Mặt trăng không có từ trường trong hầu hết lịch sử của nó, theo nghiên cứu mới

Bình luận Văn Thiện • 23:05, 23/08/21

Giúp NTDVN sửa lỗi

Bao quanh Trái đất là một từ trường mạnh được tạo ra bởi sắt lỏng chảy trong lõi. Tuổi thọ của nó có thể gần bằng chính hành tinh của chúng ta. Điều này hoàn toàn trái ngược với Mặt trăng, nơi hoàn toàn thiếu vắng từ trường ngày nay...

Vào những năm 1980, các nhà địa vật lý nghiên cứu các mẫu đá do các phi hành gia Apollo mang về đã kết luận rằng Mặt trăng từng có từ trường mạnh ngang với Trái đất. Một từ trường mạnh cần có dòng kim loại nóng chảy chuyển động bên trong Mặt trăng, nhưng lõi của nó tương đối nhỏ. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã phải vật lộn để giải quyết câu hỏi hóc búa này: làm thế nào mà một lõi nhỏ như của Mặt trăng lại có thể tạo ra một từ trường mạnh như vậy?

Gần đây, ông John Tarduno, một giáo sư địa vật lý nghiên cứu từ trường Trái đất hơn 30 năm, đã tập hợp một nhóm để kiểm tra lại bằng chứng về sự từ hóa của Mặt trăng. Nhóm của ông đã sử dụng các kỹ thuật khoa học mới và phát hiện ra rằng trên thực tế Mặt trăng không có từ trường tồn tại lâu dài. Phát hiện này không chỉ thay đổi hiểu biết hiện đại về lịch sử địa chất của Mặt trăng mà còn có ý nghĩa lớn đối với sự hiện diện của các nguồn tài nguyên trên đó, điều có thể rất quan trọng đối với hoạt động khám phá của con người trong tương lai.

So với Trái đất, Mặt trăng có một lõi nhỏ, và không rõ bằng cách nào nó có thể tạo ra một từ trường mạnh. (Rory Cottrell / U. Rochester , CC BY-ND)
So với Trái đất, Mặt trăng có một lõi nhỏ, và không rõ bằng cách nào nó có thể tạo ra một từ trường mạnh. (Ảnh: Rory Cottrell / U. Rochester , CC BY-ND)

Câu hỏi hóc búa về từ trường Mặt trăng 

Một số loại đá có khả năng đặc biệt để lưu trữ các thay đổi về từ trường trong quá khứ do chúng chứa các khoáng chất có nguyên tử sắt có thể sắp xếp phù hợp với từ trường khi đá nguội đi và đông đặc lại. Các khoáng chất từ tính tốt nhất trong việc ghi lại bằng chứng về từ trường thường rất nhỏ - nhỏ hơn hàng nghìn lần so với chiều rộng của sợi tóc người - bởi vì nó cần năng lượng lớn để sắp xếp lại các nguyên tử của chúng.

Để nghiên cứu từ trường cổ đại, các nhà địa vật lý thường dùng cách tái tạo lại quá trình này, làm nóng lại các mẫu đá trong điều kiện có từ trường đã biết và so sánh sự sắp xếp mới của các nguyên tử sắt với sự định hướng của các nguyên tử sắt trước khi đá được hâm nóng. Cách này cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu về lịch sử của từ trường trong quá khứ.

Ban đầu, các nhà khoa học muốn sử dụng phương pháp nói trên để nghiên cứu từ tính Mặt trăng thông qua những viên đá đầu tiên được các phi hành gia Hoa Kỳ mang về từ đó. Nhưng họ vấp phải khá nhiều vấn đề. Đá Mặt trăng chứa một loại sắt - được gọi là sắt bản địa - dễ bị biến đổi bởi nhiệt. Ngoài ra, các hạt sắt bản địa trong đá Mặt trăng đôi khi tương đối lớn, khiến chúng ít có khả năng ghi lại từ trường trong quá khứ một cách đáng tin cậy.

Từ những năm 1970 trở đi, các nhà địa vật lý đã sử dụng các phương pháp thay thế, không gia nhiệt để nghiên cứu từ tính của Mặt trăng. Họ phát hiện ra rằng một số mẫu Mặt trăng đã ghi nhận từ trường mạnh. Điều này cho thấy rằng Mặt trăng từng có từ trường trong hơn 2 tỷ năm.

Nhưng kết quả này chỉ làm sâu sắc thêm câu hỏi hóc búa là làm thế nào mà lõi của Mặt trăng có thể tạo ra một từ trường mạnh như vậy?.

Các mẫu từ Mặt trăng, giống như đá bazan Mặt trăng này, là một hỗn hợp phức tạp của nhiều khoáng chất, và chỉ một số mẫu có thể ghi lại tín hiệu của từ trường trong quá khứ. Vạch màu trắng biểu thị chiều dài là 1 mm. (Ảnh: Kristin Lawrence , CC BY-ND)
Các mẫu từ Mặt trăng, giống như đá bazan Mặt trăng này, là một hỗn hợp phức tạp của nhiều khoáng chất, và chỉ một số mẫu có thể ghi lại tín hiệu của từ trường trong quá khứ. Vạch màu trắng biểu thị chiều dài là 1 mm. (Ảnh: Kristin Lawrence , CC BY-ND)

Một lời giải thích khác

Trong các thí nghiệm, một số mẫu Apollo cho thấy bằng chứng về từ trường mạnh nhưng các mẫu khác thì không. Một số nhà nghiên cứu cho rằng thiếu vắng từ tính là do sự hiện diện của các hạt sắt bản địa lớn có khả năng ghi lại từ tính kém. Nhưng nhiều mẫu cũng chứa các hạt sắt nhỏ mà lẽ ra phải ghi lại một từ trường mạnh của Mặt trăng.

Đã có những nghi ngờ từ lâu về các kỹ thuật không gia nhiệt mà các nhà nghiên cứu đã sử dụng trên các mẫu đá Apollo. Một số nhà khoa học đã coi chúng chỉ là phương sách cuối cùng và kết luận rằng độ không chắc chắn trong dữ liệu được thu thập theo cách này lớn đến mức bất kỳ diễn giải nào cũng phải được coi là suy đoán.

Ngoài ra, một nhóm các nhà khoa học khác đã gợi ý trong nhiều thập kỷ rằng nếu thiên thạch va vào Mặt trăng, chúng tạo ra một đám bụi plasma - một loại khí gồm các ion và electron - có thể tạo ra một từ trường mạnh và từ hóa các đá Mặt trăng gần vùng va chạm.

Năm 2008, nhà địa vật lý Kristin Lawrence quyết định xem xét lại câu hỏi về sự từ hóa của Mặt trăng bằng cách sử dụng một kỹ thuật hâm nóng cải tiến. Trái ngược với kết quả của các nghiên cứu ban đầu, bà không thể phát hiện bất kỳ bằng chứng xác thực nào cho một từ trường trong quá khứ. Tuy nhiên, để chắc chắn, Lawrence quay sang phòng thí nghiệm của ông John Tarduno để được giúp đỡ.

Bằng cách sử dụng một kỹ thuật mới, các nhà nghiên cứu đã có thể cô lập và kiểm tra các mẫu nhỏ - như các mảnh được thấy ở đây được gắn bên trong một khối thạch anh - để thu được bằng chứng về từ tính. (Ảnh: Adam Fenster / U. Rochester , CC BY-ND)
Bằng cách sử dụng một kỹ thuật mới, các nhà nghiên cứu đã có thể cô lập và kiểm tra các mẫu nhỏ - như các mảnh được thấy ở đây được gắn bên trong một khối thạch anh - để thu được bằng chứng về từ tính. (Ảnh: Adam Fenster / U. Rochester , CC BY-ND)

Vào năm 2011, Lawrence đã mang đến phòng thí nghiệm của ông Tarduno một bộ sưu tập các mẫu đá Mặt trăng để kiểm tra. Họ đã phát triển các kỹ thuật để xác định các tinh thể silicat kích thước milimet riêng lẻ chỉ chứa các hạt sắt rất nhỏ và có các đặc tính có thể ghi lại thay đổi từ trường một cách lý tưởng. Sau đó, họ sử dụng một từ kế siêu dẫn siêu nhạy và một tia laser carbon dioxide đặc biệt để làm nóng nhanh các mẫu đó theo cách tránh làm thay đổi các khoáng chất sắt của chúng. Họ nhận thấy rằng gần như tất cả các viên đá đều có tín hiệu từ trường rất yếu.

Vào lần thử nghiệm đầu tiên này, các nhà khoa học vẫn đang cải tiến phương pháp, vì vậy họ không thể nói chắc chắn liệu các mẫu đá trên Mặt trăng thực sự không có từ trường hay không. Sau khi cải tiến các phương pháp thử nghiệm, vào năm ngoái, họ đã quyết định kiểm tra lại các mẫu Apollo.

Họ chắc chắn rằng một số mẫu đá thực sự chứa các khoáng chất từ tính có khả năng lưu giữ các tín hiệu trung thực cao về từ trường cổ đại. Nhưng các mẫu đó đã không ghi nhận các tín hiệu từ trường như vậy. Điều này cho thấy rằng Mặt trăng thiếu vắng từ trường trong gần như toàn bộ lịch sử của nó.

Vậy, điều gì giải thích cho những phát hiện trước đây về một Mặt trăng từ tính? Câu trả lời là do sự có mặt của một trong các mẫu: một mảnh thủy tinh nhỏ, tối màu có chứa các hạt sắt-niken nhỏ.

Mảnh thủy tinh Mặt trăng nhỏ này được hình thành và nhiễm từ do va chạm với thiên thạch. Nó cho thấy các chỉ số từ trường mạnh trong quá khứ. (Ảnh: Rory Cottrell / U. Rochester , CC BY-ND)
Mảnh thủy tinh Mặt trăng nhỏ này được hình thành và nhiễm từ do va chạm với thiên thạch. Nó cho thấy các chỉ số từ trường mạnh trong quá khứ. (Ảnh: Rory Cottrell / U. Rochester , CC BY-ND)

Mảnh thủy tinh được tạo ra bởi một vụ va chạm với thiên thạch và cho thấy bằng chứng rõ ràng về một từ trường mạnh. Nhưng nó mới được hình thành cách đây khoảng 2 triệu năm. Gần như tất cả các nhà địa vật lý đều đồng ý rằng Mặt trăng không có từ trường vào thời điểm đó, bởi vì sau 4,5 tỷ năm nguội đi, nó không còn đủ nhiệt để cung cấp năng lượng khuấy trộn sắt trong lõi để tạo ra trường.

Dấu hiệu từ tính của mảnh thủy tinh phù hợp với mô phỏng từ trường có thể được tạo ra bởi các tác động của thiên thạch. Điều này cho thấy chỉ riêng các tác động của thiên thạch cũng có thể tạo ra từ trường mạnh làm từ hóa các viên đá gần đó. Điều này có thể giải thích các giá trị cao của từ trường được báo cáo trước đây trong một số mẫu đá Apollo.

Như vậy, bí ẩn về từ trường mạnh của Mặt trăng dường như đã có lời giải đáp.

Lá chắn từ trường của Trái đất chặn gió Mặt trời, trong khi việc thiếu từ trường trên Mặt trăng cho phép gió Mặt trời trực tiếp đập vào bề mặt của nó và lưu trữ các nguyên tố. (Ảnh: Michael Osadciw / U. Rochester , CC BY-ND)
Lá chắn từ trường của Trái đất chặn gió Mặt trời, trong khi việc thiếu từ trường trên Mặt trăng cho phép gió Mặt trời trực tiếp đập vào bề mặt của nó và lưu trữ các nguyên tố. (Ảnh: Michael Osadciw / U. Rochester , CC BY-ND)

Lớp bảo vệ từ tính và tài nguyên trên Mặt trăng

Quan điểm mới này về từ tính Mặt trăng có ý nghĩa to lớn đối với sự hiện diện tiềm năng của các nguồn tài nguyên quý giá cũng như thông tin về Mặt trời và Trái đất cổ đại có thể bị chôn vùi trên Mặt trăng.

Từ trường đóng vai trò như lá chắn ngăn các hạt Mặt trời tiếp cận với hành tinh hoặc Mặt trăng. Nếu không có từ trường, gió Mặt trời có thể đập trực tiếp vào bề mặt Mặt trăng và cấy các nguyên tố như heli-3 và hydro vào đất đá của nó.

Heli-3 có nhiều ứng dụng, nhưng quan trọng, nó có thể là nguồn nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp hạt nhân và thăm dò hành tinh trong tương lai. Giá trị của hydro đến từ thực tế là nó có thể kết hợp với oxy để tạo thành nước, một nguồn tài nguyên quan trọng khác trong không gian.

Vì Mặt trăng không có từ trường tồn tại lâu dài, các nguyên tố này có thể đã tích tụ trong bề mặt của nó lâu hơn hàng tỷ năm so với suy nghĩ trước đây.

Ngoài ra các nguyên tố còn có giá trị khoa học. Các nguyên tố do gió Mặt trời để lại trên Mặt trăng có thể làm sáng tỏ quá trình tiến hóa của Mặt trời. Và khi Mặt trăng đi qua từ trường của Trái đất, các nguyên tố từ bầu khí quyển của Trái đất có thể được lắng đọng trên bề mặt của nó, và những nguyên tố này có thể nắm giữ manh mối về Trái đất sơ khai.

Tóm lại, việc không có từ trường tồn tại lâu dài trên Mặt trăng có thể khiến một số người coi như mất mát, nhưng nó cũng mở ra một thành quả khoa học giá trị và kho tài nguyên tiềm năng trên vệ tinh tự nhiên của Trái đất.

Văn Thiện

Theo The Conversation



BÀI CHỌN LỌC

Mặt trăng không có từ trường trong hầu hết lịch sử của nó, theo nghiên cứu mới