Nguồn gốc từ trường Trái Đất Chìa khóa của sự sống

Từ trường của Trái Đất có vai trò quan trọng tạo nên môi trường sống của hành tinh chúng ta. Từ trường giúp cho Trái Đất tránh được gió mặt trời, nếu không Trái Đất đã mất đi bầu khí quyển.

Trái ngược hoàn toàn với Trái Đất, sao Hỏa là một sa mạc lạnh lẽo với bầu khí quyển chủ yếu là carbon dioxide (CO2) và mỏng hơn khí quyển Trái Đất đến 100 lần, đó là do từ trường bảo vệ hành tinh Đỏ đã mất đi từ nửa tỷ năm trước.

Từ một hố va chạm khổng lồ đến mức có thể bỏ lọt cả núi Everest, các nhà khoa học của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) suy đoán rằng hố va chạm này có thể là kết quả của một vụ va chạm thiên thạch cổ đại đã làm mất từ trường của sao Hỏa, khiến cho hành tinh này ngập trong bức xạ chết người và gió mặt trời đã xói mòn bầu khí quyển của nó.

Các nhà khoa học biết rằng Trái Đất có được từ trường như ngày nay là do lõi sắt lỏng của Trái Đất đã chuyển thành thể rắn. Quá trình lõi này nguội đi và kết tinh làm cho phần sắt thể lỏng ở rìa lõi chuyển động, tạo ra dòng điện mạnh. Dòng điện này sinh ra một từ trường thoát ra ngoài vào không gian. Từ trường này được gọi là geodynamo, hay có thể tạm hiểu là năng lượng từ lòng đất.

Có rất nhiều bằng chứng cho thấy từ trường Trái Đất đã tồn tại ít nhất từ 3,5 tỷ năm trước. Tuy nhiên, lõi của Trái Đất được cho là bắt đầu hóa rắn chỉ cách đây 1 tỷ năm, tức là từ trường phải bị điều khiển bởi một cơ chế nào đó đã có trước cả 1 tỷ năm này.

Các vi chất tìm thấy trong một mỏm đá cổ xưa ở Jack Hills, phía Tây nước Úc, đã được các nhà nghiên cứu hết sức quan tâm tìm hiểu, vì dường như chúng mang dấu vết của từ trường Trái Đất đến tận 4,2 tỷ năm về trước, trong khi trước đây người ta cho rằng Trái Đất bắt đầu có từ trường khoảng 3,2 tỷ năm trước. Nếu từ trường Trái Đất xuất hiện từ 4,2 tỷ năm trước thì cũng tương đương với thời điểm hành tinh chúng ta hình thành.

Không thể dựa vào đá zircon để xác định từ trường cổ xưa

Một nhóm chuyên gia của Viện Công nghệ Masachussetts (MIT), Mỹ, đã tìm thấy bằng chứng ngược lại với bằng chứng từ vi chất. Trong một bài báo đăng trên tạp chí Khoa học Tiến bộ, của Mỹ, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu zicron cũng đào được từ mỏm đá Jack Hill và kết luận rằng zicron họ thu thập được không phải là bằng chứng đáng tin cậy để xác định từ trường cổ xưa.

Theo họ, không có bằng chứng thuyết phục của việc từ trường xuất hiện từ trước cả 3,5 triệu năm trước, và thậm chí nếu có từ trường đi nữa thì cũng rất khó tìm ra bằng chứng của nó trong zicron ở Jack Hill. Một thành viên trong nhóm nghiên cứu, ông Caue Borlina, nghiên cứu sinh ngành khoa học trái đất của MIT nhận định đây là một kết quả quan trọng để chúng ta biết không phải tìm kiếm cái gì thêm nữa. Ông còn cho rằng nguồn gốc từ trường Trái Đất cũng có thể làm sáng tỏ những điều kiện ban đầu hình thành nên những dạng sự sống đầu tiên trên Trái Đất.

Thông thường, các nhà khoa học dùng khoáng chất trong các tảng đá cổ để xác định hướng và cường độ từ trường Trái Đất trong quá khứ. Khi đá hình thành và nguội đi, các electron trong các hạt riêng lẻ có thể dịch chuyển theo hướng của từ trường xung quanh. Khi đá nguội đến một nhiệt độ nhất định, được gọi là nhiệt độ Curie, thì dấu vết của hướng từ trường sẽ nằm lại trong đá. Các nhà khoa học có thể xác định tuổi của từ trường và sử dụng từ kế tiêu chuẩn để đo hướng của từ trường, ước tính cường độ và hướng của từ trường Trái Đất tại một thời điểm nào đó.

Từ năm 2001 đến nay, các chuyên gia của MIT đang nghiên cứu sự từ hóa của đá và sỏi zicron ở núi Jack Hills để xem các vật liệu tự nhiên này có chứa thông tin về từ trường cổ xưa của Trái Đất hay không.

Địa chất học thiết lập lại các cột mốc về từ tính

Giáo sư Benjamin Weiss của MIT cho biết zicron ở núi Jack Hills là một trong số các vật thể nhiễm từ yếu và đã được nghiên cứu suốt trong quá trình con người tìm hiểu về Cổ địa từ. Các zicron còn chứa những vật liệu Trái Đất lâu đời nhất, tức là có rất nhiều sự kiện địa chất có thể đã thiết lập lại các cột mốc về từ tính của chúng.

Năm 2015, một nhóm nghiên cứu khác cũng bắt đầu tìm hiểu về zicron ở Jack Hills. Họ cho biết đã tìm thấy bằng chứng của vật liệu từ tính trong zicron có tuổi đời 4,2 tỷ năm. Đây là bằng chứng đầu tiên cho thấy Trái Đất đã có từ trường trước cột mốc 3,5 tỷ năm.

Nhóm chuyên gia của MIT cũng đã thu thập mẫu đá ở Jack Hills và bằng các kỹ thuật xác định niên đại tiêu chuẩn, họ phát hiện ra các hạt zicron ở đây có tuổi đời từ 1 tỷ đến 4,2 tỷ năm.

Tìm kiếm bằng chứng

Trong số các hạt zicron tìm thấy ở mẫu vật, có khoảng 250 tinh thể có niên đại hơn 3,5 tỷ năm. Nhóm nghiên cứu phân loại và chụp các mẫu này để tìm kiếm dấu hiệu của các vết nứt hoặc vật chất thứ cấp, như là khoáng chất được bổ sung vào sau khi các tinh thể này đã hình thành hoàn chỉnh, đồng thời tìm kiếm bằng chứng cho thấy chúng đã bị nung nóng ở nhiệt độ cao trong vài tỷ năm gần đây. Kết quả là chỉ có 3 tinh thể zicron tương đối “sạch”, không bị vật chất nào khác bám vào và vì thế chúng có thể nắm giữ những thông tin cột mốc về từ tính ở đây. Dùng từ kế kim cương lượng tử độ phân giải cao, nhóm đã xem xét các mặt cắt ngang của từng tinh thể zicron này để lập bản đồ vị trí của từ tính trong mỗi tinh thể.

Họ phát hiện ra từ tính nằm dọc theo vết nứt hoặc những chỗ bị hư hại trong tinh thể zicron đó. Những vết nứt này là đường chảy của nước và các thành tố khác bên trong khối đá và có thể cho phép từ tính thứ cấp lọt vào tinh thể zicron muộn hơn nhiều so với thời điểm tinh thể zicron được hình thành. Dù là cách nào đi nữa thì bằng chứng cũng rất rõ ràng: những zicron này không chứa đựng thông tin đáng tin cậy về các cột mốc từ trường của Trái Đất.

Ông Borlina nói rằng đây là bằng chứng cho thấy chúng ta không thể dựa vào việc đo đạc các zicron này để biết về các thời điểm cột mốc của từ trường Trái Đất. Chúng ta không hề biết liệu trước 3,5 tỷ năm thì thời điểm nào là thời điểm Trái Đất bắt đầu có từ trường.

Phạm Hường