Trái đất có mặt trăng lớn bất thường so với các hành tinh đá khác trong hệ mặt trời, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa hiểu rõ nó hình thành như thế nào. Một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại Đại học Southwestern và Đại học Arizona cho thấy rằng một yếu tố bị bỏ qua từ lâu đóng vai trò trong sự ra đời của Mặt trăng: lực vật lý của các thế giới va chạm.
Sử dụng mô phỏng máy tính tiên tiến, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra tác động lớn giữa Trái đất non trẻ và một vật thể có kích thước bằng sao Hỏa, ước tính đã xảy ra cách đây 4,5 tỷ năm. Kết quả của họ cho thấy những kết quả khác nhau đáng ngạc nhiên tùy thuộc vào nhiệt độ và đặc tính cấu trúc của hai vật thể.
Những phát hiện được công bố trong Thư tạp chí vật lý thiên văn. Lần đầu tiên, các mô phỏng ước tính sức mạnh vật chất của hai thế giới cổ đại. Sự bổ sung này có thể thay đổi sự hiểu biết của các nhà khoa học về tác động của Mặt trăng và cũng có thể giúp giảm bớt tác động đó.
Adin Denton, cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Mặt trăng và Hành tinh, hiện đang làm việc tại SwRI, cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng địa chất tồn tại từ trước của một tiền vệ tinh có kích thước bằng sao Hỏa là rất quan trọng”. “Khi bạn mô phỏng Trái đất và Mặt trăng như những vật thể va chạm với các đặc điểm địa chất, nó sẽ thay đổi cách Mặt trăng được hình thành do tác động đó – điều mà trước đây chúng tôi nghĩ là không cần thiết.”
Xem lại Lý thuyết tác động lớn
Một trong những lời giải thích hàng đầu cho sự hình thành của Mặt trăng là kịch bản va chạm lớn. Theo lý thuyết này, một vật thể giống sao Hỏa tên là Theia đã va chạm với Trái đất sơ khai. Vụ va chạm đã phá hủy Theia và đưa các mảnh vỡ của nó vào quỹ đạo quanh Trái đất, tạo ra một đĩa mảnh vụn cuối cùng được tập hợp trên Mặt trăng.
Một nghiên cứu mang tính đột phá về kịch bản này được dẫn dắt vào năm 2001 bởi Robin Kanup, phó chủ tịch Ban Thám hiểm và Khoa học Hệ Mặt trời của SwRI ở Boulder, Colorado, và Eric Asfaug, giáo sư tại Phòng thí nghiệm Mặt trăng và Hành tinh, đồng thời là đồng tác giả của nghiên cứu mới.
Những mô phỏng ban đầu đó, cùng với nhiều mô hình sau này, thiếu sức bền vật chất. Các nhà khoa học suy đoán rằng vụ va chạm mạnh đến mức các vật thể đá có thể được xử lý một cách hiệu quả dưới dạng chất lỏng.
Denton và các đồng nghiệp đã quyết định liệu giả thuyết này có đúng hay không. Sử dụng các kỹ thuật tính toán tiên tiến, lần đầu tiên họ đã kết hợp các lực địa chất phụ thuộc vào nhiệt độ vào một mô phỏng sự hình thành của Mặt trăng.
Asfaug nói: “Bởi vì vụ va chạm được cho là đủ mạnh để làm tan chảy và làm bốc hơi phần lớn Trái đất và Theia, nên những bài báo trước đó cho rằng việc cho rằng chúng ở dạng lỏng là hợp lý”. “Với kết quả mới của chúng tôi, chúng tôi nghĩ đã đến lúc phải xem xét lại.”
Thêm địa chất thực vào hỗn hợp
Để xem lại hiệu ứng lớn, Denton đã sử dụng một dạng mô hình thủy động lực học hạt mịn tiên tiến, hay SPH. Những mô phỏng này xem xét độ bền cấu trúc của các vật thể liên quan thay vì coi chúng là chất lỏng hoàn toàn.
“Hóa ra lực vật chất rất quan trọng khi nghiên cứu sự va chạm giữa các vật thể nhỏ hơn như tiểu hành tinh, ngoại hành tinh và mặt trăng,” Denton, người có ý tưởng áp dụng khái niệm này cho các mặt trăng của Trái đất khi đang thực hiện một bài báo trước đây về sự hình thành của hệ thống Sao Diêm Vương-Charon. “Chúng tôi không chắc liệu điều này có quan trọng đối với mặt trăng của chúng ta hay không. Khi chạy mô phỏng, chúng tôi thấy rằng nó thực sự rất quan trọng.”
Phiên bản SPH được sử dụng trong nghiên cứu được phát triển tại U of A và Đại học Bern ở Thụy Sĩ. Mô hình mạnh mẽ của nó cho phép các vật liệu hành tinh mô phỏng chống lại sự biến dạng theo những cách phù hợp hơn với vật liệu địa chất, bao gồm cả đá và kim loại có khả năng hình thành Theia và Trái đất nguyên sinh, hoặc băng rắn.
Mặt trăng có thể hình thành theo nhiều cách khác nhau
Nhiệt độ đặc biệt quan trọng. Các vật thể hành tinh nóng hơn về mặt cơ học yếu hơn các hành tinh lạnh hơn và các mô phỏng đã chỉ ra rằng sự khác biệt này có thể ảnh hưởng đáng kể đến những gì xảy ra sau một vụ va chạm.
Trong những điều kiện nhất định, vụ va chạm sẽ phá hủy Theia và tạo ra một đĩa tiền mặt trăng lớn xung quanh Trái đất. Vật chất sau đó tích lũy dần dần trong đĩa đó để tạo thành Mặt trăng.
Nhưng các mô phỏng khác cho kết quả thú vị hơn nhiều. Thay vì hình thành từ từ từ các mảnh vụn, Mặt trăng hình thành trong khoảng thời gian vài giờ.
Bởi vì các tiền hành tinh trẻ có xu hướng ấm lên và nguội dần khi chúng già đi, kết quả này nêu lên mối liên hệ quan trọng tiềm tàng giữa thời điểm xảy ra vụ va chạm lớn và chế độ ban đầu của Mặt trăng.
“Tùy thuộc vào độ nóng của Trái đất và mặt trăng trước vụ va chạm, vụ va chạm có thể phá hủy Theia và tạo ra đĩa mảnh vụn khổng lồ mà cuối cùng hình thành nên Mặt trăng,” Denton nói. “Nhưng khi chúng tôi sử dụng các thông số tương tự như trong mô phỏng va chạm ban đầu – để cân bằng cấu trúc nhiệt độ bên trong cả hai vật thể – trong 5 giờ, một mặt trăng khỏe mạnh đã xuất hiện.”
Các mô phỏng trước đây cũng đã tạo ra các mặt trăng nguyên vẹn, nhưng công trình mới là công trình đầu tiên cho thấy cường độ vật chất và nhiệt độ có thể là yếu tố trung tâm để xác định xem Mặt trăng có hình dạng còn nguyên vẹn hay tích tụ dần dần từ các mảnh vụn đã qua xử lý trong đĩa tiền mặt trăng.
Thông tin mới về thời điểm Mặt trăng ra đời
Những phát hiện này có thể liên kết các đặc tính ngày nay của Mặt trăng với trạng thái vật lý của Trái đất và Theia hàng tỷ năm trước.
Canup, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết: “Những kết quả mới đáng ngạc nhiên và thú vị này cho thấy mối liên hệ có thể có giữa các tính chất vật lý của Mặt trăng, bao gồm cả hàm lượng dễ bay hơi của nó và trạng thái nhiệt của Trái đất và Theia tại thời điểm xảy ra vụ va chạm lớn”. “Điều này có thể giúp các nhà khoa học hạn chế tốt hơn khi sự kiện hình thành mặt trăng xảy ra.”
Nhưng một bí ẩn lớn vẫn chưa được giải quyết.
Trái đất và Mặt trăng có thành phần tương tự nhau đáng kể, điều mà các mô hình tác động quy mô lớn từ lâu đã phải vật lộn để giải thích đầy đủ. Các mô phỏng mới không khắc phục được vấn đề này.
Denton nói: “Bởi vì Trái đất và Sao Hỏa hình thành trong cùng một khu vực của hệ mặt trời nên chúng giống như anh em ruột”. “Mặt trăng và Trái đất giống anh em sinh đôi hơn.”
Một khả năng là Theia và Trái đất nguyên sinh được hình thành từ vật chất trong cùng một khu vực của hệ mặt trời sơ khai. Sao Hỏa, có thành phần khác với cả Trái đất và Mặt trăng, có thể đã hình thành ở rất xa.
Một cửa sổ mới về sự xuất hiện của Mặt trăng
Bằng cách chỉ ra rằng trạng thái bên trong của Trái đất và Theia có thể ảnh hưởng đến kết quả vụ va chạm của chúng, nghiên cứu này mang đến cho các nhà nghiên cứu một cách khác để điều tra một trong những bí ẩn lớn nhất trong khoa học hành tinh.
Đồng tác giả nghiên cứu Namya Baijal, một nghiên cứu sinh trong nhóm của Asfaug, cho biết: “Bây giờ chúng ta biết rằng trạng thái địa vật lý của Trái đất và Theia đóng vai trò chính trong việc định hình kết quả của vụ va chạm”. “Điều này mang lại cho chúng tôi một cách mới để nghiên cứu các điều kiện va chạm và những gì chúng có thể tiết lộ về sự hình thành của Mặt trăng.”
