Thật đáng kinh ngạc, các mẫu vật liệu từ mặt trăng được các sứ mệnh Apollo thu thập vẫn cung cấp những hiểu biết mới sau hơn 50 năm, trong trường hợp này, những hạt thủy tinh nhỏ rải rác trên bề mặt mặt trăng cho chúng ta biết về các luồng núi lửa phun trào hình thành nên chúng cách đây 3,3 đến 3,6 tỷ năm.
"Chúng tôi đã có những mẫu vật này trong 50 năm, nhưng giờ đây chúng tôi có công nghệ để hiểu đầy đủ về chúng", Ryan Ogliore, giáo sư vật lý tại Đại học Washington ở St Louis, cho biết trong tuyên bố. "Nhiều trong số những dụng cụ này sẽ không thể tưởng tượng được khi những hạt này lần đầu tiên được thu thập."
Những hạt nhỏ, có kích thước nhỏ hơn một milimét, được nhúng trong đá Mặt Trăng và trộn lẫn vào lớp đất đá Mặt Trăng. Chúng có hai loại, màu cam và đen, và được tạo ra khi những giọt dung nham phun trào dữ dội từ núi lửa nguội đi nhanh chóng trong chân không lạnh trên bề mặt Mặt Trăng. Khoảng 3,5 tỷ năm trước, Mặt Trăng hoạt động núi lửa mạnh mẽ, tạo thành các mảng tối của biển Mặt Trăng mà ngày nay tạo thành "khuôn mặt" của "Người đàn ông trên Mặt Trăng".
"Các hạt này là những viên nang nhỏ, nguyên sơ của phần bên trong Mặt Trăng", Ogliore cho biết. "Chúng là một số mẫu vật ngoài Trái Đất tuyệt vời nhất mà chúng ta có."
Ogliore là thành viên của nhóm do Thomas Williams, Stephen Parman và Alberto Saal của Đại học Brown ở Rhode Island đứng đầu, những người đã triển khai nhiều kỹ thuật phân tích vi mô hiện đại trên các hạt để tìm hiểu thêm về các điều kiện núi lửa mà các hạt này hình thành.
Thiết bị chính được sử dụng là đầu dò ion NanoSIMS 50 tại Đại học Washington, có thể thực hiện phép đo phổ ở cấp độ nguyên tử, xác định các nguyên tố và đồng vị, và thăm dò cấu trúc ở cấp độ nano.
Để tránh vật liệu chủ thể tiếp xúc với khí quyển của Trái Đất và phản ứng với oxy của nó, chùm ion đã đi vào các mẫu, trích xuất các hạt từ bên trong chúng và sau đó đảm bảo rằng vật liệu được bảo vệ khỏi khí quyển của chúng ta. Các mẫu sau đó được đưa vào một số kỹ thuật phân tích, bao gồm chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử, kính hiển vi điện tử quét và quang phổ tia X phân tán năng lượng.
"Ngay cả với các kỹ thuật tiên tiến mà chúng tôi sử dụng, đây vẫn là những phép đo rất khó thực hiện", Ogliore cho biết.
Các phép đo cho nhóm biết về áp suất, nhiệt độ và tính chất hóa học của môi trường mà các hạt hình thành. Thật vậy, sự tồn tại của chúng là bằng chứng cho thấy mặt trăng đã từng có những vụ phun trào dữ dội, "giống như đài phun nước lửa mà bạn có thể thấy ở Hawaii ngày nay", Ogliore cho biết.
Tuy nhiên, màu sắc, hình dạng và thành phần hóa học của các hạt thủy tinh trên Mặt Trăng lại khá khác so với các hạt thủy tinh trên Trái Đất.
Phân tích cho thấy các hạt thủy tinh được phủ một lớp dày chưa đến 100 nanomet, lắng đọng trên các hạt khi hơi nước ngưng tụ từ các đám mây núi lửa. Do đó, việc thăm dò các lớp nano này sẽ cung cấp thông tin về các đám mây núi lửa đó, từ đó chúng ta có thể tìm hiểu thêm về hoạt động núi lửa trên Mặt Trăng.
Các lớp nano trên bề mặt của các hạt không nhẵn, mà có một số hình dạng và tính không đồng nhất được mô tả là "micromound", "lathe", "plaques" và "blebs". Đặc biệt, các micromound có phần đế giàu sắt hơn so với bề mặt trên của chúng. Độ dốc sắt này có liên quan đến cách áp suất trong cột khói núi lửa giảm nhanh chóng trong thời gian ngắn mà các gò đất nhỏ trong lớp nano lắng đọng.
Cả hai hạt màu đen và màu cam được nghiên cứu trong phân tích này đều được sứ mệnh Apollo 17 thu hồi vào năm 1972 — sứ mệnh duy nhất có sự tham gia của một nhà địa chất chuyên gia, Harrison Schmitt, trên tàu — từ Thung lũng Taurus-Littrow ở Mare Serenitatis.
Các hạt màu đen có nhiều tinh thể nano kẽm-sulfua, và mô hình nhiệt hóa học của các hạt này chỉ ra rằng hydro và lưu huỳnh là các nguyên tố chính trong các luồng khí núi lửa hình thành nên chúng. Trong khi đó, các hạt màu cam thiếu một lượng đáng kể tinh thể kẽm-sulfua. Điều này cho thấy sự thay đổi theo thời gian trong các điều kiện của vụ phun trào núi lửa tạo ra các hạt màu đen và cam.
"Giống như đang đọc nhật ký của một nhà nghiên cứu núi lửa mặt trăng cổ đại vậy", Ogliore cho biết.
Mặc dù những phát hiện này chỉ là một chi tiết nhỏ trong bức tranh toàn cảnh, nhưng chúng đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến việc hiểu được các điều kiện núi lửa đã hình thành nên Người đàn ông trên Mặt trăng và lý do tại sao hoạt động núi lửa đó lại xảy ra ngay từ đầu.
Các kết quả đã được công bố trực tuyến vào tháng 4 trên tạp chí Icarus.
"Chúng tôi đã có những mẫu vật này trong 50 năm, nhưng giờ đây chúng tôi có công nghệ để hiểu đầy đủ về chúng", Ryan Ogliore, giáo sư vật lý tại Đại học Washington ở St Louis, cho biết trong tuyên bố. "Nhiều trong số những dụng cụ này sẽ không thể tưởng tượng được khi những hạt này lần đầu tiên được thu thập."
Những hạt nhỏ, có kích thước nhỏ hơn một milimét, được nhúng trong đá Mặt Trăng và trộn lẫn vào lớp đất đá Mặt Trăng. Chúng có hai loại, màu cam và đen, và được tạo ra khi những giọt dung nham phun trào dữ dội từ núi lửa nguội đi nhanh chóng trong chân không lạnh trên bề mặt Mặt Trăng. Khoảng 3,5 tỷ năm trước, Mặt Trăng hoạt động núi lửa mạnh mẽ, tạo thành các mảng tối của biển Mặt Trăng mà ngày nay tạo thành "khuôn mặt" của "Người đàn ông trên Mặt Trăng".
"Các hạt này là những viên nang nhỏ, nguyên sơ của phần bên trong Mặt Trăng", Ogliore cho biết. "Chúng là một số mẫu vật ngoài Trái Đất tuyệt vời nhất mà chúng ta có."
Ogliore là thành viên của nhóm do Thomas Williams, Stephen Parman và Alberto Saal của Đại học Brown ở Rhode Island đứng đầu, những người đã triển khai nhiều kỹ thuật phân tích vi mô hiện đại trên các hạt để tìm hiểu thêm về các điều kiện núi lửa mà các hạt này hình thành.
Thiết bị chính được sử dụng là đầu dò ion NanoSIMS 50 tại Đại học Washington, có thể thực hiện phép đo phổ ở cấp độ nguyên tử, xác định các nguyên tố và đồng vị, và thăm dò cấu trúc ở cấp độ nano.
Để tránh vật liệu chủ thể tiếp xúc với khí quyển của Trái Đất và phản ứng với oxy của nó, chùm ion đã đi vào các mẫu, trích xuất các hạt từ bên trong chúng và sau đó đảm bảo rằng vật liệu được bảo vệ khỏi khí quyển của chúng ta. Các mẫu sau đó được đưa vào một số kỹ thuật phân tích, bao gồm chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử, kính hiển vi điện tử quét và quang phổ tia X phân tán năng lượng.
"Ngay cả với các kỹ thuật tiên tiến mà chúng tôi sử dụng, đây vẫn là những phép đo rất khó thực hiện", Ogliore cho biết.
Các phép đo cho nhóm biết về áp suất, nhiệt độ và tính chất hóa học của môi trường mà các hạt hình thành. Thật vậy, sự tồn tại của chúng là bằng chứng cho thấy mặt trăng đã từng có những vụ phun trào dữ dội, "giống như đài phun nước lửa mà bạn có thể thấy ở Hawaii ngày nay", Ogliore cho biết.
Tuy nhiên, màu sắc, hình dạng và thành phần hóa học của các hạt thủy tinh trên Mặt Trăng lại khá khác so với các hạt thủy tinh trên Trái Đất.
Phân tích cho thấy các hạt thủy tinh được phủ một lớp dày chưa đến 100 nanomet, lắng đọng trên các hạt khi hơi nước ngưng tụ từ các đám mây núi lửa. Do đó, việc thăm dò các lớp nano này sẽ cung cấp thông tin về các đám mây núi lửa đó, từ đó chúng ta có thể tìm hiểu thêm về hoạt động núi lửa trên Mặt Trăng.
Các lớp nano trên bề mặt của các hạt không nhẵn, mà có một số hình dạng và tính không đồng nhất được mô tả là "micromound", "lathe", "plaques" và "blebs". Đặc biệt, các micromound có phần đế giàu sắt hơn so với bề mặt trên của chúng. Độ dốc sắt này có liên quan đến cách áp suất trong cột khói núi lửa giảm nhanh chóng trong thời gian ngắn mà các gò đất nhỏ trong lớp nano lắng đọng.
Cả hai hạt màu đen và màu cam được nghiên cứu trong phân tích này đều được sứ mệnh Apollo 17 thu hồi vào năm 1972 — sứ mệnh duy nhất có sự tham gia của một nhà địa chất chuyên gia, Harrison Schmitt, trên tàu — từ Thung lũng Taurus-Littrow ở Mare Serenitatis.
Các hạt màu đen có nhiều tinh thể nano kẽm-sulfua, và mô hình nhiệt hóa học của các hạt này chỉ ra rằng hydro và lưu huỳnh là các nguyên tố chính trong các luồng khí núi lửa hình thành nên chúng. Trong khi đó, các hạt màu cam thiếu một lượng đáng kể tinh thể kẽm-sulfua. Điều này cho thấy sự thay đổi theo thời gian trong các điều kiện của vụ phun trào núi lửa tạo ra các hạt màu đen và cam.
"Giống như đang đọc nhật ký của một nhà nghiên cứu núi lửa mặt trăng cổ đại vậy", Ogliore cho biết.
Mặc dù những phát hiện này chỉ là một chi tiết nhỏ trong bức tranh toàn cảnh, nhưng chúng đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến việc hiểu được các điều kiện núi lửa đã hình thành nên Người đàn ông trên Mặt trăng và lý do tại sao hoạt động núi lửa đó lại xảy ra ngay từ đầu.
Các kết quả đã được công bố trực tuyến vào tháng 4 trên tạp chí Icarus.