Những nguy cơ đến từ vũ trụ

Vụ va chạm “tiêu diệt khủng long”

Cách đây 65 triệu năm, khi các loài khủng long còn ngự trị trên Trái đất, một hành tinh nhỏ có đường kính 10 km đã đến va chạm vào hành tinh của chúng ta và rơi xuống một vùng bờ biển trong vịnh Mexico trên bán đảo Yucatan gần một ngôi làng nhỏ có tên là Chicxulub. Với những phương pháp điều tra khoa học, tỉ mỉ không kém gì các điều tra hình sự, các nhà khoa học đã có thể tìm lại nguồn gốc của kẻ “sát nhân” này và lập lại hiện trạng của thảm họa. Theo Bottke và cộng sự (Nature 449, 2007) thì thiên thể đến va chạm này là một mảnh vụn của một vật thể có kích thước 170 km bị tan vỡ trước đây 160 triệu năm trong Vành đai chính của các hành tinh nhỏ, MAB (Main Asteroid Belt), và có lẽ là một bộ phận tách rời từ một hành tinh nhỏ 40 km có tên là Baptistina. Kích thước của hành tinh nhỏ đến va chạm được suy ra từ lớp vật liệu có chứa iriđi phủ trên toàn bộ mặt đất cách đây 65 triệu năm. Iriđi là một nguyên tố do các thiên thể từ vũ trụ mang đến, khi có va chạm, nhiệt độ lên đến vài nghìn độ, áp suất tăng gấp hàng triệu lần nên các vật liệu chứa iriđi trong hành tinh nhỏ bị bốc hơi rồi rơi thành mưa xuống mặt địa cầu. Miệng hố va chạm ở Chicxulub có đường kính 180 km (Hình 1) chỉ mới được phát hiện năm 1991 bởi một công ty thăm dò dầu khí Mexico và tương đương với một va chạm của một thiên thể có kích thước 10 km.

Hình 1.  Miệng hố va chạm Chicxulub (dài 180 km, sâu 35 km) và khủng long bị nạn  Nguồn : VL Sharpton. Lunar and Planetary Insttute, 1996  và BBC, Science, 2003

Một kịch bản đã được đưa ra để mô tả lại thảm họa khủng khiếp này:

Những con khủng long ở gần điểm va chạm có thể nghe được tiếng vang rùng rợn của sóng xung kích khi vật thể va chạm bay đến vùng xích đạo với tốc độ trên 70.000 km/giờ . Va chạm này tạo ra một đợt sóng thần cao từ 100 đến 300m tăng tốc vượt qua các đại dương đến những nơi cách xa hàng nghìn km, nhấn chìm mọi sinh vật sống trên bờ biển và đảo lộn các lớp trầm tích dưới đáy biển đến độ sâu 500m. Các mô hình máy tính cho thấy va chạm ban đầu tạo ra một trận động đất M13 trên thang Richter, 3000 lần mạnh hơn các trận động đất lớn nhất lớn nhất được biết đến nay và lan tỏa ra khắp Trái đất. Hàng triệu mảnh vụn tràn ngập khắp khí quyển. Trong vòng vài trăm km chung quanh điểm va chạm, các mảnh vụn rơi xuống đóng thành một lớp dày vài trăm mét đủ để chôn vùi và tiêu diệt mọi sự sống còn hiện diện trên địa bàn. Sự xáo trộn đáng kể nhất có lẽ đến từ một cột hơi nước và mảnh vụn vọt lên không trung với những tốc độ cao đến mức có thể phóng chúng lên quỹ đạo vòng quanh Trái đất. Một số vật liệu này về sau rơi vào khí quyển và trở nên rất nóng do ma sát. Khi rơi xuống đất, chúng tạo ra những đám cháy rất lớn tiêu diệt gần hết các động vật đang sống trên mặt đất đã thoát khỏi ảnh hưởng của lần va chạm đầu tiên. Hậu quả trên toàn cầu rất quan trọng, vì ánh sáng Mặt trời bị các mảnh vụn ngăn không cho đến được mặt đất nên trời tối sầm trên khắp hành tinh, một mùa đông bất thường kéo dài nhiều tháng hay nhiều năm xuất hiện khắp nơi. Hiện tượng quang hợp bị ngừng trong khoảng một năm và kết quả là chuỗi thực phẩm bị gián đoạn, các sinh vật không có gì nuôi sống đã chết hết. Nhiều khí nhà kính được tung lên khí quyển, khối lượng của chúng đủ phá huỷ nhiều lần tầng ôzon và lượng carbon trong khí quyển lên đến một giá trị cao gấp 300 lần khối lượng tạo ra hiện nay do đốt các nhiện liệu hóa thạch. Nhiệt độ Trái đất tăng lên nhanh chóng, nhiều loài động vật trong đó có toàn bộ loài khủng long đều bị tiêu diệt, chỉ còn sống sót khoảng 30% các sinh vật có sức chống đỡ lớn. Phải đợi khoảng 3 triệu năm sau, lượng các chất hữu cơ chảy ra biển sâu mới được phục hồi lại. Cuộc hủy diệt các sinh vật này sẽ tạo ra không gian sinh thái để các loài khác như các động vật có vú và con người về sau có cơ hội phát triển. Thảm họa này tương đương với một vụ nổ hạt nhân có cường độ hàng trăm Megaton TNT và có đến 200.000 km3 đất đá bị bóc khỏi mặt đất, nóng chảy, bốc hơi và bắn ra ngoài.

Các nguy cơ đến từ vũ trụ

Theo các tính toán, một vụ va chạm như trên chỉ xảy ra một lần trong 100 triệu năm, nhưng có thể xảy ra bất kỳ lúc nào và nguy cơ của một người trên Trái đất bị chết do một hành tinh nhỏ gây ra cũng có xác suất như nguy cơ chết do tai nạn máy bay, với tần suất bay một lần mỗi năm.

Ngoài các hành tinh nhỏ, các thiên thể có khả năng va chạm vào Trái đất còn có những sao chổi hay những thiên thạch nhỏ. Một va chạm trong hệ Mặt Trời được quan sát rõ trên khắp mặt đất là sự kiện sao chổi Shoemaker-Levy 9 chạm vào sao Mộc tháng 7/1994, sau khi vỡ thành 21 mảnh (Hình 2). Kính viễn vọng trong không gian Hubble đã chụp được sự kiện này với các vết va chạm để lại trên sao Mộc. Trong số 21 mảnh vỡ, mảnh G có năng lượng va chạm tỏa ra là 6 triệu Megaton TNT và cột lửa bốc lên trên mặt sao Mộc cao đến 3300 km. Năm 1908, một sao chổi có đường kính 50m đã nổ ở độ cao từ 6 đến 8 km trên bầu trời Tunguska ở Nga làm cho khoảng 60 triệu cây cối bị trốc rễ và đổ rạp xuống trong một vùng có đường kính 2000 km. Sự kiện này tương đương với vụ nổ của 1000 quả bom Hiroshima, nếu nó xảy ra ở một vùng đông dân cư thuộc châu Âu thì có thể gây tử vong cho hàng triệu người. (Hình 2)

Hình 2   Vết va chạm trên sao Mộc (NASA/Hubble 1994) và cây cối đổ rạp ở Tunguska (1908)

Tại các nước tiên tiến, người ta quan tâm nhiều đến các vật thể gần Trái đất (NEO, Near Earth Objects) mà chủ yếu là các hành tinh nhỏ có thể đến va chạm. Trong một trăm năm sắp đến, khoảng 10.000 NEO nguy hiểm đối với hành tinh của chúng ta có thể đến va chạm và gây tử vong của hàng trăm triệu người và hàng trăm tỷ USD thiệt hại về kinh tế, theo Hill (Science 268, 1995). Quốc hội Mỹ đã giao cho Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA) nhiệm vụ phát hiện và xác nhận 90% trên tổng số 20.000 NEO nguy hiểm có kích thước trên 140 m trước năm 2020.

Các cơ quan vũ trụ của Mỹ, Nhật và châu Âu đã bắt đầu tung ra những chuyến bay thăm dò để nghiên cứu quỹ đạo, cấu trúc của một số hành tinh nhỏ và sao chổi, đồng thời có một số hoạt động để nghiên cứu các biện pháp chống va chạm. Trên hình 3, ta có ảnh một số hành tinh nhỏ đã được các tàu không gian quan sát. Các hành tinh nhỏ Eros và Mathilde được tàu không gian NEAR (Gặp gỡ các Hành tinh nhỏ gần Trái đất, NASA) quan sát, Gaspra và Ida được tàu Galileo (NASA) chụp ảnh. Tháng 10-2005, tàu thăm dò Nhật Bản mang tên Hayabusa (Chim Ưng) đã hai lần hạ cánh xuống hành tinh nhỏ Itokawa có kích thước 500 m. Tháng 6-2010, Hayabusa đã trở về Trái đất mang theo 1500 hạt bụi của Itokawa và chúng đang được phân tích trong các phòng thí nghiệm của Cơ quan Thám hiểm Vũ trụ Nhật Bản (JAXA).

Các sao chổi cũng rất nguy hiểm nếu quỹ đạo của chúng cắt quỹ đạo Trái đất. Sao chổi nổi tiếng Halley đã được tàu thăm dò Giotto của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) quan sát vào tháng 3/1986 khi bay ở một khoảng cách 1500 km, nhờ vậy mà người ta biết rõ cấu trúc của các sao chổi. Chuyến bay Stardust của NASA vào tháng Giêng năm 2004 đã thu thập và mang về Trái đất các hạt của sao chổi Wild-2 và vào tháng 7/2005, chuyến bay Deep Impact của NASA đã dùng một đầu đạn chứa 370 kg thuốc nổ bắn vào sao chổi Tempel-1 có kích thước 14 km.

Hình 3   Các hành tinh nhỏ đã được quan sát: Eros và Mathilde (NEAR-NASA), Gaspra và Ida (Galileo-NASA), Itokawa (Hayabusa-JAXA). Nguồn: NASA, JAXA

Hiện nay, trên khắp thế giới, các nhà khoa học đang nghiên cứu một hành tinh nhỏ phát hiện năm 2004 mang tên khoa học 2004MN4 nhưng được biết đến nhiều hơn dưới tên Apophis, tên của một vị ác thần trong thần thoại Ai Cập. Apophis có kích thước 270m, nhưng có khả năng đến gần Trái đất ở một vị trí 32.000 km vào năm 2029, vị trí này còn thấp hơn độ cao của các vệ tinh địa tĩnh đã được phóng lên (36.000 km). Nếu lúc ấy, Apophis đi qua một “lỗ khóa” chỉ rộng 600m thì trọng trường Trái đất sẽ làm nhiễu loạn quỹ đạo của nó và nó sẽ đến va chạm vào Trái đất ngày 13/4/2036. Apophis sẽ xuất hiện trở lại năm 2012-2013 và lúc ấy, người ta sẽ có thêm số liệu chính xác để lấy quyết định xử lý đối với hành tinh nhỏ này. Một hành tinh nhỏ khác được phát hiện năm 2004 có tên khoa học là 2004VD17 có kích thước 580 m cũng có thể va chạm vào Trái đất ngày 4/5/2102 giải phóng một năng lượng tương đương với 10.000 Megaton TNT. Hành tinh nhỏ mang ký hiệu 2005YU5 có kích thước 400 m sẽ đến gần Trái đất 325.000 km ngày 8/11/2011. Mặc dù nguy cơ va chạm của hành tinh nhỏ này không đáng kể nhưng với phương pháp chụp ảnh vi sóng từ Trái đất, người ta sẽ có một hình ảnh sắc nét của thiên thể này ở độ phân giải 4 m/pixel.

Các biện pháp giảm thiểu tác hại và tránh va chạm với các hành tinh nhỏ

Các nhà khoa học không gian đã đưa ra nhiều biện pháp tránh va chạm với các hành tinh nhỏ có khả năng cắt quỹ đạo Trái đất. Phương pháp mang tính trực giác nhất có lẽ là phá hủy vật thể trên đường bay đến hành tinh của chúng ta. Thành công của chuyến bay Deep Impact cho thấy người ta có khả năng dùng một đầu đạn phá vỡ một sao chổi nguy hiểm. Tuy nhiên, thí dụ của sao chổi Shoemaker-Levy 9 cho thấy dù đã vỡ thành 21 mảnh nhưng thiên thể vẫn đến va chạm vào sao Mộc, gây nên nhiều vụ nổ khủng khiếp mà người ta có thể quan sát được từ Trái đất.

Phương pháp “mềm” hơn làm trệch hướng bay của các thiên thể, bằng cách tiếp cận hay đổ bộ lên chúng, được người ta chú ý đến nhiều hơn. Các cuộc đổ bộ được chuẩn bị ngày càng chính xác, thí dụ như cuộc đổ bộ của tàu thăm dò Hayakusa lên Itokawa năm 2005 hay cuộc đổ bộ năm 2013 sắp đến của tàu không gian Rosetta do ESA phóng lên hướng về sao chổi Churyomov – Gerasimenko. Để làm nhiễu loạn quỹ đạo của các NEO, người ta có các phương pháp sau:

– Phương pháp “nhiễu loạn động học” như trường hợp chuyến bay Deep Impact thực hiện trên sao chổi Tempel-1. Theo các tính toán, một đầu đạn mang 200 kg chất nổ bắn vào một hành tinh nhỏ có kích thước 100 m ở tốc độ 12 km/s sẽ làm nhiễu loạn tốc độ của nó ở mức 0,6 cm/s. Nhiều biện pháp còn mang tính khoa học viễn tưởng cũng được nghiên cứu như gắn vào NEO các ống phụt tên lửa để tăng tốc cho nó, kéo NEO bằng trọng khối, khoan vào hành tinh nhỏ để cho bắn ra vật chất ở tốc độ cao, dùng tia laser hay bức xạ Mặt trời làm nóng một điểm của thiên thể, tạo ra một động cơ tên lửa. Người ta còn thậm chí đề nghị giải pháp sơn một mặt của hành tinh nhỏ để làm thay đổi lượng bức xạ Mặt trời phản chiếu trên thiên thể này. Cho đến nay, người ta vẫn chưa tính được lượng sơn (khổng lồ) cần thiết!

– Phương pháp tải mòn dùng những vụ nổ hạt nhân làm xói mòn một phần bề mặt hành tinh nhỏ. Muốn làm thay đổi tốc độ 0,1 cm/s của một hành tinh nhỏ 100 m thì cần một trái bom hạt nhân 0,1 kilôton. Tuy nhiên, luật pháp quốc tế nghiêm cấm việc sử dụng năng lượng hạt nhân trong vũ trụ.

Hình 4  Máy kéo trọng lực (hình vẽ minh hoạ).  Nguồn: Dan Durda, B612 Foundation

– Phương pháp dẫn dắt bằng trọng lực, dùng những tàu kéo robot gắn vào NEO hay “máy kéo” bay song song với thiên thể. (Hình 4) Trong trường hợp của Apophis, một máy kéo 1 tấn tạo ra một lực đẩy 0,1 newton hoạt động trong một tháng trước năm 2009 có thể làm thay đổi tốc độ của nó khoảng 10-6 m/s. Nếu không có tác động nào thì ngày 13/4/2036, Apophis sẽ bay trên một quỹ đạo như trên hình 5 mà cựu phi hành gia vũ trụ của Mỹ là Russell Schweickart trình ra trước một hội nghị của Liên Hiệp Quốc năm 2007. Apophis có thể va chạm vào Trái đất ở bất kỳ điểm nào trên quỹ đạo này với xác suất là 1 trên 45.000.    

Hình 5  Quỹ đạo của Apophis ngày 13 tháng Tư -2036. Nguồn: R.I Schweickart, B612 Foundation