Đo khí quyển trên Mặt trăng mở ra chân trời mới trong khám phá Hệ Mặt trời

Mặt trăng, dù nhìn từ góc độ nào cũng bị coi là thiên thể trơ trụi và bề mặt của nó tiếp xúc trực tiếp với chân không của không gian. Nhưng vệ tinh của Trái Đất thực sự có một lớp khí; dù rất mỏng manh nhưng đủ bền để được coi là một loại khí quyển gọi là lớp ngoài (exosphere).

Chính xác thì Mặt trăng duy trì lớp khí khuếch tán đó như thế nào vẫn là một câu đố. Nếu ở Trái đất, từ trường đóng vai trò tác động hạn chế nhưng cần thiết đối với khí quyển thì trên Mặt trăng không có thứ gì như vậy. Bởi vậy, tầng ngoài của Mặt trăng hẳn đã bị hoạt động của Mặt trời (cụ thể là gió mặt trời) thổi bay đi từ lâu.

Rõ ràng là các khí trên Mặt trăng liên tục được bổ sung nên không bị cạn kiệt hoàn toàn. Giờ đây các nhà khoa học đã phát hiện ra nguồn bổ sung đó. Các thiên thạch siêu nhỏ, chỉ bằng kích thước của các hạt bụi, liên tục va vào bề mặt Mặt trăng, làm bụi Mặt trăng bốc hơi và giải phóng các nguyên tử vào không gian xung quanh Mặt trăng.

Nhà địa hóa học Nicole Nie của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết: "Chúng tôi đưa ra câu trả lời chắc chắn rằng quá trình bốc hơi do va chạm thiên thạch là quá trình chủ đạo tạo ra khí quyển Mặt trăng".

"Mặt trăng đã gần 4,5 tỉ năm tuổi và trong suốt thời gian đó, bề mặt liên tục bị thiên thạch bắn phá. Chúng tôi chỉ ra rằng sau cùng, một bầu khí quyển mỏng sẽ đạt đến trạng thái ổn định vì nó liên tục được bổ sung bởi các tác động nhỏ trên khắp Mặt trăng".

Vì bầu khí quyển của Mặt trăng rất loãng nên việc nghiên cứu rất khó khăn. Chúng ta biết nó hiện diện ở đó nhờ các máy dò do tàu vũ trụ trong chương trình Apollo để lại, đã phát hiện ra thành phần các nguyên tố khác nhau trong đó. Thế nhưng, các nhà khoa học đã gặp khó khăn trong việc tìm ra chính xác nguồn gốc của nó.

Thông qua mô phỏng trên máy tính, các tác động của thiên thạch siêu nhỏ đã được chứng minh là một tác nhân chính, cũng như một quá trình được gọi là 'phun ion'. Đó là quá trình các nguyên tử bị đẩy ra khỏi bề mặt Mặt trăng khi bị các hạt tích điện do gió Mặt Trời mang theo bắn phá.

Nie và các đồng nghiệp muốn xem xét kỹ hơn các quá trình khác nhau này cũng như vai trò của chúng trong việc tạo ra và duy trì tầng ngoài của Mặt trăng. Do vậy, họ đã thực hiện một phân tích mới. Họ đã nghiên cứu cẩn thận dữ liệu từ một tàu thăm dò quỹ đạo Mặt trăng có tên là “Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE)”, hoạt động trong 7 tháng từ năm 2013 đến năm 2014.

Nie phân tích: "Dựa trên dữ liệu của LADEE, ta thấy có vẻ như cả hai quá trình đều đóng vai trò. Ví dụ, dữ liệu cho thấy rằng trong các trận mưa thiên thạch, có nhiều nguyên tử hơn trong khí quyển, nghĩa là các va chạm có tạo ra ảnh hưởng. Nhưng dữ liệu cũng cho thấy rằng khi Mặt trăng bị che khuất khỏi Mặt Trời, chẳng hạn như trong nhật thực, thì cũng có những thay đổi trong các nguyên tử của khí quyển, nghĩa là Mặt Trời mà cụ thể là gió mặt trời cũng có tác động. Vì vậy, kết quả không rõ ràng hoặc không định lượng được".

Để thu hẹp đối tượng là “thủ phạm” hơn nữa, các nhà nghiên cứu cần phải đi thẳng đến nguồn gốc. Họ đã kiểm tra các mẫu đất Mặt trăng thực tế, được thu thập trong các chương trình Apollo, để tìm kiếm hai nguyên tố: kali và rubidi. Đây là hai nguyên tố đều có trên Mặt trăng và đều dễ bị bốc hơi.

Khi các hạt năng lượng cao từ Mặt Trời hoặc thiên thạch nhỏ va vào bề mặt Mặt trăng, bất kỳ rubidi và kali nào lơ lửng ở đó đều sẽ bị bốc hơi. Tuy nhiên, là những nguyên tố nặng, chúng sẽ rơi trở lại bề mặt Mặt trăng khá nhanh.

Quan trọng là, tỷ lệ mưa đồng vị của từng nguyên tố sẽ thay đổi tùy thuộc vào việc chúng bị bốc hơi do va chạm của thiên thạch nhỏ hay do phun ion từ gió mặt trời.

Nhóm nghiên cứu đã nghiền bụi Mặt trăng thành bột mịn và phân tích kết quả bằng máy quang phổ khối. Kết quả, họ phát hiện ra rằng cả hai quá trình này đều đóng vai trò trong việc tạo ra tầng ngoài của Mặt trăng – nhưng đóng góp của thiên thạch nhỏ gấp đôi đóng góp của gió Mặt Trời.

Nie giải thích: "Với việc bốc hơi do va chạm (của thiên thể), hầu hết các nguyên tử sẽ ở lại trong bầu khí quyển của Mặt trăng, trong khi với việc phun ion tư gió mặt trời, rất nhiều nguyên tử sẽ bị đẩy ra ngoài không gian. Từ nghiên cứu trên, hiện chúng tôi có thể định lượng vai trò của cả hai quá trình, để nói rằng đóng góp tương đối của việc bốc hơi do va chạm so với gió mặt trời theo tỷ lệ khoảng 70-30 hoặc lớn hơn".

Kết quả này không chỉ có ý nghĩa đối với sự hiểu biết của chúng ta về Mặt trăng. Nếu các quá trình tương tự đang diễn ra ở nơi khác trong Hệ Mặt trời, chẳng hạn như các tiểu hành tinh và các Mặt trăng khác, chúng ta có thể khám phá chúng trong các mẫu thu thập được.

Các nhiệm vụ thu thập các mẫu đó đã được thực hiện hoặc đang được tiến hành. Ví dụ, Cơ quan Vũ trụ Châu Âu đang hy vọng có thể gửi tàu lấy mẫu từ Phobos - mặt trăng của sao Hỏa mang về Trái đất.

Các nhà nghiên cứu viết: "Việc đo các đồng vị kali và rubidi trong lớp đất mặt của các vật thể đó sẽ giúp chúng ta hiểu cách chúng (các thiên thể trong Hệ Mặt trời) bị ảnh hưởng bởi các đợt thiên thạch bắn phá và sự bùng phát của gió Mặt trời theo thang thời gian địa chất và cách phong hóa không gian khác nhau trên khắp Hệ Mặt trời".