Khi nhìn vào những hình ảnh tuyệt đẹp của vũ trụ, chúng ta thường thấy các thiên hà có dạng đĩa phẳng, xoắn ốc lộng lẫy. Điều này đặt ra một câu hỏi thú vị: Tại sao vật chất lại tự sắp xếp thành một chiếc đĩa mỏng manh thay vì một khối cầu khổng lồ? Câu trả lời nằm ở một trong những nguyên lý vật lý cơ bản nhất: sự bảo toàn động lượng góc.
Không Phải Mọi Thiên Hà Đều Phẳng
Trước hết, cần phải làm rõ rằng không phải tất cả các thiên hà đều có dạng đĩa. Có rất nhiều loại thiên hà với hình dạng khác nhau, ví dụ như các thiên hà hình elip (elliptical), vốn có dạng gần giống hình cầu hoặc hình quả bóng bầu dục.
Tuy nhiên, các thiên hà hình đĩa và xoắn ốc là cực kỳ phổ biến, và quá trình hình thành của chúng là một ví dụ tuyệt vời về cách các quy luật vật lý định hình vũ trụ.
Khởi Đầu Hỗn Loạn
Hãy tưởng tượng một thiên hà trẻ, vừa được hình thành từ một đám mây khí và bụi khổng lồ, trải dài hàng ngàn năm ánh sáng. Ở giai đoạn này, nó không hề có hình đĩa. Nó là một khối cầu hỗn loạn, nơi hàng tỷ tỷ hạt bụi và khí di chuyển theo mọi hướng ngẫu nhiên.
Tuy nhiên, dù hỗn loạn đến đâu, toàn bộ đám mây khổng lồ này vẫn có một thứ gọi là "động lượng góc tổng thể". Đây là tổng hợp chuyển động của tất cả các hạt riêng lẻ. Kết quả là đám mây sẽ có một xu hướng quay rất nhẹ quanh một trục trung tâm, dù ban đầu có thể không đáng chú ý.
Quá Trình "Dàn Phẳng" - Sự Bảo Toàn Động Lượng Góc
Bây giờ, hãy tưởng tượng hai hạt bụi A và B đang bay ngược chiều nhau. Khi chúng va chạm, chuyển động tịnh tiến của chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Tuy nhiên, chuyển động quay (động lượng góc) của chúng quanh tâm thiên hà vẫn được bảo toàn.
Điều này xảy ra hàng tỷ tỷ lần trong suốt hàng triệu và hàng tỷ năm. Lực hấp dẫn thì không ngừng kéo mọi thứ về phía trung tâm khối lượng, trong khi các hạt thì liên tục va chạm:
- Các chuyển động lên-xuống, ra-vào (vuông góc với hướng quay chung) sẽ dần bị triệt tiêu qua các vụ va chạm.
- Chuyển động quay theo một hướng chung (cùng chiều với động lượng góc tổng thể) sẽ được bảo toàn, vì các hạt di chuyển cùng hướng sẽ ít va chạm hủy diệt lẫn nhau hơn.
Quá trình này giống hệt như một vận động viên trượt băng nghệ thuật đang xoay tròn. Khi cô ấy khép tay lại gần cơ thể, tốc độ quay của cô ấy sẽ tăng lên đột ngột. Đó là do động lượng góc được bảo toàn. Tương tự, khi thiên hà co lại dưới tác động của lực hấp dẫn, tốc độ quay của nó cũng tăng lên.
Kết quả cuối cùng là gì? Sau hàng tỷ năm, phần lớn các chuyển động hỗn loạn đã bị loại bỏ. Tất cả vật chất (nay đã kết tụ thành sao, hành tinh) bị ép vào một mặt phẳng duy nhất, xoay quanh một trục trung tâm. Đây là trạng thái ổn định nhất và có mức năng lượng thấp nhất cho một hệ thống đang tự quay và co lại dưới tác động của lực hấp dẫn.
Đó là lý do tại sao, từ một đám mây hình cầu hỗn loạn, vũ trụ đã "điêu khắc" nên những thiên hà hình đĩa phẳng và xoắn ốc tuyệt đẹp mà chúng ta thấy ngày nay.
