Tranh minh họa vụ va chạm lớn được cho là đã hình thành nên Mặt Trăng

Ban đầu người ta cho rằng các hành tinh đã hình thành gần quỹ đạo hiện tại của chúng. Tuy nhiên quan điểm này đã thay đổi mạnh mẽ trong những năm cuối thế kỉ 20 và đầu thế kỉ 21. Hiện nay, người ta tin là Hệ Mặt Trời trông rất khác với hình dạng ban đầu của nó: một số vật thể nặng ít nhất cỡ Sao Thủy từng hiện diện trong miền trong Hệ Mặt Trời, miền ngoài thì từng nhỏ hơn nhiều ngày nay, và vành đai Kuiper từng gần Mặt Trời hơn nhiều.[36]

Các hành tinh đá

Vào cuối kỷ nguyên hình thành hành tinh, miền trong Hệ Mặt Trời từng có tới 50-100 hành tinh phôi thai kích thước cỡ từ Mặt Trăng tới Sao Hỏa.[37][38] Sự lớn lên có thể xảy ra được là nhờ các vật thể va đập và hợp nhất kéo dài ít hơn 100 triệu năm. Các vật thể này tương tác hấp dẫn với nhau, kéo quỹ đạo lại gần nhau và va đập để lớn lên thành 4 hành tinh đất đá mà chúng ta biết ngày nay.[29] Một cú va đập lớn như vậy có thể đã hình thành nên Mặt Trăng (xem mục Mặt Trăng ở dưới), trong khi một cú khác đã tách mất lớp vỏ của Sao Thủy trẻ tuổi.[39]

Một vấn đề vẫn chưa được giải quyết trong mô hình này là nó không thể giải thích được làm thế nào các quỹ đạo ban đầu của các tiền hành tinh đất đá, cần phải có độ lệch tâm rất cao để va chạm với nhau, lại trở thành những quỹ đạo gần tròn và ổn định như ngày nay.[37] Một giả thuyết cho cái gọi là "trút bỏ độ lệch tâm" này là kết quả của việc các hành tinh đất đá hình thành trong một đĩa khí chưa bị Mặt Trời đẩy đi. Ma sát hấp dẫn của lượng khí tồn lưu này dần dần làm giảm năng lượng của các hành tinh và khiến quỹ đạo của chúng trở nên ổn định.[38] Tuy nhiên, nếu như một đĩa khí như vậy từng tồn tại, thì ngay từ đầu nó đã không cho phép các quỹ đạo lệch tâm xuất hiện.[29] Một giả thuyết khác là ma sát hấp dẫn không xảy ra giữa các hành tinh và khí tồn lưu mà là giữa hành tinh với các vật thể nhỏ chưa bị hấp thụ còn lại. Khi các vật thể lớn di chuyển giữa một đám những vật thể nhỏ hơn, các vật thể nhỏ này bị hút bởi hấp dẫn của các vật thể lớn, tạo nên một vùng có mật độ cao hơn, hay một "vệt đuôi hấp dẫn" (giống như vệt sóng ở đuôi tàu thủy) trên đường đi của vật thể lớn. Hấp dẫn ngày càng tăng ở vệt đuôi làm cho vật thể lớn hơn chậm lại và đi vào một quỹ đạo đều đặn hơn.[40]

Vành đai tiểu hành tinh

Rìa ngoài của vùng hành tinh đá, trong khoảng từ 2 tới 4 AU, tới Mặt Trời, được gọi là vành đai tiểu hành tinh. Vành đai này ban đầu chứa đủ vật chất để hình thành 2-3 hành tinh cỡ Trái Đất, và thực sự có rất nhiều vi thể hành tinh hình thành ở đây. Cũng như ở phía trong, các vi thể hành tinh này kết tụ thành cỡ 20–30 hành tinh phôi thai có kích thước từ cỡ Mặt Trăng tới Sao Hỏa;[41] tuy nhiên, do ở gần Sao Mộc cho nên sau khi hành tinh khổng lồ này hình thành, tức khoảng 3 triệu năm sau khi Mặt Trời xuất hiện, khu vực này chịu tác động mạnh mẽ.[37] Cộng hưởng quỹ đạo với Sao Mộc và Sao Thổ đặc biệt mạnh ở vành đai tiêu hành tinh, và tương tác hấp dẫn với những phôi thai nặng hơn đã phân tán rất nhiều vi thể hành tinh vào các miền cộng hưởng này. Lực hấp dẫn của Sao Mộc làm tăng vận tốc các vật thể trong miền cộng hưởng, khiến chúng vỡ vụn ra sau các va chạm thay vì dính vào và hợp nhất.[42]

Khi Sao Mộc dịch chuyển vào phía trong sau khi hình thành, sự cộng hưởng quét qua vành đai tiểu hành tinh, kích thích các vật thể trong vùng này gia tăng vận tộc tương đối với nhau.[43] Tác động kết hợp của cộng hưởng và các hành tinh phôi thai hoặc phân tán các vi thể hành tinh ra khỏi đĩa hoặc tăng cường độ nghiêng quỹ đạo và độ lệch tâm quỹ đạo của chúng.[41][44] Chính một số phôi thai hành tinh lớn bị Sao Mộc đẩy ra, trong khi số khác có thể đã dịch chuyển vào phía trong hệ và đóng vai trò trong giai đoạn kết tụ cuối cùng của các hành tinh đất đá.[41][45][46] Trong giai đoạn tiêu biến này, vành đai tiểu hành tinh mất đi hầu hết khối lượng ban đầu của nó, chỉ còn chừng dưới 1% M⊕, chủ yếu chứa các vi thể hành tinh nhỏ.[44] Một giai đoạn tiêu biến thứ hai đã xảy ra sau khi Sao Mộc và Sao Thổ bước vào một giai đoạn cộng hưởng quỹ đạo 2:1 tạm thời, khiến chúng giảm khối lượng 10–20 lần, chỉ còn khoảng 1/2,000 khối lượng Trái Đất như ngày nay.[47]

Thời kỳ các vụ va chạm lớn ở miền trong Hệ Mặt Trời có thể đã đóng một vai trò hình thành nên lượng nước ngày nay trên Trái Đất (~6×1021 kg) từ các vành đai tiểu hành tinh sơ khai. Nước quá dễ bay hơi để có mặt vào lúc hình thành Trái Đất và hẳn phải tới hành tinh này từ các miền lạnh hơn, xa hơn của Hệ Mặt Trời.[48] Nước có lẽ đã đến từ những phôi thai hành tinh và các vi thể hành tinh bị Sao Mộc ném văng ra khỏi vành đai tiểu hành tinh.[45] Năm 2006 người ta phát hiện một quần thể các sao chổi vành đai chính, đây cũng có thể là một nguồn gốc khác của nước trên Trái Đất.[48][49] Trong khi đó, các sao chổi từ vành đai Kuiber hoặc các vùng xa hơn nhiều nhất chỉ có thể đem lại 6% lượng nước cho Trái Đất.[50][51] Giả thuyết panspermia cho rằng bản thân sự sống có lẽ đã tới Trái Đất theo cách này, tuy nhiên ít người tán thành nó.[52]

Dịch chuyển hành tinh

Theo giả thuyết tinh vân, hai hành tinh phía ngoài nằm "sai vị trí". Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương (gọi là những hành tinh băng khổng lồ) tồn tại ở một khu vực mà mật độ tinh vân suy giảm và chu kỳ quỹ đạo dài hơn khiến cho sự hình thành chúng khó mà xảy ra.[53] Thay vì thế hai hình này được cho là đã hình thành trong các quỹ đạo gần Sao Mộc và Sao Thổ, nơi có nhiều vật chất hơn, và đã dịch chuyển ra phía ngoài tới vị trí ngày nay trong hàng trăm triệu năm.[31]

Mô phỏng các hành tinh phía ngoài và vành đai Kuiper: a, Trước công hưởng Sao Mộc/Sao Thổ 2:1 b) Phân tán vật thể vành đai Kuiper vào Hệ mặt Trời sau khi Sao Hải Vương dịch chuyển quỹ đạo c) Sau khi Sao Mộc tước đi các vật thể vành đai Kuiper[50]

Sự dịch chuyển của các hành tinh phía ngoài cũng cần thiết để xét đến sự tồn tại và tính chất của các khu vực ngoài cùng Hệ Mặt Trời.[32] Bên ngoài Sao Hải Vương, Hệ Mặt Trời tiếp nối bằng Vành đai Kuiper, Đĩa phân tán, và Đám mây Oort, ba quần thể các vật thể đóng băng nhỏ nơi sinh ra hầu hết những sao chổi quan sát được. Ở khoảng cách tới Mặt Trời này, sự bồi tụ quá chậm để cho các hành tinh có thể tạo thành trước khi tinh vân Mặt Trời khuếch tán, và do đó các đĩa ban đầu không đủ mật độ khối lượng để kết tụ lại thành hành tinh.[53] Vành đai Kuiper nằm trong khoảng từ 30 tới 55 AU từ Mặt Trời, trong khi các đĩa phân tán mở rộng ra tới trên 100 AU,[32] và đám mây Oort ở rất xa, bắt đầu từ khoảng cách 50 000 AU.[54] Tuy nhiên ban đầu vành đai Kuiper từng đặc hơn và gần Mặt Trời hơn nhiều, với rìa ngoài xấp xỉ 30 AU. Rìa trong của nó có thể chỉ ngay ngoài quỹ đạo của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương, vốn cũng gần Mặt Trời hơn nhiều hơn khi mới hình thành (rất có thể trong khoảng 15-20 AU) và ở vị trí hoán đảo, tức là Sao Thiên Vương khi đó xa Mặt Trời hơn là Sao Hải Vương.[32][50]

Sau khi hình thành Hệ Mặt Trời, quỹ đạo của tất cả các hành tinh khổng lồ tiếp tục thay đổi từ từ do tương tác với một lượng lớn các vi thể hành tinh còn lại. Sau khoảng 500-600 triệu năm (tức khoảng 4 tỉ năm trước) Sao Mộc và Sao Thổ rơi vào mode cộng hưởng 2:1: chu kỳ quỹ đạo Sao Mộc dài gấp đúng 2 lần chu kỳ quỹ đạo Sao Thổ.[32] Sự cộng hưởng này tạo ra một cú đẩy hấp dẫn lên các hành tinh phía ngoài, khiến cho Sao Hải Vương băng vượt qua Sao Thiên Vương và rơi vào vành đai Kuiper cổ đại. Các hành tinh phân tán phần lớn các vật thể nhỏ đóng băng vào phía trong, trong khi chính chúng di chuyển ra phía ngoài.[32] Quá trình này tiếp tục cho tới khi các vi thể hành tinh đi vào trong đủ sâu để tương tác Sao Mộc, hành tinh có hấp dẫn không lồ đẩy chúng vào các quỹ đạo rất lệch tâm hoặc thậm chí đẩy văng chúng ra khỏi Hệ Mặt Trời. Sao Mộc mất một phần năng lượng do quá trình này và dịch chuyển một chút vào phía trong. Những vật thể bị Sao Mộc phân tán vào các quỹ đạo rất lệch tâm tạo nên Đám mây Oort;[32] những vật thể bị phân tán ở mức độ thấp hơn do Sao Hải Vương di chuyển tạo nên vành đâi Kuiper và đĩa phân tán ngày nay.[32] Kịch bản này giải thích thành công khối lượng nhỏ hiện tại của vành đai Kuiper và đĩa phân tán. Một số vật thể bị phân tán, bao gồm Sao Diêm Vương, gắn vào quỹ đạo Sao Hải Vương, khiến chúng rơi vào cộng hưởng chuyển động trung bình.[55] Cuối cùng, ma sát bên trong đĩa vi thể hành tinh khiến quỹ đạo của Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương trở lại dạng tròn.[32][56]

Trái với các hành tinh phía ngoài, các hành tinh phía trong không dịch chuyển đáng kể qua các thời đại của Hệ Mặt Trời, bởi vì quỹ đạo của chúng không chịu ảnh hưởng lớn kể từ sau thời kỳ các vụ va chạm lớn.[29]

Một câu hỏi khác là tại sao Sao Hỏa lại quá nhỏ so với Trái Đất. Một nghiên cứu công bố tháng 6 năm 2011 đề xuất rằng Sao Mộc đã dịch chuyển phía trong tới 1,5 AU, và khi Sao Thổ hình thành, Sao Mộc dịch chuyển trở lại vị trí ngày nay. Do đó Sao Mộc đã hấp thụ phần lớn lượng vật chất đáng ra Sao Hỏa có thể có để lớn lên. Các mô phỏng tương tự cũng tái tạo được các đặc tính của vành đai tiểu hành tinh hiện nay, với các tiểu hành tinh khô và các vật thể chứa nhiều nước tương tự như sao chổi.[57][58]

Các đợt bắn phá sau này

Hố thiên thạch Barringer ở bang Arizona, Hoa Kỳ. Tạo nên cách đây 50000 năm do một thiên thạch đường kính chỉ 50m, nó là lời nhắc nhở khắc nghiệt rằng sự bồi tụ của Hệ Mặt Trời chưa hoàn toàn kết thúc.

Sự đổ vỡ hấp dẫn từ sự dịch chuyển các hành tinh phái ngoài có lẽ đã đẩy một số lượng lớn các tiểu hành tinh vào miền trong Hệ Mặt Trời, làm tiêu biến dữ dội vành đai ban đầu cho đến khi nó đạt khối lượng cực kì nhỏ ngày nay.[44] Sự kiện này có thể đã kích hoạt thời kỳ Bắn phá mạnh cuối (Late Heavy Bombardment) xảy ra khoảng 4 tỷ năm trước.[50][59] Thời kỳ bắn phá này kéo dài vài trăm triệu năm và nó thể hiện rõ ràng với các hố thiên thạch vẫn còn thấy rõ trên các thiên thể hủy diệt về mặt địa chất của miền trong Hệ Mặt Trời như Sao Thủy và Mặt Trăng.[50][60] Những bằng chứng cổ nhất mà người ta biết đến về sự sống trên Trái Đất có niên đại 3,8 tỷ năm- nghĩa là hầu như ngay sau khi thời kỳ Bắn phá mạnh cuối chấm dứt.[61]

Các vụ va chạm là một phần thường trực (dù gần đây không thường xuyên) trong sự tiến hóa của Hệ mặt Trời. Chúng tiếp tục xảy ra mà những bằng chứng rõ rệt là vụ va chạm của Sao chổi Shoemaker–Levy 9 với Sao Mộc năm 1994, sự kiện va chạm Sao Mộc 2009, sự kiện Tunguska, Sao băng Chelyabinsk và Hố thiên thạch Barringer ở Arizona. Quá trình bồi tụ, do đó, chưa hoàn thành, và vẫn đặt ra một đe dọa lớn cho tồn vong của sự sống trên Trái Đất.[62][63]

Trong quá trình tiến hóa của Hệ Mặt Trời, các sao chổi bị đẩy ra ngoài miền trong Hệ Mặt Trời bởi hấp dẫn của các hành tinh khổng lồ, và đi tới hàng nghìn AU phía ngoài để tạo nên Đám mây Oort, một đám những nhân sao chổi rìa xa nhất của tầm hút hấp dẫn của Mặt Trời. Cuối cùng, sau khoảng 800 triệu năm, sự đổ vỡ hấp dẫn do thủy triều thiên hà, các ngôi sao băng qua và các đám mấy phân tử khổng lồ bắt đầu tiêu trừ đám mây, tung những sao chổi đi vào miền trong Hệ Mặt Trời.[64] Sự tiến hóa của miền ngoài Hệ Mặt Trời dường như cũng chịu ảnh hưởng của thời tiết không gian từ gió Mặt Trời, các vi thiên thạch, và các thành phần trung hòa trong môi trường liên sao.[65]

Sự tiến hóa của vành đai tiểu hành tinh sau thời kỳ Bắn phá mạnh muộn chủ yếu bị chi phối bởi các vụ va chạm.[66] Các vật thể khối lượng lớn có đủ hấp dẫn để giữ lại bất kỳ lượng vật chất nào bắn ra bởi một vụ chạm mạnh. Trong vành đai tiểu hành tinh thì không như vậy. Kết quả là, nhiều hành tinh lớn hơn bị vỡ tách ra, và đôi khi những vật thể mới tạo nên từ tàn dư của những vụ va chạm ít kịch liệt hơn.[66] Các vệ tinh xung quanh tiểu hành tinh ngày này chỉ có thể giải thích như là những sản phẩm gắn kết các vật liệu tách ra khỏi thiên thể gốc mà không có đủ năng lượng để thoát hẳn ra khỏi hấp dẫn của nó.[67]

Mặt trăng

Các mặt trăng xuất hiện xung quanh hầu hết các hành tinh và các thiên thể khác của Hệ Mặt Trời. Các vệ tinh tự nhiên này sinh ra từ một trong ba cơ chế sau:

• Cùng tạo thành từ một đĩa tiền hành tinh (chỉ trong trường hợp các hành tinh khí khổng lồ);
• Hình thành từ các mảnh vỡ va chạm (với điều kiện xảy ra va chạm đủ mạnh ở một góc nông); và
• Bắt được một vật thể bay ngang qua đó

Sao Mộc và Sao Thổ có một vài mặt trăng rất lớn, như Io, Europa, Ganymede và Titan, có lẽ bắt nguồn từ các đĩa khí xoay quanh các hành tinh khổng lồ này không khác gì các hành tinh sinh ra từ đĩa khí xung quanh Mặt Trời.[68] Nguồn gốc này có thể suy đoán từ kích thước lớn của các mặt trăng và khoảng cách gần với các hành tinh tương ứng. Những đặc điểm như vậy không thể quy cho việc bắt giữ, trong khi bản chất khí của hành tinh khổng lồ này khiến chúng cho không thể nào tạo ra vệ tinh từ 'mảnh vỡ' va chạm. Các mặt trăng phía ngoài của các hành tinh khí khổng lồ có xu hướng nhỏ và quỹ đạo lệch tâm với độ nghiêng quỹ đạo bất thường; đây là những đặc trưng của các vật thể bị bắt giữ.[69][70] Hầu hết các mặt trăng như vậy quay theo hướng ngược với hành tinh nó phụ thuộc. Mặt trăng bất thường lớn nhất là Triton của Sao Hải Vương, được cho là một vật thể vành đai Kuiper bị bắt.[63]

Các mặt trăng của những thiên thể rắn được tạo ra cả bởi va chạm và bắt giữ. Hai mặt trăng nhỏ của Sao Hỏa, Deimos và Phobos, có lẽ là những tiểu hành tinh bị bắt giữ.[71]Mặt Trăng của Trái Đất được cho là hình thành của một vụ va chạm xiên duy nhất.[72][73]Thiên thể va chạm vào Trái Đất đó hẳn phải có khối lượng tương đương với Sao Hỏa, và vụ va chạm có lẽ đã xảy ra gần cuối thời kỳ các vụ va chạm lớn. Vụ va chạm đã làm bật văng ra quỹ đạo một phần vỏ của thiên thể va chạm, về sau tụ lại thành Mặt Trăng.[72] Sự kiện đó có lẽ là vụ va chạm cuối cùng trong một loạt các vụ hợp nhất tạo nên Trái Đất như ngày nay. Người ta còn phỏng đoán thêm rằng thiên thể kích cỡ Sao hỏa đó đã có thể tạo nên một trong các điểm Lagrange bền của Mặt Trời-Trái Đất (L4 hoặc L5) và trôi dạt khỏi vị trí của nó.[74] Các mặt trăng của các vật thể bên ngoài Sao Hải Vương là Charon của Sao Diêm Vương và Vanth của Orcus cũng có thể đã hình thành từ các vụ va chạm lớn: các hệ Sao Diêm Vương–Charon, Orcus–Vanth và Trái Đất-Mặt Trăng là không bình thường trong Hệ Mặt Trời, vởi chúng có khối lượng của vệ tinh lớn hơn 1% thiên thể nó quay quanh.[75][76]