Giả thuyết thú vị về tốc độ hình thành nhanh kinh ngạc của Mặt Trăng

Mô phỏng cho thấy Mặt Trăng hình thành từ phần còn lại của Theia và các phần của lớp phủ bị đẩy ra của Trái Đất. (Nguồn: livescience.com)

Kể từ giữa những năm 1970, các nhà thiên văn học đã nghĩ rằng Mặt Trăng có thể được tạo thành do một vụ va chạm giữa Trái Đất và một hành tinh cổ đại có kích thước lớn bằng sao Hỏa gọi là Theia.

Tác động khổng lồ từ cú va chạm sẽ tạo ra một trường mảnh vụn khổng lồ, mà từ đó Mặt Trăng sẽ hình thành một cách từ từ sau hàng nghìn năm.

Nhưng một giả thuyết mới, dựa trên các mô phỏng do siêu máy tính thực hiện ở mức độ chi tiết chưa từng biết tới, cho thấy sự hình thành của Mặt Trăng có thể không phải là một quá trình chậm và dần dần như người ta vẫn tưởng. Thay vào đó, nó có thể diễn ra chỉ trong vòng vài giờ.

Các nhà khoa học tới từ Mỹ đã công bố phát hiện của họ vào ngày 4/10 vừa qua trên tạp chí The Astrophysical Journal Letters.

Giới nghiên cứu đã có manh mối đầu tiên về sự hình thành của Mặt Trăng sau khi sứ mệnh Apollo 11 hoàn tất vào tháng 7/1969. Các phi hành gia của Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) là Neil Armstrong và Buzz Aldrin đã mang tổng cộng 21,6kg đá và bụi Mặt Trăng trở lại Trái Đất.

Những mẫu đất đá này được xác định có niên đại khoảng 4,5 tỷ năm trước, cho thấy Mặt Trăng được hình thành trong giai đoạn hỗn loạn, khoảng 150 triệu năm sau khi Thái dương hệ xuất hiện.

Các manh mối khác cho thấy vệ tinh tự nhiên lớn nhất của chúng ta dường như đã được sinh ra sau vụ va chạm dữ dội giữa Trái Đất và một hành tinh khác, được các nhà khoa học đặt tên theo một titan trong thần thoại Hy Lạp là Theia, mẹ của nữ thần Mặt Trăng Selene.

Các bằng chứng ủng hộ giả thuyết này bao gồm sự tương đồng về thành phần của đất đá Mặt Trăng và đất đá trên Trái Đất. Ngoài ra, vòng xoay của Trái Đất và quỹ đạo của Mặt Trăng có hướng giống nhau. Trái Đất và Mặt Trăng có mômen động lượng tổng hợp cao và cuối cùng là sự tồn tại của các đĩa mảnh vụn trong nhiều ngóc ngách của Thái dương hệ.

Nhưng chính xác vụ va chạm giữa Trái Đất và Theia diễn ra như thế nào vẫn là điều gây tranh cãi. Giả thuyết thông thường cho rằng khi Theia đâm vào Trái Đất, tác động phá hủy hành tinh đã khiến Theia vỡ thành hàng triệu mảnh, cơ bản biến nó thành một đống mảnh vỡ trôi trong vũ trụ.

Một phần lớn mảnh vỡ của Theia, cùng với đá bốc hơi và khí tách ra từ lớp phủ bên ngoài của Trái Đất trong giai đoạn nguyên sơ từ từ trộn lẫn thành một cái đĩa nóng bỏng. Dần dần cái đĩa này kết tụ lại thành khối cầu là Mặt Trăng và phần lõi nóng chảy của nó cũng nguội đi sau hàng triệu năm.

Tuy nhiên, người ta vẫn chưa có câu trả lời trọn vẹn cho một số bí ẩn liên quan tới sự hình thành của Mặt Trăng. Một câu hỏi nổi bật là nếu Mặt Trăng chủ yếu được tạo ra từ Theia, tại sao đa số đá của nó lại có những điểm tương đồng nổi bật với những tảng đá được tìm thấy trên Trái Đất?

Một số nhà khoa học cho rằng nguyên nhân do đá bốc hơi từ Trái Đất chiếm tỷ trọng nhiều hơn tàn tích của Theia. Nhưng ý tưởng này sinh ra các vấn đề riêng của nó, chẳng hạn Mặt Trăng với thành phần cấu tạo chủ yếu là đất đá Trái Đất sẽ có quỹ đạo rất khác so với những gì chúng ta thấy ngày hôm nay.

Để điều tra các kịch bản khác nhau có thể xảy ra đối với sự hình thành Mặt Trăng sau vụ va chạm, các tác giả của nghiên cứu mới đã dựa vào một chương trình mô phỏng máy tính gọi là SWIFT. Chương trình được thiết kế để mô phỏng chặt chẽ mạng lưới phức tạp các lực hấp dẫn và thủy động lực tác động lên một lượng lớn vật chất.

Tính toán chính xác các lực tác động sẽ gây ra điều gì không phải đơn giản. Vì vậy các nhà khoa học đã dùng siêu máy tính có biệt danh COSMA để chạy chương trình. Siêu máy tính này được đặt tại Đại học Durham, Anh.

Trong một nghiên cứu sử dụng siêu máy tính, NASA đã công bố một video mô phỏng "Mặt Trăng được hình thành chỉ trong vài giờ sau vụ va chạm của các hành tinh." (Nguồn: gigazine.net)

Bằng cách sử dụng COSMA để mô phỏng hàng trăm vụ va chạm giữa Trái Đất và Theia với các góc độ, vòng quay và tốc độ va chạm khác nhau, các nhà khoa học đã có thể mô hình hóa hậu quả của va chạm ở mức phân giải lớn hơn bao giờ hết, và qua đó thu kết quả chi tiết chưa từng thấy.

Theo Jacob Kegerreis, một chuyên gia tính toán vũ trụ tại Đại học Durham, đối với các va chạm cỡ lớn, độ phân giải mô phỏng tiêu chuẩn thường là từ 100.000 đến 1 triệu hạt vật chất. Nhưng trong nghiên cứu mới, ông và các cộng sự đã có thể lập mô hình giả lập lên đến 100 triệu hạt vật chất.

"Với độ phân giải cao hơn, chúng tôi có thể nghiên cứu chi tiết hơn, giống như cách thức một kính thiên văn lớn hơn sẽ cho phép bạn chụp ảnh có độ phân giải cao hơn về các hành tinh hoặc thiên hà xa xôi để khám phá," Kegerreis nói. "Ngoài ra, điều quan trọng hơn là việc sử dụng độ phân giải quá thấp trong mô phỏng có thể mang đến những câu trả lời sai so với thực tế," ông nói thêm.

Việc mô phỏng có độ phân giải cao chưa từng thấy đã giúp các nhà khoa học thấy rằng Mặt Trăng được hình thành chỉ trong vài giờ, từ các khối vật chất Trái Đất bị đẩy ra sau va chạm và các phần mảnh vỡ của Theia.

Ngoài ra, hoạt động mô phỏng cũng đưa ra một lý thuyết hình thành Mặt Trăng mới, giải thích rõ ràng và cụ thể nhất các đặc tính hiện có của Mặt Trăng, chẳng hạn như quỹ đạo nghiêng và rộng, phần lõi nóng chảy một phần và phần vỏ khá mỏng.

Tuy nhiên, các nhà khoa học sẽ phải kiểm tra mẫu đá và bụi được khai quật từ sâu bên dưới bề mặt Mặt Trăng - một mục tiêu trong sứ mệnh Artemis mà NASA sắp triển khai - trước khi họ có thể xác nhận giả thuyết nêu trên về sự hình thành của Mặt Trăng.

Hoạt động khảo sát trên Mặt Trăng cũng có thể làm sáng tỏ cách Trái Đất hình thành và trở thành một hành tinh chứa đựng sự sống như thế nào./.

Minh Phương (Vietnam+)