Tinh vân tiền Mặt Trời

Giả thiết tinh vân khẳng định rằng Hệ Mặt Trời hình thành từ một vụ suy sụp hấp dẫn của một phần của một đám mây phân tử khổng lồ.[8] Đám mây này có kích thước khoảng 20 parsec (pc),[8] trong khi các mảnh của nó cỡ khoảng gần 1 pc (tức 3,25 năm ánh sáng).[9] Sự suy sụp các mảnh nhỏ dẫn tới hình thành những nhân đặc lớn cỡ 0,01–0,1 pc (2000–20000 AU).[8][10] Một trong số các mảnh này, được gọi là tinh vân tiền Mặt Trời, sau này sẽ trở thành Hệ Mặt Trời.[11] Cấu tạo của khu vực có khối lượng chỉ lớn hơn một chút Mặt Trời ngày nay này bao gồm hiđrô, cùng hêli và những lượng rất nhỏ liti sản sinh ra từ tổng hợp hạt nhân của Vụ Nổ Lớn, chiếm tới 96,69% khối lượng của nó. 3.31% còn lại bao gồm các nguyên tố nặng sinh ra từ tổng hợp hạt nhân ở các thế hệ sao trước nó.[12] Ở cuối vòng đời sao, các sao thường phun trào các nguyên tố nặng vào không gian liên sao.[13]

Những khoáng vật cổ nhất tìm thấy trong các mảnh thiên thạch, vốn được xem là những tàn tích của những vật liệu thể rắn đầu tiên hình thành trong tinh vân tiền Mặt Trời, có tuổi 4568,2 triệu năm, là chỉ dấu về tuổi của bản thân Hệ Mặt Trời.[1] Nghiên cứu về thiên thạch cổ phát hiện thấy những hạt nhân con của các đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn, như Fe-60, vốn chỉ hình thành trong các sao tuổi đời ngắn phát nổ. Điều này cho thấy rằng một hoặc nhiều vụ nổ siêu tân tinh đã xảy ra gần Mặt Trời khi nó đang hình thành. Sóng xung kích từ siêu tân tinh đã kích hoạt sự hình thành Mặt Trời bằng việc tạo nên những vùng đậm đặc hơn bên trong đám mây, khiến cho các vùng này co sụp lại.[14] Bởi vì chỉ có những sao lớn, tuổi đời ngắn mới hình thành được siêu tân tinh, Mặt Trời ắt hẳn phải sinh ra trong một vùng tạo sao đã tạo nên những sao lớn, tương tự như Tinh vân Lạp Hộ.[15][16] Nghiên cứu về cấu trúc của Vành đai Kuiper và các vật liệu dị thường của nó gợi ý rằng Mặt Trời sinh ra trong một đám chứa khoảng từ 1 nghìn tới 10 nghìn sao đường kính từ 6,5 tới 19,5 năm ánh sáng với tổng khối lượng vào cỡ 3000 lần khối lượng Mặt Trời (M⊙). Đám này bắt đầu tách ra từ 135 triệu tới 535 triệu năm sau khi hình thành.[17][18] Một số mô hình mô phỏng Mặt Trời khi còn trẻ tương tác với các sao ở gần băng qua trong 100 triệu năm đầu đời sinh ra các quỹ đạo dị thường như ở phía rìa Hệ Mặt Trời, chẳng hạn các "vật thể tách rời" bên ngoài Sao Hải Vương.[19]

Do bảo toàn mô men động lượng, tinh vân quay ngày càng nhanh trong lúc co lại. Khi vật liệu bên trong tinh vân ngưng tụ, các nguyên tử trong nó va đập với tần số tăng dần, chuyển động năng của nó thành nhiệt. Tâm của nó, nơi chứa phần lớn khối lượng, trở nên ngày càng nóng hơn phần đĩa bao quanh.[9] Trong khoảng 100 nghìn năm,[8] sự cạnh tranh giữa lực hấp dẫn, áp suất khí, từ trường và sự quay khiến cho tinh vân dẹt ra thành một đĩa tiền hành tinh với đường kính 200 AU[9] và tạo nên một tiền sao (một ngôi sao chưa bắt đầu tổng hợp hiđrô) ở tâm.[20]

Vào chặng tiến hóa này, Mặt Trời được cho là ở giai đoạn sao T Tauri.[21] Nghiên cứu về dạng sao này chỉ ra rằng chúng thường đi kèm với những đĩa vật chất tiền hành tinh với khối lượng cỡ 0,001-0,1 M⊙.[22] Các đĩa này bao phủ những miền rộng hàng trăm AU—Kính viễn vọng Không gian Hubble đã từng quan sát các đĩa tiền hành tinh có đường kính lên tới 1000 AU trong các vùng tạo sao như Tinh vân Lạp Hộ[23]—và tương đối nguội, có nhiệt độ bề mặt cao nhất chỉ khoảng 1000 K.[24]Trong vòng 50 triệu năm, nhiệt độ và áp suất trong lõi Mặt Trời trở nên rất lớn, đủ để kích hoạt hidrô phản ứng nhiệt hạch, tạo ra nguồn nội năng cưỡng lại sự suy sụp hấp dẫn cho đến khi đạt tới trạng thái cân bằng thủy tĩnh.[25] Sự kiện này đánh dấu việc Mặt Trời bước vào giai đoạn quan trọng nhất trong vòng đời của nó, được gọi là "dãy chính", kéo dài tới tận ngày nay. Đặc trưng chủ yếu của các sao ở chuỗi chính là năng lượng sao lấy từ phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hêli từ hiđrô.[26]

Sự hình thành các hành tinh

Các hành tinh khác nhau được tạo ra từ tinh vân Mặt Trời, đám mây bụi khí dạng đĩa còn lại sau khi Mặt Trời hình thành.[27] Phương thức hình thành hành tinh được giới khoa học chấp nhận hiện nay là sự bồi tụ (accretion), trong đó các hành tinh khởi đầu từ những hạt bụi quay xung quanh tiền sao. Do va đập vào nhau, các hạt này gắn kết thành những khối đường kính lên tới 200 mét, và đến lượt mình các khối này va đập tạo thành những vật thể lớn hơn (planetesimal tức vi thể hành tinh) lớn chừng 10 km.[28] Các vật thể này tiếp tục lớn dần thông qua va chạm, với tốc độ cỡ vài cm mỗi năm trong khoảng vài triệu năm sau đó.[28]

Phía trong Hệ Mặt Trời, khu vực trong vòng 4 AU từ tâm hệ, quá ấm cho những phân tử dễ bay hơi như nước và methan ngưng tụ, do đó các vi thể hành tinh sinh ra ở đây chỉ có thể tạo ra từ những hợp chất có điểm nóng chảy cao, như các kim loại sắt, nickel, và nhôm cùng những dạng đá silicate. Những vật thể rắn này sẽ trở thành các hành tinh đất đá (Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất, và Sao Hỏa). Các hợp chất này rất hiếm trong vũ trụ, chỉ chiếm 0,6% khối lượng tinh vân, cho nên các hành tinh đất đá không thể phát triển lớn được.[9] Các vật thể phôi thai (tức tiền hành tinh) của các hành tinh đất đá lớn lên cỡ 0,05 khối lượng Trái Đất (M⊕) và ngừng tích tụ vật chất khoảng 100 000 năm sau khi Mặt Trời hình thành; những sự va chạm và kết hợp sau đó giữa các vật thể kích thước hành tinh cho phép chúng lớn lên thành kích thước hiện tại.[29]

Khi các hành tinh đất đá hình thành, chúng vẫn ngập chìm trong đĩa khí bụi. Chất khí chịu ảnh hưởng của áp suất và không quay quanh Mặt Trời nhanh bằng các hành tinh. Sức cản sinh ra giữa chúng gây nên một sự truyền mô men động lượng, khiến cho các hành tinh dần dần dịch chuyển vào các quỹ đạo mới. Các mô hình cho thấy sự thay đổi nhiệt độ trong đĩa chi phối tốc độ dịch chuyển, với xu hướng tổng thể là các hành tinh phía trong dịch chuyển về phía trong khi các đĩa tiêu tán đi cho tới khi hình thành quỹ đạo ổn định như ngày nay.[30]

Các hành tinh khí khổng lồ (Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương, và Sao Hải Vương) hình thành phía ngoài "đường đóng băng" (frost line), điểm giữa quỹ đạo của Sao Hỏa và Sao Mộc nơi vật chất có nhiệt độ đủ thấp để cho các hợp chất dễ bay hơi nằm ở thể rắn. Băng hình thành nên các hành tinh kiểu Sao Mộc dồi dào hơn nhiều kim loại hay silicate, khiến cho các hành tinh này đủ lớn để bắt giữ được hiđrô và hêli, những nguyên tố nhẹ nhất và phổ biến nhất.[9] Các vi thể hành tinh phía ngoài đường đóng băng kết tụ lên tới 4 M⊕ trong khoảng 3 triệu năm.[29] Ngày nay, bốn hành tinh khí khổng lồ, với tổng khối lượng bằng 445,6 M⊕, chiếm suýt soát 99% tổng khối lượng các vật thể quay quanh Mặt Trời. Các nhà lý thuyết tin rằng không phải ngẫu nhiên mà Sao Mộc nằm vừa sát bên ngoài đường đóng băng. Bởi đường đóng băng tích tụ một lượng lớn nước bay hơi từ các vật liệu đóng băng rơi vào phía trong, nó tạo nên một vùng áp suất thấp tăng vận tốc quay của các hạt bụi và giảm chuyển động hướng tâm của chúng, trên thực tế, đường đóng băng đóng vai trò như một rào chắn khiến cho vật chất tích tụ nhanh chóng ở khoảng cách khoảng 5 AU tính từ tâm hệ. Khối lượng vật liệu này lớn dần thành một tiền hành tinh nặng 10 M⊕, sau đó phát triển nhanh chóng bằng cách hút lấy hiđrô từ đĩa khí bao quanh, đạt 150 M⊕ chỉ trong khoảng 1 nghìn năm và cuối cùng từ từ lớn lên cho tới khi trở thành Sao Mộc như hiện nay với khối lượng 318 M⊕. Sao Thổ có khối lượng nhỏ hơn nhiều đơn giản bởi vì nó hình thành vài triệu năm sau Sao Mộc, do đó còn lại ít khí cho nó hấp thụ hơn.[29]

Các ngôi sao T Tauri như Mặt Trời khi trẻ có gió sao mạnh hơn nhiều những sao già, ổn định. Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương có lẽ hình thành muộn hơn Sao Mộc và Sao Thổ, khi các đợt gió Mặt Trời mạnh thổi bay phần lớn đĩa khí bao quanh nó. Kết quả là các hành tinh này tích tụ được rất ít hiđrô và hêli, chỉ cỡ 1 M⊕ mỗi hành tinh. Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương đôi khi được gọi là các "nhân thất bại".[31] Vấn đề chính đối với các lý thuyết hình thành hành tinh này là khoảng thời gian hình thành chúng. Ở các vị trí như hiện nay sẽ cần hàng trăm triệu năm để cho nhân của chúng hình thành. Điều này bất hợp lý và nó có nghĩa là Sao Thiên Vương và Sao Hải vương hẳn phải hình thành gần với Mặt Trời hơn-ở gần thậm chí là ở giữa Sao Mộc và Sao Thổ-và sau đó dịch chuyển ra phía ngoài (xem mục Dịch chuyển hành tinh phía dưới).[31][32] Chuyển động của kỷ nguyên các vi thể hành tinh không phải luôn luôn hướng tâm vào Mặt Trời; những mẫu vật mà Stardust thu thập được từ Sao chổi Wild 2 cho thấy rằng vật liệu từ giai đoạn hình thành ban đầu của Hệ mặt Trời dịch chuyển từ miền trong ấm hơn tới khu vực vành đai Kuiper.[33]

Sau khoảng từ 3 tới 10 triệu năm, [29] gió Mặt Trời dọn dẹp hết khí và bụi trong đĩa tiền hành tinh, thổi chúng vào không gian liên sao, chấm dứt sự lớn lên của các hành tinh mới.[34][35]