Vì sao tất cả các hành tinh trong vũ trụ đều có hình cầu mà không có ngoại lệ

Câu chuyện tưởng đơn giản ấy lại mở ra một bí mật sâu xa về bản chất của trọng lực và cấu trúc vũ trụ, khiến nhiều người không khỏi đặt câu hỏi: Tại sao giữa một vũ trụ hỗn loạn như vậy, hình cầu lại trở thành hình dạng chuẩn mực của những thiên thể lớn?

Trong vũ trụ bao la và không ngừng chuyển động, nơi những đám mây khí khổng lồ bùng nổ, các thiên hà xoay vần và những thiên thể va đập vào nhau suốt hàng tỷ năm, có một điều tưởng chừng nhỏ bé nhưng lại vô cùng thú vị: mọi hành tinh mà chúng ta biết đều có hình cầu. Dù đó là một hành tinh rắn với lõi sắt khổng lồ như Trái Đất, một hành tinh khí khổng lồ như Sao Mộc, hay thậm chí là các ngôi sao đang cháy sáng rực trong hàng tỷ năm như Mặt Trời, tất cả đều mang chung một hình dạng tròn trịa.

Để lý giải điều này, chúng ta phải trở về thời điểm năm 1687, khi nhà vật lý thiên tài người Anh Isaac Newton công bố tác phẩm kinh điển Các Nguyên lý Toán học của Triết học Tự nhiên. Định luật vạn vật hấp dẫn mà ông đưa ra không chỉ là nền tảng của vật lý hiện đại, mà còn là chìa khóa giúp giải thích hình dạng của các hành tinh.

Newton chỉ ra rằng mọi vật trong vũ trụ đều hút nhau bằng một lực gọi là lực hấp dẫn . Cường độ của lực này phụ thuộc trực tiếp vào khối lượng của hai vật và nghịch đảo bình phương khoảng cách giữa chúng. Điều này có nghĩa là thiên thể càng lớn thì lực hấp dẫn do nó tạo ra càng mạnh, và lực đó luôn hướng về tâm của chính nó.

Điểm mấu chốt nằm ở tính đẳng hướng của trọng lực. Đối với các thiên thể lớn như Trái Đất, lực hấp dẫn kéo vật chất từ mọi hướng về phía tâm. Không có hướng nào được ưu tiên, và điều đó khiến lực nén lên thiên thể trở nên đồng đều. Ta có thể hình dung Trái Đất như một giọt nước khổng lồ lơ lửng trong không gian. Khi không có tác động bên ngoài, giọt nước sẽ tự động co lại thành hình cầu để đạt diện tích bề mặt nhỏ nhất. Trên quy mô vũ trụ, vật chất trong các hành tinh cũng hành xử theo nguyên lý tương tự.

Dù cấu tạo bằng đá và kim loại, nhưng khi hành tinh còn trẻ và ở trạng thái nóng chảy, trọng lực sẽ liên tục kéo mọi khối vật chất nhô ra trở về gần tâm nhất có thể, san phẳng các đỉnh và lấp đầy các hõm.

Hành trình trở nên tròn trịa của Trái Đất bắt đầu từ khoảng 4,6 tỷ năm trước. Thuở đó, Hệ Mặt Trời chỉ là một tinh vân xoáy khổng lồ gồm khí và bụi. Dưới tác động hấp dẫn, các hạt bụi kết tụ thành các khối lớn hơn. Những va chạm liên tục khiến vật chất ngày càng tích tụ và tạo nên các tiền hành tinh.

Khi khối lượng tăng lên đến một mức đủ lớn, lượng năng lượng sinh ra từ va chạm và từ sự phân rã của các nguyên tố phóng xạ khiến toàn bộ khối vật chất nóng chảy, biến Trái Đất thời kỳ sơ khai thành một đại dương magma đỏ rực. Ở trạng thái lỏng này, lực hấp dẫn hoạt động hiệu quả nhất, nhanh chóng làm mờ đi mọi lồi lõm và kéo vật chất về trạng thái cân bằng thủy tĩnh. Hình cầu trở thành kết quả tất yếu.

Dù Trái Đất ngày nay đã nguội đi và hình thành lớp vỏ cứng, những nếp nhăn địa chất như đỉnh Everest hay rãnh Mariana vẫn không đủ lớn để phá vỡ tính tròn trịa của hành tinh nếu nhìn từ ngoài không gian. Độ chênh lệch cao nhất trên bề mặt Trái Đất chỉ chiếm một phần rất nhỏ so với đường kính 12.742 km của hành tinh. Vì vậy, Trái Đất vẫn được xem là một hình cầu gần như hoàn hảo.

Tuy nhiên, lực hấp dẫn không phải lúc nào cũng chi phối tuyệt đối hình dạng của một hành tinh. Có một lực khác luôn âm thầm tranh giành với nó: lực ly tâm sinh ra khi thiên thể quay quanh trục. Hầu hết các hành tinh và ngôi sao trong vũ trụ đều quay, và sự quay này khiến vật chất bị đẩy ra xa khỏi tâm.

Lực ly tâm mạnh nhất ở xích đạo, yếu hơn ở hai cực. Kết quả là hình dạng của thiên thể bị biến đổi: xích đạo phình ra còn hai cực bị kéo dẹt lại. Trái Đất vì thế không phải là một hình cầu hoàn hảo mà là một hình elip hơi bẹt. Đối với những hành tinh quay rất nhanh, ví dụ như Sao Thổ, hiệu ứng này còn rõ rệt hơn, khiến hành tinh có hình dạng giống quả cam dẹt nhiều hơn so với một quả cầu lý tưởng.

Nếu hình cầu là chuẩn mực dưới sự chi phối của trọng lực, tại sao trong vũ trụ lại có nhiều thiên thể có hình dạng kỳ lạ như củ khoai tây, quả tạ hay thậm chí là hình xương cá? Lời giải nằm ở giới hạn của trọng lực. Để một thiên thể có thể bị trọng lực nén thành hình cầu, nó phải đạt đến một khối lượng tối thiểu đủ để lực hấp dẫn thắng được độ cứng của vật liệu tạo nên nó.

Thông qua quan sát và tính toán, các nhà khoa học phát hiện rằng ranh giới này rơi vào khoảng đường kính 500 km. Các thiên thể nhỏ hơn con số này, như phần lớn tiểu hành tinh và sao chổi , không có đủ lực hấp dẫn để ép vật chất trở thành dạng cầu. Những tảng đá cứng trong chúng giữ nguyên hình dạng được tạo nên từ các vụ va đập và tích tụ hỗn loạn thuở ban đầu, dẫn đến những hình dáng kỳ dị mà ta quan sát được.

Ngược lại, với những thiên thể lớn hơn 500 km, trọng lực đủ mạnh để vượt qua độ cứng của đá, khiến cấu trúc vật chất sụp đổ hướng vào tâm và dần đạt đến cân bằng thủy tĩnh. Vì vậy, hầu hết hành tinh, hành tinh lùn và các mặt trăng lớn đều có hình cầu. Đây cũng chính là tiêu chí mà Liên minh Thiên văn Quốc tế sử dụng để phân biệt hành tinh, hành tinh lùn và các tiểu hành tinh nhỏ trong Hệ Mặt Trời.

Tóm lại, hình cầu không phải là lựa chọn của vũ trụ mà là kết quả tất yếu của những quy luật vật lý cơ bản nhất. Lực hấp dẫn kéo mọi thứ về tâm, trong khi tốc độ quay tạo ra sự điều chỉnh nhỏ. Những thiên thể đủ lớn sẽ tròn trịa, còn những thiên thể khiêm tốn về kích thước sẽ giữ hình dáng nguyên thủy đầy ngẫu hứng. Dù nhìn có vẻ đơn giản, hình cầu của các hành tinh lại là bằng chứng sinh động cho thấy vũ trụ tuân theo những quy luật tự nhiên vô cùng tinh tế và nhất quán trong suốt hàng tỷ năm hình thành và phát triển.