Bí mật đá Mặt trăng hé lộ sau 51 năm: Khám phá buộc giới thiên văn ‘phải viết lại sách’

Mẫu vật Mặt trăng này ẩn chứa câu trả lời cho loạt câu hỏi lớn về vệ tinh tự nhiên của Trái đất.

Một loạt đá Mặt trăng được đưa đến Trái đất vào năm 1972 hóa ra lại chứa những mảnh Mặt trăng cổ xưa nhất mà con người từng tìm thấy tính cho đến nay. Và nó hứa hẹn hé lộ những bí mật lớn về Mặt trăng – thiên thể gần Trái đất nhất.

Bí mật hé lộ sau nửa thế kỷ

Trong sứ mệnh Apollo 17 năm 1972 của NASA – lần cuối cùng con người đi bộ trên Mặt trăng trong thế kỷ 20 – các phi hành gia người Mỹ Harrison Schmitt và Eugene Cernan đã thu thập được khoảng 110 kg mẫu đất và đá Mặt trăng, đưa về Trái đất để nghiên cứu thêm.

Phi hành gia Apollo 17 Harrison Schmitt đang thu thập đá và đá vụn Mặt trăng có kích thước từ 1,3-2,5cm (Ảnh: NASA).

Nửa thế kỷ sau, các tinh thể khoáng vật zircon bên trong mảnh đá do chuyên gia địa chất Harrison Schmitt thu thập đang giúp các nhà khoa học hiểu sâu hơn về sự hình thành của Mặt trăng và tuổi chính xác của nó, Reuters thông tin.

Dựa trên các phân tích về tinh thể này, các nhà khoa học hôm thứ Hai 23/10 cho biết Mặt trăng già hơn khoảng 40 triệu năm so với suy nghĩ trước đây – Điều đó cho thấy Mặt trăng đã 4,46 tỷ năm tuổi, thay vì 4,42 tỷ năm như ước tính trước đây.

Space cho hay, một lý thuyết phổ biến, được gọi là Giả thuyết về vụ va chạm khổng lồ, thừa nhận giả thuyết hàng đầu về sự hình thành của Mặt trăng là: Trong thời kỳ đầu hỗn loạn của Hệ mặt trời, một vật thể có kích thước bằng sao Hỏa tên là Theia đã đâm vào Trái đất nguyên thủy.

Hệ quả của vụ nổ là phóng ra lượng magma – đá nóng chảy – vào không gian, tạo thành một đĩa mảnh vụn quay quanh Trái đất và kết tụ lại thành Mặt trăng.

Mặc dù có thể hiểu được sự hình thành của Mặt trăng, nhưng bài toán khó đối với các nhà khoa học chính là: Chính xác thì vụ va chạm này xảy ra khi nào và Mặt trăng hình thành trong bao lâu. Cho đến nay vẫn là một câu hỏi bỏ ngỏ.

Để giải bài toán này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp gọi là Chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử để xác nhận tuổi của zircon – chất rắn đầu tiên kết tinh sau khi Mặt trăng hình thành.

Các tinh thể khoáng vật zircon có thể hình thành sau khi magma nguội và đông đặc lại, và nó ở bên trong mảnh vỡ của một loại đá gọi là Norite do Harrison Schmitt thu thập.

Một hạt zircon Mặt trăng dưới kính hiển vi (Ảnh: Jennika Greer/Đại học Glasgow, Anh).

Để xác định tuổi của mẫu, các nhà nghiên cứu đã xác định và lập bản đồ các nguyên tử riêng lẻ trong một mẫu Mặt trăng.

Đầu tiên, họ “làm sắc nét nó” bằng cách sử dụng chùm electron tập trung vào mẫu. Sau đó, nhóm của Jennika Greer – tác giả chính – sử dụng tia laser để làm bay hơi các nguyên tử từ đầu mẫu được mài sắc và đo tốc độ của các nguyên tử đó.

“Việc chúng di chuyển nhanh như thế nào cho chúng ta biết chúng nặng bao nhiêu, từ đó cho các nhà nghiên cứu biết chúng được làm từ gì” – Jennika Greer cho biết.

Kết quả, các nhà khoa học đã đo lượng nguyên tử uranium và chì trong mẫu, với kiến thức trước đây về tốc độ phân rã của các nguyên tử, họ đã xác định tuổi của mẫu là 4,46 tỷ năm.

“Thật kinh ngạc khi chúng ta đang nắm trong tay bằng chứng của mảnh Mặt trăng cổ nhất mà con người tìm thấy cho đến nay. Đó là điểm mấu chốt cho rất nhiều câu hỏi về Trái đất. Khi bạn biết một thứ gì đó bao nhiêu tuổi, bạn có thể hiểu rõ hơn điều gì đã xảy ra với nó trong lịch sử của nó” – nhóm các nhà khoa học cho biết.

“Vào thời điểm NASA mang về Trái đất mẫu vật này, kỹ thuật chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử chưa được phát triển và các nhà khoa học thời đó sẽ không thể tưởng tượng được những kiểu phân tích mà chúng ta thực hiện ngày nay” – Nhà hóa học vũ trụ Philipp Heck, Giám đốc nghiên cứu cấp cao tại Bảo tàng Field ở Chicago (Mỹ), kiêm giáo sư Đại học Chicago và là tác giả cấp cao của nghiên cứu được công bố trên tạp chí Geochemical Perspectives Letters, cho biết.

Khoáng chất tồn tại mãi mãi

“Thật thú vị, tất cả các khoáng chất lâu đời nhất được tìm thấy trên Trái đất, sao Hỏa và Mặt trăng đều là tinh thể zircon. Zircon, chứ không phải kim cương, có thể tồn tại mãi mãi” – Bidong Zhang, nhà khoa học hành tinh tại Đại học California, Los Angeles (UCLA) và đồng tác giả nghiên cứu cho biết thêm.

Đá chứa zircon được thu thập tại thung lũng Taurus-Littrow ở rìa phía đông nam của Mare Serenitatis (Biển thanh bình) của Mặt trăng và được lưu trữ tại Trung tâm vũ trụ Johnson của NASA ở Houston.

Giáo sư Philipp Heck cho biết: “Zircon rất cứng, bền và có thể tồn tại sau sự phân hủy của đá trong quá trình phong hóa”.

Zircon là một loại đá quý cực kỳ linh hoạt mang lại nhiều lợi ích độc đáo. Zircon thường bị nhầm với kim cương do độ sáng chói ấn tượng và độ bóng lấp lánh của nó. Độ bền của zircon khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến cho nhiều loại trang sức. Đồng thời khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

“Zircon rất cứng, bền và có thể tồn tại sau sự phân hủy của đá trong quá trình phong hóa” (Ảnh: Cosmosmagazine).

Đặc điểm khác biệt của zircon là chúng không phải là zirconium silicat nguyên chất. Chúng chứa một lượng nhỏ các nguyên tố khác, quan trọng nhất là uranium, bị mắc kẹt bên trong chúng khi chúng kết tinh. Qua nhiều thiên niên kỷ, uranium đó dần dần phân rã thành chì. Bằng cách so sánh lượng uranium và chì, các nhà khoa học có thể xác định ngày tinh thể hình thành.

Trước đó, vào năm 2021, Bidong Zhang dẫn đầu một nghiên cứu sử dụng một kỹ thuật gọi là Phân tích vi thăm dò ion để đo xem có bao nhiêu nguyên tử uranium và chì trong tinh thể, tính toán tuổi của zircon dựa trên sự phân rã của uranium phóng xạ thành chì theo thời gian.

Độ tuổi đó cần được xác nhận thông qua một phương pháp khác vì có thể xảy ra biến chứng liên quan đến các nguyên tử chì nếu tồn tại các khiếm khuyết trong cấu trúc tinh thể zircon.

Hiện, nghiên cứu mới sử dụng phương pháp Chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử để xác định không có biến chứng nào liên quan đến các nguyên tử chì, và xác nhận tuổi của tinh thể.

Tác giả chính của nghiên cứu Jennika Greer, nhà hóa học vũ trụ tại Đại học Glasgow ở Scotland, cho biết: “Tôi coi đây là một ví dụ tuyệt vời về những gì ở cấp độ nano, hoặc thậm chí ở cấp độ nguyên tử, có thể cho chúng ta câu trả lời từ những câu hỏi lớn”.

Trái đất hình lưỡi liềm nhô lên trên đường chân trời của Mặt trăng trong bức ảnh tài liệu của NASA. Bức ảnh được chụp từ tàu vũ trụ Apollo 17 trên quỹ đạo Mặt trăng trong sứ mệnh hạ cánh cuối cùng lên Mặt trăng của Chương trình Apollo năm 1972 (Ảnh: REUTERS/NASA/Handout/File Photo).

Mặt trăng – quay quanh Trái đất ở khoảng cách trung bình khoảng 385.000km – có đường kính khoảng 3.475kmm, lớn hơn một phần tư đường kính hành tinh của chúng ta một chút.

“Vụ va chạm khổng lồ hình thành nên Mặt trăng là một sự kiện thảm khốc đối với Trái đất và làm thay đổi tốc độ quay của Trái đất. Sau đó, Mặt trăng có tác dụng ổn định trục quay của Trái đất và làm chậm tốc độ quay của Trái đất. Ngày hình thành của Mặt trăng rất quan trọng vì nó diễn ra sau khi Trái đất trở thành một hành tinh có thể sinh sống được” – Giáo sư Philipp Heck nói.

“Mặt trăng giúp ổn định trục Trái đất để có khí hậu ổn định. Lực hấp dẫn của Mặt trăng giúp hình thành hệ sinh thái đại dương. Mặt trăng truyền cảm hứng cho các nền văn hóa và hoạt động khám phá của loài người. Trong cuộc đua vũ trụ 2.0, NASA cũng như các cơ quan không gian quốc tế khác coi Mặt trăng là bước đệm cho những chuyến thám hiểm không gian sâu trong tương lai” – Bidong Zhang bổ sung.