Mars chỉ có kích thước khoảng một nửa Earth và khối lượng chỉ bằng khoảng một phần mười, khiến nó tương đối nhỏ so với nhiều hành tinh khác. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy hành tinh đỏ này âm thầm ảnh hưởng đến quỹ đạo của Trái Đất và góp phần định hình các mô hình khí hậu dài hạn, bao gồm cả thời điểm xảy ra các kỷ băng hà.

Stephen Kane, giáo sư vật lý thiên văn hành tinh tại University of California, Riverside, bắt đầu nghiên cứu với sự hoài nghi về những công trình trước đó cho rằng sao Hỏa ảnh hưởng đến các chu kỳ khí hậu cổ xưa của Trái Đất. Những nghiên cứu này đề xuất rằng các lớp trầm tích đáy đại dương ghi lại nhịp điệu khí hậu liên quan đến lực hấp dẫn của sao Hỏa, dù hành tinh này ở xa và khá nhỏ.

“Tôi biết sao Hỏa có ảnh hưởng nào đó đến Trái Đất, nhưng tôi nghĩ nó rất nhỏ,” Kane nói. “Tôi từng cho rằng lực hấp dẫn của nó quá yếu để có thể quan sát rõ trong lịch sử địa chất của Trái Đất. Tôi bắt đầu nghiên cứu để kiểm chứng lại chính giả định của mình.”

Mô phỏng Hệ Mặt Trời

Để kiểm tra giả thuyết, Kane đã chạy các mô phỏng máy tính mô hình hóa Solar System và theo dõi những thay đổi dài hạn trong quỹ đạo và độ nghiêng trục của Trái Đất. Những biến đổi này kiểm soát lượng ánh sáng Mặt Trời đến bề mặt hành tinh trong các khoảng thời gian từ hàng chục nghìn đến hàng triệu năm.

Những mô hình này được gọi là chu kỳ Milankovitch cycles và đóng vai trò then chốt trong việc hiểu sự bắt đầu và kết thúc của các kỷ băng hà. Kỷ băng hà là khoảng thời gian dài khi các tảng băng lớn tồn tại ở hai cực. Trong lịch sử 4,5 tỷ năm, Trái Đất đã trải qua ít nhất 5 kỷ băng hà lớn, trong đó kỷ gần nhất bắt đầu khoảng 2,6 triệu năm trước và vẫn tiếp diễn đến nay.

Một trong những chu kỳ này kéo dài khoảng 430.000 năm, chủ yếu do lực hấp dẫn của Venus và Jupiter. Trong khoảng thời gian này, quỹ đạo của Trái Đất dần thay đổi hình dạng, từ gần tròn sang kéo dài hơn rồi lại trở về dạng tròn. Những thay đổi này ảnh hưởng đến lượng năng lượng Mặt Trời mà hành tinh nhận được và có thể tác động đến sự phát triển hoặc tan chảy của các tảng băng.

Những chu kỳ biến mất nếu không có sao Hỏa

Chu kỳ 430.000 năm vẫn tồn tại trong các mô phỏng của Kane, bất kể có sao Hỏa hay không. Tuy nhiên, khi loại bỏ sao Hỏa, hai chu kỳ quan trọng khác—một chu kỳ 100.000 năm và một chu kỳ kéo dài 2,3 triệu năm—biến mất hoàn toàn.

“Khi bạn loại bỏ sao Hỏa, những chu kỳ đó biến mất,” Kane nói. “Và nếu tăng khối lượng của sao Hỏa, chúng sẽ ngắn lại vì ảnh hưởng của sao Hỏa trở nên mạnh hơn.”

Những chu kỳ này ảnh hưởng đến độ lệch tâm quỹ đạo của Trái Đất (mức độ tròn hay kéo dài), thời điểm Trái Đất đến gần Mặt Trời nhất, và độ nghiêng trục quay (obliquity). Tất cả đều quyết định lượng ánh sáng Mặt Trời mà các khu vực trên Trái Đất nhận được, từ đó ảnh hưởng đến các chu kỳ băng hà và khí hậu dài hạn. Kết quả của Kane cho thấy sao Hỏa có vai trò có thể đo lường được trong cả hai yếu tố này.

“Sao Hỏa càng xa Mặt Trời thì ảnh hưởng hấp dẫn của nó lên Trái Đất càng lớn so với khi nó ở gần hơn,” Kane giải thích. “Nó có ảnh hưởng vượt xa kích thước thực của mình.”

Ảnh hưởng bất ngờ đến độ nghiêng của Trái Đất

Một phát hiện bất ngờ khác là cách khối lượng của sao Hỏa ảnh hưởng đến tốc độ thay đổi độ nghiêng trục của Trái Đất. Hiện tại, Trái Đất nghiêng khoảng 23,5 độ và góc này thay đổi nhẹ theo thời gian.

“Khi chúng tôi tăng khối lượng của sao Hỏa trong mô phỏng, tốc độ thay đổi độ nghiêng của Trái Đất giảm xuống,” Kane cho biết. “Vì vậy, việc tăng khối lượng sao Hỏa có tác dụng ổn định độ nghiêng của chúng ta.”

Nghiên cứu được công bố trên Publications of the Astronomical Society of the Pacific không chỉ định lượng ảnh hưởng của sao Hỏa lên quỹ đạo Trái Đất mà còn gợi mở những ý nghĩa rộng hơn. Các mô phỏng của Kane cho thấy ngay cả những hành tinh nhỏ ở rìa ngoài trong các hệ sao khác cũng có thể âm thầm định hình sự ổn định của những thế giới có khả năng tồn tại sự sống.

“Khi tôi nhìn vào các hệ hành tinh khác và tìm thấy một hành tinh giống Trái Đất trong vùng có thể ở được, thì các hành tinh xa hơn trong hệ đó có thể ảnh hưởng đến khí hậu của hành tinh giống Trái Đất này,” Kane nói.

Kết quả cũng đặt ra câu hỏi về việc Trái Đất có thể đã tiến hóa khác đi như thế nào. Các thời kỳ băng hà khiến rừng thu hẹp và đồng cỏ mở rộng, dẫn đến những thay đổi tiến hóa quan trọng như đi thẳng, sử dụng công cụ và hợp tác xã hội.

“Nếu không có sao Hỏa, quỹ đạo của Trái Đất sẽ thiếu những chu kỳ khí hậu quan trọng,” Kane nói thêm. “Con người và các loài động vật khác sẽ trông như thế nào nếu sao Hỏa không tồn tại?”