Apollo11: Bước ngoặt của khoa học hành tinh

Mẫu vật 15415 từ Apollo 15 hay còn gọi là hòn đá Genesis. Credit: Chris Gunn. 

Sứ mệnh lịch sử – lần đầu tiên con người đặt chân tới một vật thể trong vũ trụ 

Đúng 50 năm trước, vào ngày 16/7/1969*, tên lửa Saturn V – tên lửa mạnh nhất từng được chế tạo trong lịch sử đã rời bệ phóng, mang theo 3 nhà du hành vũ trụ Neil Amstrong, Buzz Aldrin và Michael Collins với sứ mệnh lịch sử Apollo 11 đưa con người đặt chân xuống Mặt trăng. Sau chặng đường kéo dài 3 ngày, Collins ở lại trong module chỉ huy, trong lúc đó Armstrong và Aldrin đổ bộ xuống Mặt trăng qua một module hạ cánh. Tất cả sau đó như mọi người đã biết, vài giờ sau, Neil Armstrong là người đầu tiên bước ra khỏi module, chạm chân xuống bề mặt Mặt trăng, và phát biểu câu nói nổi tiếng: “Đó là một bước đi nhỏ của một con người, nhưng là một bước tiến lớn của cả nhân loại”. 
50 năm đã trôi qua, các sứ mệnh Apollo được biết đến với đại đa số như là một sự kiện lịch sử khi con người đặt dấu chân lên Mặt trăng, nhưng đóng góp lớn nhất của Apollo dành cho khoa học đến từ một lượng lớn đá từ mặt trăng được thu thập và mang về Trái đất và đến nay mới chỉ có khoảng 20% trong số đó được phân tích trong phòng thí nghiệm, phần còn lại vẫn được giữ lại làm “của để dành”, chờ những thiết bị phân tích tối tân hơn trong tương lai. Không quá khi nói rằng 382 kg đá, sỏi, bụi thu thập được từ bề mặt Mặt trăng là một kho báu vô giá, “những trang sách cổ từ thư viện Alexandria” mang lại những hiểu biết bước ngoặt cho chúng ta về bản chất của bề mặt Mặt trăng, nguồn gốc của Mặt trăng và sự hình thành của hệ Mặt trời. 

Bề mặt cổ xưa của Mặt trăng

Trước khi phóng những tàu vũ trụ và sau đó là con người tới Mặt trăng, những hiểu biết của chúng ta về chính vệ tinh của Trái đất chủ yếu đến từ những suy đoán giới hạn bởi những quan sát từ Trái đất. Dù chuyển động của Mặt trời mới là nền tảng tạo ra bộ lịch hiện đại mà chúng ta đang dùng, chu kì của Mặt trăng vẫn tồn tại trong đời sống văn hóa và cả tâm linh từ phương Đông sang phương Tây, chẳng hạn như Tết Trung thu là thời điểm Mặt trăng sáng nhất trong năm. Từ những quan sát qua một phiên bản đơn giản của kính thiên văn bao gồm một thấu kính hội tụ và một thấu kính phân kì được gắn liền nhau qua một ống nối, Thomas Harriot vào năm 1609 là người đầu tiên nhìn thấy những chi tiết trên bề mặt của Mặt trăng, vốn không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Ông đã vẽ lại những gì quan sát được khi trăng khuyết, với những vùng tối hơn màu đen mà sau này chúng ta biết là những vị trí mà nham thạch nguội cứng. Cùng năm đó, Galieo Galilei cũng thực hiện những quan sát qua kính thiên văn của riêng mình, cho thấy bề mặt Mặt trăng được những dãy núi, những miệng hố sâu, và thung lũng bao phủ – hoàn toàn không bằng phẳng như những gì các nhà triết học tin về một “thế giới hoàn hảo”. Cũng có những niềm tin vào thời điểm đó rằng những vùng tối quan sát thấy từ Trái đất trên bề mặt Mặt trăng là dấu hiệu của nước như biển; còn những miệng hố là dấu hiệu của những hoạt động địa chất như núi lửa phun trào. 

Mô phỏng cho thấy các hành tinh ngoài rìa và vành đai Kuiper: a) Trước khi quĩ đạo của Sao Mộc và Sao Thổ ở trong trạng thái cộng hưởng 2: 1, nguyên nhân khiến cho quĩ đạo của các hành tinh trở nên không ổn định sau một thời gian dài. b) Phân tán của các vật thể ở vành đai Kuiper vào bên trong quĩ đạo của các hành tinh đá sau sự dịch chuyển quỹ đạo của Sao Hải Vương. c) Sau khi các vật thể vành đai Kuiper dịch chuyển vào trong bởi tương tác từ Sao Mộc. Các hành tinh được hiển thị: Sao Mộc (vòng tròn màu xanh lá cây), Sao Thổ (vòng tròn màu cam), Sao Thiên Vương (vòng tròn màu xanh nhạt) và Sao Hải Vương (vòng tròn màu xanh đậm). Mô phỏng được tạo ra từ dữ liệu của Mô hình Nice [1,2]

Những quan sát về bề mặt Mặt trăng ngày càng được cải tiến theo thời gian, đặc biệt sau sự xuất hiện của máy ảnh vào giữa thế kỉ 19, đó là lúc các nhà thiên văn học có thể nhìn rõ hơn những chi tiết của Mặt trăng qua những bức ảnh phơi sáng dài. Những bức ảnh bề mặt Mặt trăng với vô vàn những hố va chạm ở khắp mọi nơi cho thấy cần phải mất một thời gian rất dài, có lẽ tới hàng tỉ năm, để tạo ra nhiều những hố va chạm như vậy. Khi con người hạ cánh xuống Mặt trăng, giả thuyết này được củng cố sau khi đá Mặt trăng được mang trở lại Trái đất. Để xác định tuổi của Mặt trăng, các nhà địa chất tìm đến khoáng vật zircon có trong các mẫu vật, một khoáng vật với độ cứng, tính bền và trơ do vậy có thể tồn tại qua các quá trình địa chất và cả các biến đổi về nhiệt độ, áp suất gây ra bởi va chạm thiên thạch. Phân tích các đồng vị phóng xạ với chu kì bán rã đã được biết cho chúng ta thấy đá Mặt trăng đã hình thành từ vô cùng xa xưa trong khoảng 3 tỉ tới 4,5 tỷ năm về trước; so với phần lớn đá trên Trái đất có tuổi “tương đối trẻ” (vốn chỉ có tuổi trong khoảng 100 triệu năm trước do các hoạt động kiến tạo địa tầng liên tục “tái chế” lớp vỏ Trái đất, đưa xuống lớp manti nằm bên dưới). Với mẫu đá cổ xưa nhất có tuổi 4,5 tỷ năm, các mẫu thu thập được đem lại một góc nhìn quan trọng về hệ mặt trời khi mới hình thành, trong đó cả lịch sử Trái đất thời xa xưa hàng tỉ năm về trước, vốn không dễ dàng để có được những mẫu vật có niên đại tỷ năm do các hoạt động địa chất. Đá dăm kết (breccia)-một loại đá hình thành từ các mảnh vỡ của các khoáng vật thu được từ nhiệm vụ Apollo 14 được xác định cho thấy một trong các mảnh vỡ có nguồn gốc không phải đến từ Mặt trăng mà từ chính Trái đất! Một mảnh thiên thạch đến từ Trái đất theo đúng nghĩa bởi sau một vụ va chạm thiên thạch trên Trái đất, nó được bắn lên không trung và rơi xuống bề mặt Mặt trăng. Sau đó 4 tỷ năm, nhà du hành vũ trụ Alan Shepard đã tình cờ thu nhặt được và mang nó về lại nhà. 
Từ việc xác định tuổi của Mặt trăng, các nhà khoa học hành tinh đã đưa ra một phương án ngoại suy của nó có ảnh hưởng to lớn tới tất cả các nghiên cứu về Mặt trăng và các hành tinh khác: Họ so sánh tuổi của các mẫu Mặt trăng thu được từ khu vực hạ cánh của Apollo 11 với số lượng miệng hố va chạm trong khu vực nơi các mẫu từng thu thập. Từ đó, các thông tin này được sử dụng để tạo ra một mô hình tính toán thời gian cần bao lâu để có một số lượng hố va chạm hình thành tại những vị trí khác. Các mẫu vật từ Apollo đóng vai trò như “hòn đá Rosetta” của Ai Cập cổ đại để ước tính tuổi của bất kì vị trí nào trên Mặt trăng và thậm chí các hành tinh khác mà không cần phải đến tận nơi để quan sát. 

Mặt trăng đã hình thành như thế nào? 

Trước Apollo, các nhà khoa học có vô vàn các giả thuyết về cách thức Mặt trăng và các vệ tinh của các hành tinh khác hình thành. Có thể là lực hấp dẫn của Trái đất đủ lớn để “bắt” một vật thể nào đó khi nó sượt qua quá gần. Hoặc cũng có thể trong những ngày đầu tiên hình thành, hành tinh của chúng ta quay quá nhanh nên một phần vật liệu văng ra khỏi vật thể chính. Hoặc cũng có thể, Trái đất và Mặt trăng hình thành cùng một thời điểm từ một đám mây bụi khí gọi là “đĩa tiền hành tinh” mà từ đó các hành tinh trong hệ mặt trời hình thành. 
Sau Apollo, chúng ta có một bức tranh hoàn toàn mới về sự hình thành của Mặt trăng, dựa trên vô vàn các quan sát khác nhau có thể được tóm gọn lại với giả thuyết được ủng hộ nhất có tên gọi “vụ va chạm khổng lồ”. Khoảng 4,5 tỷ năm về trước, một vật thể với kích thước của sao Hỏa (sau đây gọi là Theia) va chạm với Trái đất, vỡ ra thành các mảnh đồng thời làm một phần lớp vỏ và lớp manti của Trái đất bị bắn lên không gian, trộn lẫn cùng với các mảnh vỡ của Theia, tích tụ thành một vệ tinh, sau đó nguội lại và trở thành Mặt trăng. 
Cấu trúc bên trong của Mặt trăng, được xác định dựa vào các địa chấn kí được triển khai bởi các phi hành Apollo, cho thấy lõi của mặt trăng chứa một tỉ lệ sắt nhỏ hơn nhiều so với các hành tinh đá khác – chỉ chiếm khoảng 25% kích thước bán kính. Điều này cho thấy tại thời điểm của vụ va chạm khổng lồ, Trái đất đã hình thành lõi sắt ở trung tâm, do vậy không còn nhiều sắt tồn tại để tạo nên Mặt trăng. Các mẫu đá thu được từ Apollo 11 cũng cho thấy các vùng núi trên bề mặt Mặt trăng (vùng sáng đối lập với các vùng “biển nham thạch” tối, nằm thấp hơn) chứa một lượng lớn khoáng vật plagioclase, được hình thành khi một vật thể đá nóng chảy nguội lạnh. 

Hệ mặt trời cổ xưa

Các nghiên cứu về đá Mặt trăng cũng đưa lại cho chúng ta những thông tin quan trọng về các hành tinh khác, cụ thể là về sự hình thành và lịch sử của các vật thể khác trong hệ mặt trời. Chẳng hạn như khi xác định tuổi của các mẫu đá Apollo và phân tích các hố va chạm, các nhà khoa học kết luận rằng có một sự tăng vọt một cách bất ngờ các vụ va chạm thiên thạch khoảng 700 triệu năm sau khi các hành tinh hình thành (3,9 tỉ năm về trước). Thật không hề dễ để giải thích tại sao lại có một sự tăng vọt các vụ va chạm tại thời điểm đó, đây là câu hỏi làm các nhà khoa học băn khoăn suốt 50 năm qua. Tuy vậy, dường như bức tranh chung đang dần trở nên sáng tỏ, và tác nhân chính gây ra sự hỗn loạn này là có lẽ là hệ quả từ sự hình thành của những hành tinh khí và băng khổng lồ ở ngoài rìa hệ mặt trời như sao Mộc. 
Một trong những kết quả quan trọng nhất của mô hình Nice cho sự hình thành của hệ mặt trời (được đặt tên theo tỉnh Nice ở Pháp) là các hành tinh khí siêu khổng lồ ban đầu hình thành ở gần nhau hơn rất nhiều so với bây giờ. Sau đó vài trăm triệu năm, quĩ đạo của những hành tinh này trở nên không ổn định khiến cho sao Thổ, sao Thiên Vương và sao Hải Vương dịch chuyển ra xa hơn lúc mới được hình thành và giống như quĩ đạo hiện tại. Sự dịch chuyển quĩ đạo của 3 hành tinh này vô tình “kéo” các vật thể ở ngoài rìa hệ mặt trời, nằm ở vành đai Kuiper (chẳng hạn như sao chổi) vào sâu bên trong hệ mặt trời và khi đó, chúng thoải mái va chạm với các hành tinh đá, cũng như Mặt trăng của chúng ta và tạo nên một quang cảnh hỗn độn cho cả hệ mặt trời vào thời điểm đó. Mô hình này nghe có vẻ xa vời, nhưng nó lại giải thích một cách vô cùng tuyệt đẹp và tương ứng với những gì chúng ta quan sát được trên Mặt trăng – nguyên nhân cho những vụ va chạm tăng vọt ghi nhận được.

Báu vật cho thế hệ tương lai 

Kể từ khi được mang về Trái đất từ 50 năm trước, những mẫu đá Mặt trăng đã thực sự thay đổi những hiểu biết của chúng ta về hệ mặt trời, đồng thời mở ra một thời đại mới cho khoa học hành tinh. Nghiên cứu về các hành tinh trong hệ mặt trời không chỉ là công việc gói gọn cho các nhà thiên văn mà còn mở rộng ra cho sự tham dự của những nhà địa chất, hóa học phân tích, kĩ sư và còn nhiều ngành nghề khác nữa. Kể từ đó, rất nhiều các tàu vũ trụ, robot tự động đã được con người gửi đến các hành tinh khác trong hệ mặt trời, nghiên cứu sự tương đồng cũng như những điểm khác biệt của những vật thể khác với Trái đất ở tất cả mọi tỉ lệ từ trên quĩ đạo, tới trực tiếp dưới mặt đất. Và không thể không kể tới những nỗ lực gần đây khi các tàu vũ trụ như Hayabusa 2 hay OSIRIS-Rex sẽ mang về Trái đất những mẫu vật của tiểu hành tinh để phân tích trong phòng thí nghiệm với đầy đủ những công cụ tốt nhất mà không một tàu vũ trụ nào đủ khả năng để mang theo ra ngoài không gian. 
Trở lại Mặt trăng, đây là một giai đoạn đầy thú vị cho những nghiên cứu về Mặt trăng. Vào tháng 3, NASA vừa thông báo đã lựa chọn 9 nhóm nghiên cứu để mở những hộp mẫu vật thu được từ Apollo 15, 16 và 17. Cơ hội để nghiên cứu những “mẫu vật mới” chưa từng được mở ra sẽ đưa lại những khám phá căn bản về sự hình thành và tiến hóa của Mặt trăng. Chúng ta cũng cần nhiều hơn những mẫu đá ở những vị trí khác trên Mặt trăng, chẳng hạn như một mẫu băng ở vùng cực Nam của Mặt trăng, vị trí mà ở đó ánh sáng Mặt trời không thể rọi tới, do vậy nhiệt độ ở đây cực thấp (-173oC) và băng có thể tồn tại ở đây. Nguồn gốc của băng trên Mặt trăng đến từ đâu, liệu có phải từ các va chạm của sao chổi? Nước tồn tại trên Mặt trăng chỉ mới được biết đến trong khoảng một thập kỉ trở lại đây và vẫn còn là một vùng nghiên cứu với nhiều câu hỏi, tuy vậy xác định được nguồn gốc của nước trên Mặt trăng cũng sẽ giúp chúng ta hiểu thêm về nguồn gốc của nước trên Trái đất, thành tố quan trọng nhất để sự sống tồn tại trên hành tinh của chúng ta. □
—–
*Nghiên cứu sinh Thiên văn học, Đại học Cornell, Mỹ.
* Sửa lại so với bản in là 16/9/1969

Tài liệu tham khảo
[1] Tsiganis, K.; Gomes, R.; Morbidelli, A.; F. Levison, H. (2005). “Origin of the orbital architecture of the giant planets of the Solar System” (PDF). Nature. 435 (7041): 459461.Bibcode:2005Natur.435..459T.  doi:10.1038/nature03539. PMID 15917800.
[2, 3] Levison HF, Morbidelli A, Van Laerhoven C, Gomes RS, Tsiganis K (2007). “Origin of the Structure of the Kuiper Belt during a Dynamical Instability in the Orbits of Uranus and Neptune”. Icarus. 196 (1): 258–273. arXiv:0712.0553. Bibcode:2008Icar.. 196..258L.doi:10.1016/j.icarus.2007.11.035