Tóm tắt trong năm phút
Một thế giới bị khóa thủy triều khi nó tự quay đúng một vòng cho mỗi vòng quay quanh vật thể mà nó xoay quanh. Mặt Trăng là ví dụ ai cũng nhìn thấy được. Mặt Trăng mất khoảng 27,3 ngày để quay quanh Trái Đất và cũng khoảng 27,3 ngày để tự quay một vòng, nên cùng một mặt luôn hướng về phía chúng ta.
Đây không phải là chuyện riêng của Mặt Trăng. Phần lớn các mặt trăng lớn trong Hệ Mặt Trời đều bị khóa với hành tinh của chúng, kể cả bốn mặt trăng lớn của Sao Mộc, mà bạn có thể tìm hiểu trong bài về các mặt trăng của Sao Mộc. Nhiều hành tinh quay quanh các ngôi sao đỏ nhỏ cũng được dự đoán là bị khóa như vậy.
Tóm gọn lại:
- Lực hấp dẫn kéo giãn một thế giới đôi chút, tạo ra một chỗ phình thủy triều.
- Nếu thế giới tự quay với tốc độ khác với tốc độ quay quanh quỹ đạo, chỗ phình bị kéo lệch khỏi đường thẳng, và lực kéo ấy hoạt động như một cái phanh đối với chuyển động tự quay.
- Việc hãm phanh kết thúc khi chu kỳ tự quay và chu kỳ quỹ đạo bằng nhau. Lúc này chỗ phình nằm yên thẳng hàng và thế giới đã bị khóa.
- Quỹ đạo càng gần thì điều này xảy ra càng sớm.
Khóa thủy triều nghĩa là gì? Cơ chế hoạt động
Lực hấp dẫn kéo mạnh hơn lên phía của vật thể ở gần bạn đồng hành so với phía xa. Chênh lệch đó chính là lực thủy triều, và nó kéo giãn vật thể một chút theo đường nối tới bạn đồng hành. Trên Trái Đất, đại dương thể hiện rõ nhất điều này, nhưng đá rắn cũng bị kéo giãn. Mặt Trăng hơi thuôn dài một chút, với trục dài chỉ gần đúng về phía Trái Đất.
Giờ hãy thêm chuyển động tự quay. Hãy hình dung một Mặt Trăng còn trẻ quay nhanh hơn tốc độ quay quanh quỹ đạo. Đá không biến dạng theo ngay tức thì, nên chỗ phình bị cuốn đi lệch về phía trước so với đường nối tới Trái Đất. Lực hấp dẫn của Trái Đất kéo lên chỗ phình lệch đó, và lực kéo này chống lại chuyển động tự quay, hơi giống một bàn tay đặt lên bánh xe đang quay. Ma sát bên trong Mặt Trăng biến phần năng lượng quay bị mất thành nhiệt.
Việc hãm phanh dừng lại khi chu kỳ tự quay bằng chu kỳ quỹ đạo. Từ đó, chỗ phình nằm trên đường nối hai thiên thể, không còn gì kéo nó lệch sang bên, và chuyển động tự quay giữ nguyên.
Có ba yếu tố quyết định quá trình này kéo dài bao lâu. Thứ nhất là khoảng cách: thời gian tăng xấp xỉ theo lũy thừa sáu của khoảng cách quỹ đạo, nên nếu khoảng cách tăng gấp đôi thì việc khóa chậm hơn khoảng sáu mươi lần. Thứ hai là khối lượng của thiên thể lớn hơn, vì bạn đồng hành càng nặng thì thủy triều càng lớn. Thứ ba là cấu tạo của thiên thể nhỏ hơn, tức độ cứng của nó và mức độ phần bên trong biến sự biến dạng thành nhiệt. Các mặt trăng gần bị khóa sớm. Những mặt trăng ở xa có thể không bao giờ bị khóa trong suốt tuổi của Vũ trụ.
Có một điểm khiến nhiều người nhầm: bị khóa không có nghĩa là không quay. Một mặt trăng bị khóa vẫn quay, mỗi vòng quỹ đạo một lần. Chính vì vậy mà một mặt luôn hướng về bạn đồng hành của nó.
Mặt Trăng, ví dụ gần nhất của chúng ta
Gần như suốt lịch sử loài người, không ai thấy được phía bên kia của Mặt Trăng. Những bức ảnh đầu tiên đến từ tàu thăm dò Luna 3 của Liên Xô vào tháng 10 năm 1959, và tháng 1 năm 2019, tàu Hằng Nga 4 (Chang'e 4) của Trung Quốc trở thành tàu vũ trụ đầu tiên hạ cánh ở đó. Mặt xa trông khác với mặt gần: lớp vỏ dày hơn và có ít hơn nhiều những đồng bằng dung nham tối màu gọi là biển Mặt Trăng (maria).
Người ta hay gọi đó là mặt tối, nhưng cách gọi này sai. Mặt xa nhận ánh sáng Mặt Trời như mọi phần khác của Mặt Trăng. Vào ngày không trăng (trăng mới), khi mặt gần không được chiếu sáng, mặt xa lại đang giữa ban ngày.
Theo thời gian, chúng ta thực ra thấy được hơn một nửa bề mặt, khoảng 59 phần trăm, vì quỹ đạo của Mặt Trăng không tròn hoàn hảo và trục của nó bị nghiêng. Mặt Trăng trông như hơi gật và lắc nhẹ, hiệu ứng này gọi là dao động biểu kiến (libration).
Câu chuyện vẫn chưa kết thúc. Thủy triều do Mặt Trăng gây ra làm Trái Đất quay chậm đi một chút, thêm khoảng hai phần nghìn giây vào độ dài ngày sau mỗi thế kỷ, và Mặt Trăng đang rời xa Trái Đất khoảng 3,8 xentimét mỗi năm. Về nguyên tắc, một ngày nào đó Trái Đất cũng có thể bị khóa với Mặt Trăng, nhưng điều đó sẽ mất nhiều thời gian hơn rất nhiều so với tuổi thọ của Mặt Trời.
Khoa học thực sự nói gì
Dưới đây là những điều đã được đo đạc, tiếp theo là những điều các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu.
Đã được xác lập: hầu hết mặt trăng lớn đều bị khóa
Bị khóa là kết quả bình thường đối với các mặt trăng lớn. Io, Europa, Ganymede và Callisto của Sao Mộc đều bị khóa, cũng như các mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ, trong đó có Titan. Sao Diêm Vương (Pluto) và mặt trăng lớn Charon bị khóa với nhau: mỗi thiên thể giữ một mặt hướng về thiên thể kia, và cả hai cùng quay một vòng sau 6,4 ngày.
Đã được xác lập: sự nóng lên do thủy triều
Bị khóa không có nghĩa là hiệu ứng thủy triều chấm dứt. Quỹ đạo của Io hơi bầu dục, vì Europa và Ganymede kéo nó theo một nhịp lặp lại: Io quay quanh Sao Mộc bốn vòng thì Europa quay hai vòng và Ganymede một vòng. Khi Io tiến lại gần Sao Mộc rồi lại ra xa, chỗ phình thủy triều của nó dâng lên rồi hạ xuống, và lớp đá bị uốn nắn. Sự uốn nắn đó làm nóng phần bên trong Io, và đó là lý do Io là thiên thể có hoạt động núi lửa mạnh nhất trong Hệ Mặt Trời, với hàng trăm ngọn núi lửa. Nhiệt cùng loại này được cho là góp phần giữ cho đại dương dưới lớp băng của Europa không bị đóng băng. Để biết thêm, hãy xem trang về Io.
Đã được xác lập: Sao Thủy không bị khóa
Sao Thủy quay ba vòng cho mỗi hai vòng quanh Mặt Trời, tức là cộng hưởng tự quay – quỹ đạo 3:2. Chu kỳ tự quay của nó khoảng 58,6 ngày và một năm của nó khoảng 88 ngày, nên từ lần mặt trời mọc này đến lần mặt trời mọc kế tiếp mất khoảng 176 ngày. Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn tin rằng Sao Thủy luôn hướng một mặt về Mặt Trời; các phép đo bằng radar năm 1965 cho thấy điều ngược lại. Sao Kim cũng quay chậm, mất khoảng 243 ngày để quay một vòng, theo chiều ngược, nhưng nó cũng không bị khóa.
Vẫn đang được tìm hiểu: hành tinh quanh sao lùn đỏ
Sao lùn đỏ là những ngôi sao nhỏ, mờ, và khoảng ba trong bốn ngôi sao trong thiên hà của chúng ta thuộc loại này. Một hành tinh phải quay rất gần sao lùn đỏ mới đủ ấm để có nước lỏng, và ở khoảng cách đó thì khả năng bị khóa là cao. Proxima b, hành tinh quanh ngôi sao gần nhất ngoài Mặt Trời, có chu kỳ quỹ đạo khoảng 11 ngày. TRAPPIST-1 có bảy hành tinh với chu kỳ quỹ đạo từ khoảng 1,5 đến 19 ngày. Những hành tinh như vậy nhiều khả năng bị khóa hoặc rơi vào một trạng thái cộng hưởng như của Sao Thủy, nhưng chuyển động tự quay của hầu hết chúng chưa được đo trực tiếp.
Điều này tác động thế nào lên một hành tinh vẫn còn đang được tranh luận. Hình dung đơn giản nhất là một thế giới "nhãn cầu" (eyeball): một bên ban ngày bị thiêu đốt, một bên ban đêm đóng băng và một vành hoàng hôn dịu mát ở giữa, gọi là đường phân chia sáng tối (terminator). Các mô hình khí hậu cho thấy một bầu khí quyển hoặc đại dương đủ dày có thể chuyển nhiệt đi khắp nơi và làm giảm bớt sự tương phản. Nhưng sao lùn đỏ cũng phóng ra những vụ bùng phát mạnh, có thể thổi bay một bầu khí quyển mỏng. Các phép đo ban đầu của Kính viễn vọng Không gian James Webb với hai hành tinh trong cùng của TRAPPIST-1 cho thấy chúng có rất ít hoặc không có bầu khí quyển dày. Với các hành tinh ngoài lạnh hơn, câu trả lời vẫn còn đang được tìm kiếm. Nhiều sao Mộc nóng (hot Jupiter), tức hành tinh khổng lồ quay rất sát ngôi sao của chúng, cũng được cho là bị khóa, với phía ban ngày nóng rực.
Khóa thủy triều trong tiểu thuyết
Khóa thủy triều đã định hình khoa học viễn tưởng suốt một thế kỷ, một phần vì khoa học thời trước từng hiểu sai. Cho đến thập niên 1960, nhiều nhà thiên văn vẫn tin rằng Sao Kim và Sao Thủy luôn hướng một mặt về Mặt Trời. Stanley G. Weinbaum dùng phiên bản Sao Kim trong 'The Lotus Eaters' (1935), nơi sự sống bám vào một dải hoàng hôn hẹp giữa phía ban ngày bị thiêu đốt và phía ban đêm đóng băng. Sau đó radar cho thấy Sao Kim quay chậm theo chiều ngược, còn Sao Thủy quay ba vòng cho mỗi hai vòng quỹ đạo, nên Sao Kim hoàng hôn vĩnh cửu trở thành một hình ảnh của một thời đã qua.
Tiểu thuyết 2312 (2012) của Kim Stanley Robinson mượn một nửa khác của ý tưởng này. Sao Thủy không bị khóa, nhưng bình minh ở đó đến chậm đến mức một thành phố tên Terminator chạy trên đường ray quanh hành tinh để luôn đi trước ánh bình minh.
Các nhà văn hiện đại dùng khoa học ngoại hành tinh có thật. Những thế giới nhãn cầu với một vành hoàng hôn có thể sống được xuất hiện trong nhiều truyện gần đây, và bối cảnh này trao cho nhà văn sẵn một tấm bản đồ: hướng về Mặt Trời là nóng, phía xa là băng, còn đường phân chia sáng tối là mọi thứ ở giữa. Khi một câu chuyện cho bạn một thế giới hoàng hôn vĩnh cửu, hãy hỏi ba câu. Nó bị khóa hay chỉ ở trạng thái cộng hưởng? Có đủ khí quyển để chuyển nhiệt không? Tác giả có quan tâm đến điều đó không? Câu trả lời cho thấy phần khoa học được coi trọng đến đâu.
Những hiểu lầm phổ biến
- Mặt Trăng có một mặt tối. Nó có một mặt xa. Mọi phần của Mặt Trăng đều nhận được ánh sáng Mặt Trời trong một tháng của nó.
- Bị khóa nghĩa là không quay. Một thế giới bị khóa quay mỗi vòng quỹ đạo một lần. Chính việc hai chu kỳ bằng nhau mới giữ một mặt luôn hướng vào trong.
- Sao Thủy bị khóa thủy triều. Không phải. Nó quay ba vòng cho mỗi hai vòng quỹ đạo.
- Một hành tinh bị khóa là nửa lửa, nửa băng. Đó là trường hợp cực đoan. Khí quyển, đại dương và tốc độ hành tinh được làm nóng đều làm thay đổi bức tranh, và các mô hình không thống nhất về việc phía ban đêm có thể dịu mát đến đâu.
- Chỉ có mặt trăng mới bị khóa. Hành tinh, hành tinh lùn và thậm chí các ngôi sao trong cặp sao gần nhau cũng có thể bị khóa, và Sao Diêm Vương cùng Charon bị khóa với nhau.
- Trái Đất sắp bị khóa với Mặt Trăng. Sự thay đổi là có thật nhưng rất nhỏ, và việc khóa hoàn toàn sẽ mất nhiều thời gian hơn rất nhiều so với tuổi thọ của Mặt Trời.
Đọc tiếp
Muốn thấy hiện tượng khóa ở quy mô hùng vĩ nhất? Bài về các mặt trăng của Sao Mộc giới thiệu bốn thế giới bị khóa, mỗi nơi một vẻ rất khác nhau. Sau đó hãy đọc về Io, nơi sự uốn nắn do thủy triều tạo ra những ngọn núi lửa dữ dội nhất trong Hệ Mặt Trời.
