sự kéo dài như sợi mì

Ở gần một lỗ đen, lực thuỷ triều trở nên cực đoan. Một vật rơi vào lỗ đen có khối lượng cỡ Mặt Trời sẽ bị kéo dãn theo chiều dọc và ép theo chiều ngang trước khi tới chân trời sự kiện — các nhà vật lý gọi vui là "kéo sợi mì" (spaghettification). Khi một ngôi sao bay quá gần lỗ đen siêu nặng ở tâm thiên hà, nó có thể bị xé toạc, gọi là sự kiện xé toạc thuỷ triều, và các kính thiên văn đã ghi nhận nhiều sự kiện như vậy qua vệt sáng bùng lên.

Góc nhìn hôm nay: lực thuỷ triều trong tầm tay

• Lấy một quả bóng bay hình dài hoặc túi nhựa đựng nước, cầm hai đầu kéo nhẹ không đều: phía bị kéo mạnh hơn biến dạng nhiều hơn — một cách hình dung lực thuỷ triều là chênh lệch lực.
• Ngắm Sao Thổ và vành đai qua kính thiên văn nhỏ ở các buổi quan sát thiên văn cộng đồng; ở Hà Nội và TP.HCM có nhiều câu lạc bộ thiên văn nghiệp dư tổ chức các buổi như vậy.
• Xem ảnh Shoemaker–Levy 9 và vết va chạm trên Sao Mộc trong kho ảnh của NASA và Kính viễn vọng Hubble.