Các nhiệm vụ khám phá vũ trụ thu thập mẫu vật về trái đất như thế nào?

NASA chuẩn bị phóng tàu vũ trụ đầu tiên để thu thập các mẫu vật trên sao Hỏa.

Bennu, một trong ba tiểu hành tinh, là mục tiêu của nhiều nhiệm vụ thu thập mẫu vật, trong đó có OSIRIS-REx (NASA). Nguồn: NASA/Goddard/University of Arizona/Lockheed Martin/Science Photo Library

Vào ngày 30/7, thiết bị tự hành Perseverance (Sự kiên nhẫn) đã được sẵn sàng để phóng tới hành tinh đỏ — bước đi đầu tiên hướng tới giấc mơ đã có từ nhiều năm của các nhà khoa học hành tinh. Nếu mọi việc diễn ra như kế hoạch, Perseverance sẽ tới đó vào tháng 2/2021 và đi vòng quanh, thu thập các mẫu đá để một ngày nào đó, con tàu vũ trụ khác sẽ chọn lọc và đưa về trái đất. Những viên đá này sẽ trở thành những mẫu vật đầu tiên lấy từ sao Hỏa.

Chúng sẽ có mặt trong bộ sưu tập vô giá của những vật liệu vũ trụ được lấy từ những hành tinh khác về trái đất thông qua thời kỳ khám phá vũ trụ. Từ những mẫu đá mặt trăng được các nhà du hành vũ trụ tàu Apollo đến những mảnh vỡ của một tiểu hành tinh ở khoảng cách a được các robot thu thập, những mẫu vật của thế giới khác này đã tái định hình nghiên cứu về hệ mặt trời.

Không có các nhiệm vụ nghiên cứu về hành tinh, các nhà khoa học chỉ còn một cách có thể nghiên cứu trực tiếp mẫu đá từ những thế giới khác là phân tích những thiên thạch rơi xuống trái đất. “Việc chờ đợi vật liệu này đến trái đất có thể sẽ rẻ hơn rất nhiều”, Queenie Hoi Shan Chan, một nhà khoa học hành tinh của trường đại học Hoàng gia Holloway London tại Egham, Anh, nói. “Nhưng chúng ta không thể chỉ chờ đợi điều này xảy ra, vì nó rất hiếm khi xuất hiện”.

Và dĩ nhiên thì các cơ quan nghiên cứu vũ trụ gặp rất nhiều khó khăn để thu thập các mảnh thiên thạch từ mặt trăng, sao Hỏa và các thế giới khác. May mắn là trong câc phòng thí nghiệm về trái đất được trang bị đầy đủ thiết bị hiện đại, các nhà khoa học có thể áp dụng các công cụ và kỹ thuật tiên tiến để hiểu về các mẫu vật. Các nhiệm vụ mang mẫu vật trở về trái đất cho phép họ biết một cách chính xác vùng địa lý mà viên đá đó được lấy. Đó là một “bối cảnh vô giá,” Jessica Barnes, một nhà khoa học hành tinh tại trường đại học Arizona ở Tucson, nói.

Với hai nhiệm vụ thu thập mẫu tiểu hành tinh đang được thực hiện, và việc quan tâm đến mặt trăng, những năm 2020 đang định hình ra một kỷ nguyên vàng thu thập mẫu vật. Nature nhìn lại các nhiệm vụ này và cách mục tiêu mà Perseverance sẽ mang lại.

Môt tảng đá được lấy từ mặt trăng và do nhiệm vụ Apollo 17 (NASA) mang trở lại trái đất. Nguồn: JSC/NASA

Mặt trăng

Các mẫu vật đầu tiên và lớn nhất mà chúng ta có là từ mặt trăng. Giữa năm 1969 và 1972, một nhóm các nhà du hành vũ trụ từ chương trình Apollo của NASA đã bay lên mặt trăng, thám hiểm trên đó và chọn lựa ra 382 kilograms đá mang về trái đất. Kết quả nghiên cứu chúng đã viết lại những hiểu biết khoa học về lịch sử của hệ mặt trời.

“Trước khi Apollo 11 hạ cánh xuống mặt trăng, nhiều người còn cho rằng mặt trăng của chúng ta được hình thành trong bầu không khí lạnh lẽo,” Donald Brownlee, một nhà thiên văn học ở trường đại học Washington ở Seattle, nói. “Rút cục thì đó là sai lầm quá lớn.” Các nghiên cứu từ mẫu đá mặt trăng chứng tỏ nó rất nóng ở thời điểm ban đầu, khoảng trên 4,5 tỷ năm trước, và được một đại dương đá nóng chảy bao phủ.

Các nhà nghiên cứu vẫn còn đang nghiên cứu tiếp những mẫu của Apollo. Năm ngoái, để đánh dấu 50 năm Apollo 11 hạ cánh xuống mặt trăng, NASA bắt đầu công khai một số mẫu của Apollo để xem xét những gì mà khoa học có thể khai thác được. Những nghiên cứu khác đang được thực hiện, dẫu việc xử lý thông tin vẫn còn chậm chạp bởi ảnh hưởng của đại dịch.

Ba nhiệm vụ mặt trăng của Soviet, tất cả đều có robot, mang về lượng mẫu nhỏ bụi mặt trăng giữa những năm 1970 và 1976. Và Trung Quốc đặt kế hoạch tìm một số mẫu vật với nhiệm vụ Chang’e 5, vốn được ấn định phóng vào cuối năm nay và có thể sẽ đem lại những mẫu vật mặt trăng đầu tiên kể từ những năm 1970.

NASA đang chờ đợi mang về nhiều mẫu đá mặt trăng từ chương trình Artemis của họ, vốn nhằm mục tiêu gửi các nhà du hành trở lại bề mặt mặt trăng vào cuối năm 2024.

Các tiểu hành tinh

Cơ quan Khám phá Không gian vũ trụ Nhật Bản (JAXA) là cơ quan vũ trụ duy nhất tiến xa trong việc mang về các vật liệu từ một tiểu hành tinh. Năm 2010, tàu vũ trụ Hayabusa trở lại từ một chuyến tới tiểu hành tinh hình củ khoai tây Itokawa, dẫu còn chưa rõ là liệu con tàu này có thể thu thập được bất kỳ mẫu vât nào trong chuỗi rủi ro xảy ra trên tiểu hành tinh này. Nhưng khi con tàu trở lại trái đất, các nhà khoa học JAXA đã tìm thấy hơn 1.500 mẫu hạt quý giá.

“Đó là những hạt bé tí, thậm chí nhỏ hơn cả bề dày tóc người,” Chan nói. “Trên trái đất, chúng ta có thể thực hiện những phân tích chi tiết với nó”, bao gồm việc xác định hợp chất đồng vị của nuước trong vật liệu Itokawa, một phân tích không thể thực hiện trong không gian bởi thiết bị đòi hỏi phải được đặt trong một căn phòng đủ chức năng. Những nghiên cứu mẫu hạt Itokawa đã xác nhậnkiểu chung của thiên thạch rơi xuống trái đất, gọi là đá có nguồn gốc chondrite, đến từ những tiểu hành tinh giàu silicate như Itokawa. Các hạt Itokawa từng nóng và bị va chạm mạnh tại một số thời điểm trong quá khứ, điều đó cho thấy là có những va chạm vũ trụ trong vành đai tiểu hành tinh.

Hai mẫu vật tiểu hành tinh khác có thể đến trái đất sớm hơn, nếu như mọi việc diễn ra tốt. Thành công của nhiệm vụ lấy mẫu vật tiểu hành tinh thứ hai của JAXA là Hayabusa2 còn tùy thuộc vào việc con tàu sẽ hạ cánh tại Australia vào tháng 12 tới. Nó mang về một số gram vật liệu từ một tiểu hành tinh giàu carbon hình củ lạc mang tên Ryugu, nằm giữa quỹ đạo trái đất và sao Hỏa. Và tàu vũ trụ OSIRIS-REx của NASA hiện đang bay theo quỹ đạo của hành tinh hình kim cương Bennu với hi vọng tóm được một mẫu vật vào tháng 10 và trở lại trái đất năm 2023.

Sao chổi

Năm 2004, tàu vũ trụ Stardust (Bụi sao) của NASA bay qua đuôi sao chổi Wild-2, vốn nhanh hơn vận tốc của một viên đạn tới sáu lần, và tóm lấy những mẫu vật duy nhất để lần đầu mang mẫu của một sao chổi về trái đất. Do đó, chúng đem lại bất ngờ lớn.

NASA đặt tên cho nhiệm vụ này là Bụi sao bởi các nhà khoa học nghĩ sao chổi chứa bụi cổ từ những ngôi sao khác, được đóng băng hàng tỷ năm. “Hóa ra ý tưởng này cũng là một cái sai lớn khác,” Brownlee, nhà nghiên cứu chính của nhiệm vụ này, nói. Khi các nhà khoa học có trong tay bụi sao chổi, họ thấy các hạt được hình thành gần với mặt trời ở những mức nhiệt độ cực cao. Điều này cho thấy các vật liệu nóng đã được vận chuyển thông qua hệ mặt trời thời kỳ sớm và bằng cách nào đó trở thành gắn kết thành một vật thể lạnh của sao chổi.

Trong khi bay qua vũ trụ, Stardust cũng đã thu hoạch được ít nhất bảy hạt bụi từ không gian liên sao. Các nhà khoa học đi từ ngạc nhiên này đến ngạc nhiên khác, bao gồm hai trong số đó chứa các khoáng chất kết tinh mà họ không chờ đợi tìm thấy trong vũ trụ giữa các ngôi sao.

Gió mặt trời

Bất chấp thành công của Stardust, năm 2004 không phải là một năm quá thành công cho việc lấy mẫu vật vũ trụ. Sau khi dành hơn hai năm trong vũ trụ để thu htaapj các hạt mang điện tích phun trào từ mặt trời và tạo ra gió mặt trời, tàu vũ trụ Genesis của NASA đã đâm xuống sa mạc Utah. Khi bay trở lại trái đất, chiếc dù của nó đã không hoạt động đúng lúc tái nhập bầu khí quyển và con tàu này rơi xuống mặt đất với vận tốc 300 km/giờ rồi vỡ ra thành nhiều mảnh.

Nhưng các kỹ sư đã vớt vát được chiếc hộp chứa mẫu vật gió mặt trời. Các nhà nghiên cứu đã dùng chúng để khám phá là gió mặt trời, và cả mặt trời, có tỷ lệ đồng vị ô xi cao hơn cả trái đất, trái ngược với những gì các nhà khoa học chờ đợi.

Việc mang những mẫu vật từ sao Hỏa về trái đất là thách thức lớn hơn các nhiệm vụ khác. Sao Hỏa xa hơn mặt trăng và trọng lực lớn hơn nhiều so vói tiểu hành tinh hoặc sao chổi, khiến cho tàu vũ trụ khó khăn hơn trong việc thoát khỏi bề mặt và trở lại trái đất.

NASA muốn Perseverance khoan và lấy ít nhất 30 ống chứa đất và đá sao Hỏa khi nó hạ cánh xuống Jezero Crater. Các kế hoạch dài hạn khiến NASA và Cơ quan vũ trụ châu Âu hợp tác để gửi con tàu tự hành thứ hai thu thập các ống chứa mẫu và phóng chúng vào quỹ đạo sao Hỏa, và con tàu vũ trụ thứ ba gắng sức đưa chúng rời quỹ đạo sao Hỏa  và bay về trái đất. Muc tiêu là đưa các mẫu vật về trái đất vào vào năm 2031.

Tuy nhiên Nhật Bản có thể thành công đầu tiên trong việc mang mẫu vật sao Hỏa trở về trái đất. JAXA đang phát triển một tàu vũ trụ để có thể bay đến mặt trăng lớn nhất của sao Hỏa là Phobos, và lấy một ít bụi ở đây rồi bay về vào năm 2029. Nhiệm vụ này được gọi là Martian Moons eXploration (MMX).

MMX có thể ghi dấu những vật liệu đầu tiên từ hệ sao Hỏa từng được mang về trái đất. Một công trình vào năm ngoái cho biết bề mặt của Phobos có lẽ chứa nhiều hạt từ sao Hỏa, rời khỏi về mặt do thiên thạch va chạm và rơi xuống Phobos. Nếu mọi chuyện diễn ra như vậy, MMX có thể chọn được nhiều hơn 100 hạt từ Phobos mà có thể có nguồn gốc từ sao Hỏa.

Mỗi hạt bụi có thể chứa nhiều khoáng chất với thông tin về tuổi vật liệu cũng như các đặc tính hóa học và từ trường của nó, theo Tomohiro Usui và Ryuki Hyodo của Viện nghiên cứu Khoa học Vũ trụ và du hành vũ trụ (JAXA) ở Sagamihara. “Mỗi hạt đều có thông tin địa hóa về môi trường bề mặt của sao Hỏa từ thời điểm mà nó được hình thành.” Bằng việc phân tích càng nhiều mẫu hạt sao Hỏa, các nhà khoa học càng có thể dựng được một bức tranh về môi trường bề mặt sao Hỏa thay đổi theo thời gian như thế nào.

Và bằng việc nghiên cứu các mẫu sao Hỏa đầu tiên trong phòng thí nghiệm. nhóm nghiên cứu của MMX có thể hỗ trợ công việc chuẩn bị cho Perseverance của NASA và ESA.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-020-02185-9