Các hành tinh quay quanh Mặt Trời cùng một chiều và gần như trên cùng một mặt phẳng vì chúng sinh ra từ cùng một đĩa khí bụi đang xoay quanh Mặt Trời trẻ, và theo quán tính, chúng giữ nguyên chiều quay ấy suốt 4,6 tỷ năm. Chuyển động của chúng tuân theo ba định luật Kepler, trong đó định luật thứ hai — hành tinh quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau — thực chất là định luật bảo toàn mô men động lượng. Nhưng cũng có những "kẻ nổi loạn": Sao Kim tự quay ngược chiều, Sao Thiên Vương nằm nghiêng, và vệ tinh Triton đi giật lùi quanh Sao Hải Vương.
Đĩa xoay sinh ra Hệ Mặt Trời
Bài về bảo toàn mô men động lượng trong vũ trụ đã kể về đám mây khí bụi co lại, quay nhanh dần và dẹt thành đĩa. Các hạt bụi trong đĩa va vào nhau, dính lại thành sỏi, đá, rồi những khối lớn hàng kilômét, cuối cùng thành các hành tinh. Vì tất cả cùng sinh ra trong một đĩa đang quay theo một chiều, chúng đều mang theo chuyển động quay ấy.
Tất cả tám hành tinh quay quanh Mặt Trời theo cùng một chiều — ngược chiều kim đồng hồ nếu nhìn từ phía trên cực Bắc của Trái Đất. Mặt phẳng quỹ đạo của chúng lệch nhau chỉ vài độ: Sao Thuỷ lệch nhiều nhất, khoảng 7° so với mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất.
Ba định luật Kepler
Đầu thế kỷ 17, Johannes Kepler dùng số liệu quan sát cực kỳ chính xác của Tycho Brahe về Sao Hoả để tìm ra quy luật chuyển động của các hành tinh. Ông công bố hai định luật đầu năm 1609 trong Astronomia Nova, và định luật thứ ba năm 1619 trong Harmonices Mundi.
| Định luật | Nội dung | Newton giải thích bằng |
|---|---|---|
| Thứ nhất | Mỗi hành tinh chuyển động trên một quỹ đạo elip, Mặt Trời nằm ở một tiêu điểm | Lực hấp dẫn giảm theo bình phương khoảng cách |
| Thứ hai | Đường nối Mặt Trời – hành tinh quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau | Bảo toàn mô men động lượng (lực hấp dẫn luôn hướng về Mặt Trời) |
| Thứ ba | Bình phương chu kỳ quỹ đạo tỉ lệ với lập phương bán trục lớn | Định luật hấp dẫn kết hợp với định luật II Newton |
Định luật thứ hai: bảo toàn mô men động lượng trên quỹ đạo
Lực hấp dẫn của Mặt Trời luôn hướng thẳng vào Mặt Trời. Một lực như vậy không tạo ra mô men lực quanh Mặt Trời, nên mô men động lượng của hành tinh quanh Mặt Trời được bảo toàn. Mô men động lượng của hành tinh bằng khối lượng nhân vận tốc nhân khoảng cách (theo phương vuông góc). Vậy:
- Khi ở gần Mặt Trời (điểm cận nhật), khoảng cách nhỏ → vận tốc phải lớn.
- Khi ở xa Mặt Trời (điểm viễn nhật), khoảng cách lớn → vận tốc nhỏ.
Đây chính là người trượt băng thu tay vào để quay nhanh, chỉ khác là "cánh tay" ở đây là khoảng cách hành tinh – Mặt Trời. Trái Đất ở gần Mặt Trời nhất vào khoảng đầu tháng 1, khi đó chạy nhanh hơn một chút (khoảng 30,3 km/s), và xa nhất vào khoảng đầu tháng 7, chạy chậm hơn (khoảng 29,3 km/s). Hệ quả thú vị: nửa năm từ xuân phân tới thu phân (mùa hè ở Bắc bán cầu) dài hơn nửa năm còn lại vài ngày.
Sao chổi có quỹ đạo elip rất dẹt nên hiệu ứng rõ hơn nhiều: khi lao qua gần Mặt Trời, sao chổi chạy rất nhanh; khi ở xa, nó chậm như đi bộ và dành phần lớn thời gian ở đó.
Định luật thứ ba: hành tinh xa đi chậm
| Hành tinh | Khoảng cách tới Mặt Trời (đơn vị thiên văn) | Chu kỳ quỹ đạo | Tốc độ quỹ đạo trung bình |
|---|---|---|---|
| Sao Thuỷ | 0,39 | khoảng 88 ngày | khoảng 47 km/s |
| Sao Kim | 0,72 | khoảng 225 ngày | khoảng 35 km/s |
| Trái Đất | 1 | 1 năm | khoảng 30 km/s |
| Sao Hoả | 1,52 | khoảng 1,9 năm | khoảng 24 km/s |
| Sao Mộc | 5,2 | khoảng 11,9 năm | khoảng 13 km/s |
| Sao Thổ | 9,5 | khoảng 29,5 năm | khoảng 9,7 km/s |
| Sao Thiên Vương | 19,2 | khoảng 84 năm | khoảng 6,8 km/s |
| Sao Hải Vương | 30,1 | khoảng 165 năm | khoảng 5,4 km/s |
Một đơn vị thiên văn là khoảng cách trung bình Trái Đất – Mặt Trời, khoảng 150 triệu km. Kiểm tra định luật thứ ba với Sao Mộc: 5,2³ ≈ 140,6, và 11,9² ≈ 141,6. Gần như bằng nhau — đúng như Kepler phát hiện.
Những kẻ nổi loạn
Sao Kim quay ngược
Sao Kim quay quanh Mặt Trời cùng chiều với các hành tinh khác, nhưng tự quay quanh trục theo chiều ngược lại, và rất chậm: một vòng mất khoảng 243 ngày Trái Đất, dài hơn cả một năm của nó (225 ngày). Trên Sao Kim, Mặt Trời mọc ở phía tây, lặn ở phía đông. Nguyên nhân chưa chắc chắn: có thể do một vụ va chạm lớn thuở sơ khai, hoặc do lực thuỷ triều của Mặt Trời tác dụng lên bầu khí quyển rất dày của Sao Kim qua hàng tỷ năm.
Sao Thiên Vương nằm nghiêng
Trục tự quay của Sao Thiên Vương nghiêng khoảng 98° so với mặt phẳng quỹ đạo — hành tinh như đang "lăn" trên quỹ đạo. Mỗi cực trải qua khoảng 42 năm ngày liên tục rồi 42 năm đêm liên tục. Giả thuyết phổ biến là một hoặc vài vụ va chạm khổng lồ thời sơ khai đã làm nghiêng trục.
Triton đi giật lùi
Triton, vệ tinh lớn nhất của Sao Hải Vương, quay quanh hành tinh ngược chiều với chiều tự quay của hành tinh. Điều này gợi ý Triton không sinh ra cùng Sao Hải Vương, mà là một thiên thể từ vành đai Kuiper bị Sao Hải Vương bắt giữ.
Những ngoại lệ này không phá vỡ quy luật — chúng là dấu vết của những biến cố lớn trong lịch sử Hệ Mặt Trời, nơi các vụ va chạm đã thay đổi mô men động lượng của từng thiên thể.
Góc nhìn hôm nay: tự kiểm chứng định luật Kepler
- Vẽ elip: cắm hai chiếc đinh ghim lên tấm bìa, buộc một vòng chỉ lỏng quanh hai đinh, dùng bút căng chỉ và vẽ một vòng. Hai đinh là hai tiêu điểm; đặt "Mặt Trời" ở một tiêu điểm.
- Kiểm tra định luật thứ ba: dùng bảng trên, tính lập phương khoảng cách và bình phương chu kỳ cho từng hành tinh, so sánh.
- Quan sát: dùng ứng dụng bản đồ sao để theo dõi Sao Mộc trong vài tháng: nó di chuyển chậm giữa các chòm sao, vì chu kỳ quỹ đạo gần 12 năm.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao các hành tinh quay quanh Mặt Trời cùng chiều?
Vì chúng hình thành từ cùng một đĩa khí bụi đang xoay quanh Mặt Trời trẻ. Các hành tinh mang theo chiều quay của đĩa và giữ nguyên nó theo quán tính, nên đều quay cùng chiều và gần như trên cùng một mặt phẳng.
Định luật Kepler là gì?
Gồm ba định luật: hành tinh chuyển động trên quỹ đạo elip với Mặt Trời ở một tiêu điểm; đường nối Mặt Trời và hành tinh quét diện tích bằng nhau trong thời gian bằng nhau; bình phương chu kỳ tỉ lệ với lập phương bán trục lớn.
Vì sao hành tinh chạy nhanh hơn khi ở gần Mặt Trời?
Vì mô men động lượng của hành tinh quanh Mặt Trời được bảo toàn. Khi khoảng cách tới Mặt Trời nhỏ hơn, vận tốc phải lớn hơn để tích của chúng không đổi. Trái Đất chạy nhanh nhất vào khoảng đầu tháng 1, khi ở gần Mặt Trời nhất.
Hành tinh nào tự quay ngược chiều?
Sao Kim tự quay ngược chiều so với hầu hết các hành tinh, mỗi vòng mất khoảng 243 ngày. Trên Sao Kim, Mặt Trời mọc ở phía tây. Sao Thiên Vương thì có trục nghiêng khoảng 98 độ, như đang lăn trên quỹ đạo.
Ai tìm ra quy luật chuyển động của các hành tinh?
Johannes Kepler tìm ra ba định luật từ số liệu quan sát của Tycho Brahe, công bố năm 1609 và 1619. Isaac Newton sau đó giải thích chúng bằng định luật vạn vật hấp dẫn và các định luật chuyển động năm 1687.