Ảnh minh họa
Tới nửa cuối thế kỷ 20 người ta bắt đầu nghĩ rằng Mặt Trăng-vệ tinh tự nhiên duy nhất của Trái Đất được hình thành sau vụ va chạm cực mạnh giữa một thiên thể có kích thước bằng sao Hỏa với Địa Cầu ở thời điểm hệ Mặt Trời còn hỗn mang. Nay thì giả thuyết đó lại được củng cố thêm nhờ nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học tại Đại học Washington ở St. Louis (WUSTL). Trong công trình vừa được đăng tải trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature, nhóm chuyên gia đã đưa ra các dữ liệu quan trọng chứng minh sự xuất hiện một cách bất thường thành phần của các đồng vị kẽm trong đá Mặt Trăng. Đây là hệ quả xảy ra khi có một vụ va chạm lớn giữa hai thiên thể, làm bay hơi các nguyên tố, sau đó chúng nguội đi và cô đặc lại.
Giả thuyết về vụ va chạm tạo sinh ra Mặt Trăng: những thành công và thiếu sót
Trong quá khứ người ta từng tin tưởng Mặt Trăng được tạo thành từ một phần Trái Đất nếu sự quay của nó tạo ra lực ly tâm đủ lớn để bắn vật chất vào không gian. Khi các lớp vật chất này tiến lại gần nhau, sự suy sụp hấp dẫn sẽ tạo nên Mặt Trăng. Tuy nhiên giả thuyết này sớm bị bác bỏ bởi các đo đạc về thành phần vật chất, quỹ đạo chuyển động của Mặt Trăng và Trái Đất ở thời điểm hiện tại.
Tới năm 1975, tại một hội nghị về khoa học vệ tinh, lần đầu tiên giả thuyết vụ va chạm lớn (Giant Impact Theory) hình thành nên Mặt Trăng được đề xuất. Theo giả thuyết này, 4,48 tỷ năm trước (khoảng 100 triệu năm sau khi hệ Mặt Trời hình thành), một thiên thể có kích cỡ sao Hỏa mà người ta gọi là Theia (đặt theo tên mẹ nữ thần Mặt Trăng trong thần thoại Hy Lạp) đã va chạm với tiền Trái Đất tạo ra một vụ nổ cực lớn.
Vụ va chạm đã khiến lõi của hai thiên thể hợp lại làm một, đồng thời vật chất ở lớp vỏ của cả hai bị năng lượng vụ nổ cùng nhiệt độ cao làm bốc hơi và đẩy vào không gian. Khi những dạng vật chất đó nguội đi, chúng ngưng kết với nhau tạo nên Mặt Trăng. Phần còn lại sau va chạm hình thành Trái Đất. Vụ va chạm giữa Theia và tiền Trái Đất khá giống sự kiện một tiểu hành tinh đâm xuống Địa Cầu 65 triệu năm trước gây ra sự tuyệt chủng của loài khủng long. Tuy nhiên, tiểu hành tinh đó chỉ có kích thước tương đương một thành phố. Còn trong trường hợp vụ va chạm lớn, với kích thước cỡ sao Hỏa của Theia, quy mô cũng như sức tàn phá của nó khủng khiếp hơn nhiều.
Dựa vào mô hình của lý thuyết vụ va chạm lớn, người ta đã áp dụng các mô phỏng trên cơ sở những nguyên tắc cơ bản của động lực học thiên thể nhằm tái hiện lại sự kiện diễn ra 4,48 tỷ năm trước bằng máy tính. Kết quả cho thấy Trái Đất và Mặt Trăng sinh ra trong mô phỏng có qũy đạo khớp với các đo đạc hiện tại. Hơn nữa, mô phỏng trên cũng cung cấp công cụ để giải thích chính xác một số đặc điểm của đá trên Mặt Trăng khi người ta mang chúng về Trái Đất sau những chuyến đi của các tàu Apollo.
Tuy nhiên, vẫn còn một vấn đề khiến giả thuyết về vụ va chạm lớn chưa hoàn hảo, đó là cho tới nay phân tích thành phần của đá Mặt Trăng cho thấy chúng chỉ chứa các đồng vị hóa học có khối lượng trung bình (tính theo một loại nguyên tố). Nếu xem xét theo mô hình vụ va chạm lớn, quá trình va chạm làm giải phóng một lượng nhiệt năng khổng lồ. Nguồn nhiệt này sẽ làm bốc hơi vật chất bề mặt hai thiên thể theo trình tự như sau: những đồng vị hạt nhân nhẹ sẽ bốc hơi trước và nhanh hơn các đồng vị nặng (của cùng một nguyên tố). Ngược lại, khi quá trình cô đặc diễn ra, các đồng vị nặng lại ngưng tụ nhanh hơn, trong khi các đồng vị nhẹ có thể chưa kịp liên kết với nhau thành thể rắn. Do đó, nếu Mặt Trăng được hình thành theo cách này, thì lớp đá của nó phải chứa các thành phần đồng vị nặng lớn hơn so với trước khi va chạm hoặc lớn hơn so với các lớp đá trên Trái Đất. Đáng tiếc là các kết quả thu được chưa cho thấy khả năng có mặt vượt trội của các đồng vị nặng (của một nguyên tố) khi phân tích các mẫu đá Mặt Trăng.
Bằng chứng mới bổ sung từ nghiên cứu tại Đại học Washington ở St. Louis
Nhằm tìm kiếm một bằng chứng xác thực để củng cố tính đúng đắn của lý thuyết về vụ va chạm lớn, nhóm nghiên cứu tại Đại học Washington ở St. Lious đã tiến hành phân tích nhiều mẫu vật. Cụ thể, họ đã kiểm tra 20 mẫu đá được lấy từ các vị trí khác nhau trên Mặt Trăng, tất cả chúng đều được đưa về Trái Đất sau những chuyến hành trình của các tàu Apollo 11, Apollo 12, Apollo 15, và Apollo 17. Ngoài ra còn một mẫu đá khác thu được trên Trái Đất từ mảnh thiên thạch bị bắn ra khỏi bề mặt Mặt Trăng.
Theo các nhà khoa học, các mẫu đá mà họ nghiên cứu là đá bazan (loại đá hình thành sau khi dung nham nóng chảy nguội đi) vì chúng có các thành phần hóa học đặc trưng cho một thiên thể như Mặt Trăng. Mặc dù vậy, khó khăn lớn nhất mà họ gặp phải là sự khác biệt tỷ lệ thành phần nguyên tố ở các loại bazan khác nhau là khác nhau, ví dụ như tỷ lệ titan nằm ở một dải rộng thang thành phần. Tuy nhiên, cuối cùng họ nhận ra rằng, sự có mặt của các đồng vị kẽm là giống nhau ở tất cả các mẫu trên.
Để có một chuẩn so sánh, nhóm các nhà khoa học thiên thể đã phân tích thêm 10 mẫu đá sao Hỏa cũng như các mẫu đá trên Trái Đất. Kết quả chỉ ra tỷ lệ khác biệt giữa đồng vị kẽm nặng và đồng vị kẽm nhẹ ở đá Mặt Trăng lớn gấp 10 lần chỉ số tương ứng ở các mẫu đá sao Hỏa và Trái Đất.
Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu
Quảng cáo
Các thiên thể như Trái Đất và sao Hỏa là những kiểu hành tinh đặc trưng xuất hiện kể từ khi hệ Mặt Trời hình thành. Thành phần vật chất của chúng giống hoàn toàn với thành phần vật chất của các đám bụi và khí trong hệ Mặt Trời trước đây. Trong khi đó ở đá Mặt Trăng, các nguyên tử kẽm nhẹ có mặt ít hơn và các nguyên tử kẽm nặng xuất hiện nhiều hơn. Ngoài ra, sự khác biệt tỷ lệ giữa các loại đồng vị này là giống nhau ở tất cả các mẫu đá Mặt Trăng. Do đó, đây là bằng chứng rõ ràng nhất về việc khí và hơi cô đặc lại ở quy mô lớn sau khi chúng được phóng ra từ vụ va chạm giữa thiên thể Theia và tiền Trái Đất.
Kết quả này cũng có ảnh hưởng mạnh mẽ tới việc nghiên cứu kĩ hơn về nguồn gốc Trái Đất. Rõ ràng, Mặt Trăng từng là một phần của Địa Cầu, vì vậy vụ va cham lớn xảy ra đã dẫn tới nhiều thay đổi về trạng thái của Trái Đất. Sau khi va chạm với Theia, Trái Đất sinh ra quay nhanh hơn, nên thời gian một ngày ngắn hơn, khí hậu và thời tiết trên bề mặt hành tinh sẽ vô cùng khắc khiệt và cực kì hỗn loạn.
Nguồn: Đại học Washington ở St. Louis
