Bí ẩn của Mặt Trăng Mà Khoa Học Vẫn Cần Giải Đáp

Cuộc phiêu lưu này là một phần của loạt bài kỷ niệm 50 năm hành trình Apollo 11.

Hãy tưởng tượng: Sau một hành trình ba ngày từ Trái Đất, Buzz Aldrin và Neil Armstrong đang dẫn đường cho module Mặt Trăng của Apollo 11 đổ bộ xuống bề mặt Mặt Trăng. Khi họ tiếp cận điểm đỗ của mình ở Biển Trấn An, họ chú ý đến cảnh đẹp xung quanh - những hố sâu đậm, những tảng đá rải rác trên cảnh quan xa lạ, và bụi mịn bao quanh tàu vũ trụ khi động cơ hạ cánh bắt đầu hoạt động. Nhưng khi tàu hạ cánh, Aldrin và Armstrong chú ý đến một điều kỳ lạ. Cảnh quan dường như đang nổi lên; không, chờ đã, tàu vũ trụ đang chìm. Chiếc module Mặt Trăng nặng 15 tấn đang bị nuốt chửng bởi lớp bụi Mặt Trăng dày như viên đá rơi vào cát lẹo. Hai phi hành gia nhận ra họ sẽ không thể rời khỏi tàu vũ trụ, nhưng sự thất vọng chỉ làm ghi nhận nhẹ nhàng trong não tăng tốc của họ. Trừ khi họ có thể tìm ra cách làm cho module rơi ra khỏi địa hình, họ có thể sẽ không bao giờ rời khỏi Mặt Trăng.

Ngày nay, kịch bản này quá khó tin để được chấp nhận như một kịch bản khoa học kém. Chúng ta biết Mặt Trăng chỉ có một lớp bụi che phủ lớp vỏ đá nguyên khác, nhưng khi chương trình Apollo đang hình thành vào đầu những năm 60, câu hỏi về việc liệu Mặt Trăng có nuốt chửng một module hay không vẫn đang được tranh luận. Chỉ sau khi NASA phóng một loạt các nhiệm vụ robot đến bề mặt Mặt Trăng trước “bước nhảy vĩ đại” của nhân loại mà lo lắng mới được giải tỏa.

Mặt trăng chỉ mới hơn 4,5 tỷ năm, làm cho nó chỉ trẻ hơn hệ mặt trời chưa đầy 60 triệu năm. Những ngày đầu của hệ mặt trời nội bộ đầy hỗn loạn và được định nghĩa bởi sự va chạm liên tục của vật liệu rắn khi chúng quay quanh mặt trời non trẻ, dần dần hình thành các cơ thể lớn hơn và lớn hơn trong quá trình được biết đến là sự tăng thiết lập hành tinh. Phân tích đá được thu thập bởi phi hành gia Apollo cho thấy hầu hết chúng được tạo ra bởi các sự kiện va chạm khoảng 3,9 tỷ năm trước, nhưng hầu hết chúng đều không được đặt ngày trên 600 triệu năm đầu tiên của sự tồn tại của mặt trăng. Điều này là kỳ lạ bởi vì sự kiện va chạm nên trở nên ít thường xuyên hơn khi quá trình tăng thiết lập hành tinh dần giảm, vì vậy bạn sẽ mong đợi tìm thấy nhiều đá hình thành từ các va chạm sớm hơn.

Điều này dẫn các nhà khoa học đặt giả thuyết rằng mặt trăng đã phải đối mặt với các va chạm mạnh khoảng 3,9 tỷ năm trước, một giai đoạn được biết đến là sự đổ bộ trễ nặng hoặc, nói một cách thơ mộng hơn, thảm họa mặt trăng. Trong khi lý thuyết này giải thích tốt cho các tảo mặt trăng của Apollo, nó cũng đặt ra một câu hỏi lớn: Điều gì đã gây ra tất cả những tảo này rơi vào mặt trăng? Mô hình dẫn đầu gợi ý rằng các hành tinh ngoại vi trước đây quay quanh mặt trời gần hơn nhiều và, khi chúng di chuyển ra xa, đã gửi đá lớn vào mặt trăng. Nhưng một lý thuyết thay thế cho rằng thảm họa chưa bao giờ xảy ra và rằng sự thịnh hành của đá được đặt ngày vào 3,9 tỷ năm trước đó là do độ chệch mẫu.

Ba nhiệm vụ Apollo cuối cùng đều lấy mẫu từ ba hố va chạm lớn—Imbrium, Serenitatis và Nectaris. Bằng chứng mới cho thấy mẫu được sử dụng để đặt ngày cho tuổi của mỗi hố va chạm này, điều quan trọng để xác định liệu có một giai đoạn đổ bộ nặng nề hay không, thực sự chỉ là mảnh vụn từ va chạm hình thành hố lớn nhất—Imbrium—khoảng 3,9 tỷ năm trước.

"Chúng tôi khá chắc chắn rằng khi Imbrium hình thành, nó đã phun ra các khu vực sưu tập gần bờ, vào những nơi phi hành gia Apollo hạ cánh và thu thập mẫu, họ rất có thể đã thu thập mẫu của Imbrium," nói Nicolle Zellner, một nhà khoa học hành tinh tại Trường Đại học Albion. "Vì vậy, khi Apollo hạ cánh ở những khu vực này và thu thập mẫu, họ rất có thể đã thu thập mẫu của Imbrium."

Zellner cho biết cách tốt nhất để giải quyết tranh cãi về thảm họa mặt trăng sẽ là thăm các hố va chạm nơi mẫu có khả năng không bị ô nhiễm bởi tác động của Imbrium, như cực nam hoặc phía xa của mặt trăng. Nếu hầu hết các mẫu mới đó đều có tuổi lớn hơn 3,9 tỷ năm, điều này sẽ đặt lý thuyết về thảm họa mặt trăng vào nghi ngờ nghiêm túc và cũng giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về điều kiện trong hệ mặt trời sớm.

Tạo ra Ionosphere của Mặt Trăng như thế nào?

Ở độ cao cao tại phạm vi ngoại cùng của tầng khí quyển của Trái Đất là một khu vực của các hạt điện tích gọi là ionosphere. Nó được tạo ra khi gió mặt trời tách các electron từ khí quyển, biến chúng thành ion. Vào những năm 1970, hai tàu vũ trụ quỹ đạo mặt trăng của Liên Xô đã phát hiện ra rằng các ion cũng tồn tại trong exosphere mỏng manh của mặt trăng, và các nhà khoa học đã cố gắng giải thích quan sát này từ đó.

Việc mặt trăng có một ionosphere không có gì là bất ngờ, Jasper Halekas, một giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Iowa nói. Bất kỳ hành tinh nào có một khí quyển, thậm chí là một cái như của mặt trăng, sẽ tạo ra ion khi khí tương tác với gió mặt trời. Tuy nhiên, điều đáng ngạc nhiên là sự không nhất quán trong các đo lường về mật độ của ionosphere mặt trăng. Các con số dao động từ khoảng 1.000 hạt ion hóa cho mỗi centimet khối đến khoảng một phần mười của một hạt cho mỗi centimet khối. Như Halekas chú ý, "Bốn thứ bậc của chênh lệch là một khoảng rộng khá lớn đối với đo lường, ngay cả khi nó liên quan đến thiên văn học."

Theo Paul Hayne, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Colorado, Boulder, có ba lý thuyết chính về việc nước xuất phát từ đâu trên mặt trăng. Lý thuyết 'rõ ràng' nhất, theo Hayne, cho rằng băng nước đã được tạo thành do va chạm của thiên thạch và sao chổi, nơi nó bốc hơi và sau đó đi đến cực. Cũng có khả năng rằng hydro ion hóa từ gió mặt trời liên kết với ô nước bị kẹt trong vỏ trái đất và sau cùng được phát ra dưới dạng hơi nước do biến động nhiệt độ trên bề mặt. Cuối cùng, có khả năng rằng nước đã có mặt trong vật liệu tạo thành mặt trăng ban đầu và đã bị đẩy lên bề mặt thông qua các trận phun trào núi lửa. Có thể là cả ba quá trình này đều đang diễn ra, điều này làm cho câu hỏi trở thành việc mỗi cơ chế đóng góp bao nhiêu nước.

“Vì vậy, chúng ta có một số ý tưởng về cách nước đến đó, nhưng các lý thuyết đối địch thực sự chưa được thử nghiệm,” Hayne nói. Tuy nhiên, đã có một số dữ liệu ban đầu hứa hẹn. Năm 2009, NASA phóng tên lửa Lunar Crater Observation and Sensing Satellite trên một nhiệm vụ để va chạm vào bề mặt mặt trăng ở cực nam. LCROSS không chỉ phát hiện sự hiện diện của nước, mà còn xác định một hỗn hợp của các vật liệu khác phổ biến trong sao chổi, gợi ý ít nhất một phần của nước đã đi nhờ vào các tảng đá từ vũ trụ.

Để có cái nhìn tốt hơn về việc bao nhiêu nước trên mặt trăng đã được mang đến bởi sao chổi, thiên thạch hoặc gió mặt trời, Hayne nói rằng sẽ cần phải gửi một robot hoặc con người để lấy mẫu và kiểm tra thành phần đồng vị của nó. “Đó thực sự là cách duy nhất chúng ta có thể một cách rõ ràng liên kết vật liệu đó với một nguồn,” anh nói.

Nhưng ngay cả khi các nhà khoa học có thể xác định nguồn gốc của nước trên mặt trăng, vẫn còn câu hỏi là làm thế nào nó lại tập trung ở các cực, một 'đề tài gây tranh cãi', theo lời của Hayne. Hiện nay, cộng đồng khoa học mặt trăng đang chia rẽ về việc nước được hơi nước trong khi va chạm với sao chổi và thiên thạch có thể di chuyển trên bề mặt của mặt trăng hay nó có bị kẹt trong vỏ trái đất. Cách duy nhất để biết chắc chắn là quay lại để kiểm tra thêm.

Mặt trăng có thể dạy chúng ta điều gì về Hệ Mặt Trời sớm?

Mặt trăng thiếu một khí quyển lớn và đã không có hoạt động núi lửa hàng tỷ năm nay, điều này có nghĩa là bề mặt của nó đã giữ nguyên tương đối qua các thế kỷ. Theo Prabal Saxena, một nghiên cứu viên sau đại học tại Trung tâm Bay của NASA, những hố và vết nứt trên bề mặt mặt trăng giống như các trang trong cuốn sử sách về Hệ Mặt Trời sớm—nếu chúng ta chỉ biết cách đọc chúng.

Như đã đề cập ở trên, một lý thuyết phổ biến về sự hình thành của mặt trăng cho biết rằng hành tinh láng giềng của chúng ta đã bị đánh bom bởi đá vũ trụ khoảng 3.9 tỷ năm trước. Nếu mẫu từ bề mặt xác nhận có một thảm họa mặt trăng, điều này cũng có thể kể cho chúng ta nhiều điều về cách Hệ Mặt Trời hình thành. Điều này không chỉ cho thấy rằng các hành tinh ở phía ngoại cùng trước đây đã gần Mặt Trời hơn nhiều, mà còn có khả năng là Trái Đất cũng bị đánh bom. Điều này đã làm bay hơi bất kỳ nước nào trên bề mặt Trái Đất và giết chết bất kỳ sinh linh nào có thể tồn tại ở đó.

Kỳ lạ thay, mặt trăng cũng có vẻ đã ghi lại lịch sử mặt trời sớm. Trong năm nay, Saxena và đồng nghiệp của ông sử dụng thành phần của vỏ mặt trăng để xác định rằng mặt trời của chúng ta có lẽ quay chậm 50% so với các ngôi sao mới sinh khác trong tỷ năm đầu tiên của cuộc sống. Mặt trăng và Trái Đất chủ yếu được tạo thành từ các vật liệu tương tự, nhưng mặt trăng có ít natri và kali đáng chú ý hơn. Sử dụng bằng chứng này, Saxena và đồng nghiệp của ông thực hiện các mô phỏng cho thấy hoạt động mặt trời có thể hoặc làm mặt trăng mất hoặc giữ lại những khoáng chất này, và sau đó tích hợp dữ liệu về mối quan hệ giữa các tia nắng mặt trời và tốc độ quay của ngôi sao. Theo các mô phỏng, mặt trời phải quay chậm để giải thích mức độ kali và natri quan sát được trên mặt trăng ngày nay. Thông tin về lịch sử sớm của mặt trời này cũng có thể giúp giải thích những vấn đề như tại sao Vênus nhanh chóng mất nước, tại sao sao Hỏa nhanh chóng mất khí quyển và làm thế nào nó ảnh hưởng đến hóa học khí quyển trên Trái Đất.

Khi NASA và các cơ quan vũ trụ khác xây dựng nền tảng cho sự hiện diện lâu dài của con người trên mặt trăng, sẽ có nhiều câu hỏi lớn cần trả lời. “Chúng tôi hiểu biết về mặt trăng tốt hơn so với nhiều nơi khác, và tuy nhiên chúng ta vẫn còn những câu hỏi quan trọng chưa được trả lời,” Denevi nói. “Mặt trăng thực sự là bước đệm đến các hành tinh khác và mặc dù đã trở nên như một lời sáo rỗng, điều đó hoàn toàn đúng.” Thật vậy, mặt trăng giống như một tấm bia Rosetta cho hệ mặt trời của chúng ta. Nếu chúng ta hi vọng hiểu biết—và cuối cùng là du lịch đến—các hành tinh xa xôi hơn, nơi tốt nhất để bắt đầu là sân nhà của chúng ta.

Những câu chuyện khác về Apollo 11 và Mặt Trăng

• Tại sao 'Moonshot' không có chỗ trong thế kỷ 21

• Thiết bị tốt nhất mang theo khi đến Mặt Trăng

• Chuyến đi vũ trụ và Tâm linh: Đó là mối quan hệ phức tạp

• Hướng dẫn của người yêu sách MYTOUR đến Mặt Trăng

• Thư viện hình ảnh: Cách thế giới theo dõi Apollo 11

• Q&A: Nhiếp ảnh gia Dan Winters về sự ám ảnh Apollo của ông