Tại sao các ngôi sao và hành tinh đều hình tròn?

Trong vũ trụ của chúng ta có vô số thiên thể, mặc dù những thiên thể này có kích thước và khối lượng khác nhau, nhưng chúng đều có một đặc điểm chung: đó là chúng đều có hình cầu.

Vậy tại sao chúng đều có hình cầu?

Câu trả lời là lực hấp dẫn đã chèn ép tất cả chúng thành hình cầu.

Mặt trời và tất cả 8 hành tinh trong Hệ Mặt trời đều tròn. Tại sao? Lực hấp dẫn của khối lượng của một hành tinh hút tất cả các vật chất của nó về phía tâm, làm phẳng bất cứ chỗ không tròn trịa gây khó chịu nào. Nhiều vật thể nhỏ hơn trong Hệ Mặt trời không tròn vì trọng lực của chúng không đủ để làm phẳng hình dạng của mình.

Tất cả có thể giải thích như sau. Hình dạng của các đối tượng nhỏ (chẳng hạn như vật kích thước bé, con người, nhà ở hay các tiểu hành tinh) được xác định bởi tính chất cơ học của nó. Chẳng hạn, bạn có thể cưa một phiến đá thành các hình dạng khác, viên đá sẽ không thể phục hồi lại hình dạng ban đầu do tính chất cơ học đã bị thay đổi.

Hình dạng của các đối tượng nhỏ được xác định bởi tính chất cơ học của nó.

Trong khi đó, hình dạng của các đối tượng lớn hơn lại chịu ảnh hưởng khá nhiều của lực hấp dẫn. Hãy thử tưởng tượng, nếu bạn muốn xây dựng một tòa nhà cao, bạn phải có móng vững chãi và kết cấu xây dựng phải cực kỳ chắc chắn, nếu không tòa nhà sẽ bị sập do ảnh hưởng của lực hấp dẫn.

Ta có thể thấy điều này từ tốc độ thoát của các vật thể. Để thoát khỏi trọng lực của Trái đất, bạn cần di chuyển với tốc độ 11km/giây hay 40.000km/giờ. Tốc độ đó cần phải có những tàu vũ trụ lớn nhất. Trái đất có khối lượng 6 x 10^24kg và khá tròn. Để thoát khỏi lực hấp dẫn của sao chổi 67P, nơi tàu thăm dò Rosetta và Philae của châu Âu đã ghé thăm, bạn cần di chuyển với tốc độ 1m/giây. Bạn có thể nhảy nhanh hơn thế. Sao chổi 67P không hề tròn, nó có khối lượng 10^13kg, nhẹ hơn Trái đất gần một nghìn tỷ lần, và có hình dạng như một con vịt nhựa.

Khi đường kính một vật thể trở nên lớn hơn vài trăm km, nó sẽ trở nên tròn hơn. Trong ví dụ của chúng ta, đường kính Trái đất là khoảng 12.700km; đường kính Sao chổi 67P là khoảng 4km.

Cũng như vậy, nếu một ngôi sao/hành tinh có dạng khối lập phương thay vì dạng hình cầu, các góc của khối lập phương sẽ nằm cao hơn các phần còn lại. Khi đó, lực hấp dẫn của ngôi sao/hành tinh sẽ phân phối không đều tại các điểm và không còn giữ được trạng thái cân bằng, khiến ngôi sao/hành tinh rơi khỏi quỹ đạo.

Mặt khác, ngôi sao/hành tinh ở dạng hình cầu có tính bảo toàn trạng thái tối ưu nhất, chúng có thể bị tác động bởi các lực bên ngoài nhưng không bị biến dạng cấu trúc ban đầu, dẫn tới lực hấp dẫn sẽ phân phối đều ở mọi điểm và giữ cho nó nằm trên quỹ đạo.

Mặc dù vậy, thực tế các ngôi sao và hành tinh không phải là những hình cầu dạng chuẩn. Chúng thường hơi phình to ra ở phần đường xích đạo.

Nhưng nói chung, trong vũ trụ, các thiên thể có khối lượng lớn hơn và lực hấp dẫn mạnh hơn sẽ tiến gần đến một hình cầu hoàn hảo hơn, chẳng hạn như Mặt Trời tròn hơn Trái Đất và Sao Mộc, nhưng hố đen lại tròn hơn Mặt Trời.

Vật thể có hình cầu hoàn hảo nhất trong vũ trụ được con người phát hiện ra là Kepler 11145123 (hay KIC 11145123), cách xa Trái Đất chúng ta 5.000 năm ánh sáng. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu dao động tự nhiên của Kepler 11145123 bằng kính viễn vọng không gian Kepler của NASA và tính toán được rằng, đường kính xích đạo và vùng cực của Kepler 11145123 chỉ chênh lệch nhau có 6km, mặc dù đường kính của ngôi sao này là 3 triệu km.