Các nhà nghiên cứu cho biết một hố va chạm khổng lồ trên mặt trăng có thể chứa các mảnh nguyên thủy của lớp phủ Mặt trăng và tàn tích của một đại dương magma cổ đại. Các thành viên phi hành đoàn trong các sứ mệnh Artemis sắp tới có khả năng mang các mẫu từ lớp phủ trẻ trở lại Trái đất, cung cấp cái nhìn sâu sắc về các giai đoạn cuối cùng của quá trình hình thành Mặt trăng.
Khoảng 4,3 tỷ năm trước, một vật thể tương đối lớn đã đâm vào bề mặt Mặt trăng, khoét sâu lớp vỏ để hình thành lưu vực Nam Cực-Aitken (SPA). Các mẫu từ vụ va chạm này vẫn nằm rải rác trên bề mặt Mặt trăng, cung cấp một bức ảnh chụp nhanh về diện mạo của lớp phủ khi nó vẫn đang kết tinh.
"Chúng tôi đề xuất rằng [vật va chạm] Nam Cực-Aitken đã đào một đại dương magma mỏng, giai đoạn cuối", Jeff Andrews-Hanna, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Arizona, cho biết vào tháng 3 tại Hội nghị Khoa học Mặt trăng và Hành tinh thường niên ở Woodlands, Texas. "Artemis sẽ lấy mẫu vật liệu bắn ra từ SPA và vật liệu có thể có của đại dương magma."
Lưu vực Nam Cực-Aitken có độ giãn dài rất nhẹ, cho thấy một tác động xiên, thay vì va chạm trực diện, từ máy gia tốc mẹ của nó. Ở rìa phía bắc của nó nằm một vũng vật liệu, một lớp vỏ dày dư thừa có thể tích gần bằng lượng lớp vỏ bị mất khỏi lưu vực. Một vật va chạm di chuyển về phía bắc có thể đã thổi vật liệu từ vụ va chạm về phía bắc, phía trước nó.
Nhưng Andrews-Hanna và các đồng nghiệp của ông đã quyết định áp dụng một cách tiếp cận khác đối với lưu vực. Thay vì xem xét vật liệu bên trong có thể có, họ đã nghiên cứu hình dạng và so sánh nó với các hố va chạm hình giọt nước khác trên mặt trăng. Khi một vật thể đá va chạm với bề mặt mặt trăng ở một góc, lưu vực kết quả sẽ bị kéo dài theo hướng va chạm. Các hố va chạm mặt trăng kéo dài khác sẽ thuôn nhọn theo hướng vật thể di chuyển. SPA có hình dạng thuôn nhọn, nhưng về phía nam, không phải về phía bắc — khiến các nhà nghiên cứu kết luận rằng vật thể đang di chuyển về phía nam, không phải về phía bắc.
"Chúng tôi đã có dữ liệu cần thiết để đo hình dạng của lưu vực trong một thời gian dài", Andrews-Hanna cho biết. "Chỉ cần một góc nhìn khác để nhìn lưu vực theo cách này."
Liên quan: Mặt xa của mặt trăng từng là một đại dương magma rộng lớn, tàu đổ bộ lên mặt trăng của Trung Quốc xác nhận
Vật liệu lớp phủ nóng chảy từ từ nguội đi và bắt đầu kết tinh. Một khoáng chất có mật độ thấp gọi là plagioclase nổi lên bề mặt để tạo thành lớp vỏ, trong khi các vật liệu đặc hơn chìm xuống bên trong. Andrews-Hanna gọi đây là "bằng chứng rõ ràng" cho sự tồn tại của một đại dương magma trong quá trình hình thành Mặt Trăng.
Đồng thời, một số vật liệu — các thành phần như kali, các nguyên tố đất hiếm và phốt pho, thường được gọi là KREEP (kali (K), các nguyên tố đất hiếm (REE) và phốt pho (P)) — đã không tạo thành tinh thể và thay vào đó bắt đầu tập trung trong quá trình tan chảy.
Các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra sự hiện diện của thori phù hợp với quá trình tan chảy do va chạm KREEP dọc theo đáy của lưu vực, cho thấy rằng vật liệu lớp phủ có thể đã phá vỡ lớp vỏ trong quá trình va chạm. Nhưng không có dấu hiệu nào của vật liệu manti được phát hiện ở phía bắc.
Khi Andrews-Hanna và các đồng nghiệp của ông xem xét các bản đồ của mặt trăng, họ phát hiện ra rằng lớp phủ ejecta phía tây nam mang theo một lượng lớn thorium liên quan đến vật liệu xung quanh. Họ kết luận rằng đại dương magma kết tinh chậm đã rò rỉ ra khỏi lớp vỏ sau tác động của SPA.
Khi kết hợp với một khu vực khác ở phía gần mặt trăng, được gọi là Procellarum KREEP Terrane (PKT), vật liệu từ SPA có thể cung cấp cái nhìn thoáng qua về phần bên trong đang tiến hóa của mặt trăng. Các nghiên cứu trước đây cho rằng tác động của SPA có thể đã đẩy đại dương magma sang phía đối diện của hành tinh để hình thành PKT. Nhưng nghiên cứu mới cho thấy hai khu vực này hình thành độc lập, với tác động của SPA xảy ra sớm hơn sự hình thành của PKT.
"Cùng nhau, SPA và PKT có thể kể câu chuyện về quá trình tiến hóa muộn của đại dương magma mặt trăng", Andrews-Hanna cho biết.
Các mẫu PKT đã được đưa trở lại Trái Đất trong các sứ mệnh Apollo, và sứ mệnh Chang'e 5 của Trung Quốc đã mang về thêm nhiều đá mặt trăng từ khu vực này vào năm 2020. Các mẫu tiếp theo từ Chang'e 6 sau đó được đưa trở lại Trái Đất vào năm 2024 cũng chứa các mẫu từ lưu vực Nam Cực–Aitken.
Các câu chuyện liên quan:
— Các mẫu mặt trăng Chang'e 6 của Trung Quốc cho thấy mặt trăng của chúng ta là mảnh vỡ từ một vụ va chạm Trái đất cổ đại
— 'Vật liệu kỳ diệu' được tìm thấy trong các mẫu mặt trăng gợi ý về nguồn gốc của mặt trăng
— NASA công bố 9 địa điểm hạ cánh trên mặt trăng có thể cho sứ mệnh Artemis 3
Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với sứ mệnh Artemis có người lái, hiện đang được lên kế hoạch hạ cánh trên mặt trăng vào năm 2026, mặc dù hiện tại vẫn còn nhiều lo ngại về vấn đề an toàn. Các phi hành gia sẽ có thể lấy mẫu từ lớp phủ để mang về Trái đất. Những mẫu này có thể được so sánh với đá mặt trăng vùng PKT để cung cấp ảnh chụp nhanh lớp phủ Mặt trăng trong hai kỷ nguyên khác nhau, từ đó có thể giúp xác định thời điểm hình thành đại dương magma Mặt trăng.
SPA sẽ cung cấp những manh mối quan trọng về đại dương magma, mà Andrews-Hanna cho biết "có liên quan mật thiết đến sự ra đời của Trái đất". Mặc dù các nhà khoa học có ý tưởng sơ bộ về thời gian hình thành đại dương magma, nhưng rất khó để xác định chính xác khoảng thời gian.
"Chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi sẽ có thể xác định được độ tuổi chính xác của SPA sau khi các mẫu được đưa về", Andrews-Hanna cho biết. Điều đó "sẽ cung cấp cho chúng tôi độ tuổi chính xác của quá trình kết tinh đại dương magma giai đoạn cuối này do tác động ghi lại".
Khoảng 4,3 tỷ năm trước, một vật thể tương đối lớn đã đâm vào bề mặt Mặt trăng, khoét sâu lớp vỏ để hình thành lưu vực Nam Cực-Aitken (SPA). Các mẫu từ vụ va chạm này vẫn nằm rải rác trên bề mặt Mặt trăng, cung cấp một bức ảnh chụp nhanh về diện mạo của lớp phủ khi nó vẫn đang kết tinh.
"Chúng tôi đề xuất rằng [vật va chạm] Nam Cực-Aitken đã đào một đại dương magma mỏng, giai đoạn cuối", Jeff Andrews-Hanna, một nhà khoa học hành tinh tại Đại học Arizona, cho biết vào tháng 3 tại Hội nghị Khoa học Mặt trăng và Hành tinh thường niên ở Woodlands, Texas. "Artemis sẽ lấy mẫu vật liệu bắn ra từ SPA và vật liệu có thể có của đại dương magma."
Lưu vực Nam Cực-Aitken có độ giãn dài rất nhẹ, cho thấy một tác động xiên, thay vì va chạm trực diện, từ máy gia tốc mẹ của nó. Ở rìa phía bắc của nó nằm một vũng vật liệu, một lớp vỏ dày dư thừa có thể tích gần bằng lượng lớp vỏ bị mất khỏi lưu vực. Một vật va chạm di chuyển về phía bắc có thể đã thổi vật liệu từ vụ va chạm về phía bắc, phía trước nó.
Nhưng Andrews-Hanna và các đồng nghiệp của ông đã quyết định áp dụng một cách tiếp cận khác đối với lưu vực. Thay vì xem xét vật liệu bên trong có thể có, họ đã nghiên cứu hình dạng và so sánh nó với các hố va chạm hình giọt nước khác trên mặt trăng. Khi một vật thể đá va chạm với bề mặt mặt trăng ở một góc, lưu vực kết quả sẽ bị kéo dài theo hướng va chạm. Các hố va chạm mặt trăng kéo dài khác sẽ thuôn nhọn theo hướng vật thể di chuyển. SPA có hình dạng thuôn nhọn, nhưng về phía nam, không phải về phía bắc — khiến các nhà nghiên cứu kết luận rằng vật thể đang di chuyển về phía nam, không phải về phía bắc.
"Chúng tôi đã có dữ liệu cần thiết để đo hình dạng của lưu vực trong một thời gian dài", Andrews-Hanna cho biết. "Chỉ cần một góc nhìn khác để nhìn lưu vực theo cách này."
Liên quan: Mặt xa của mặt trăng từng là một đại dương magma rộng lớn, tàu đổ bộ lên mặt trăng của Trung Quốc xác nhận
Sự tách biệt giữa lớp vỏ và lớp phủ
Khi hệ mặt trời còn non trẻ, một vật thể có kích thước bằng sao Hỏa đã đâm vào Trái Đất mới hình thành. Hai hành tinh nguyên thủy bị thổi bay và từ từ kết hợp lại thành hai vật thể mới — Trái Đất và Mặt Trăng — làm cả hai vật thể hóa lỏng trong thời gian ngắn.Vật liệu lớp phủ nóng chảy từ từ nguội đi và bắt đầu kết tinh. Một khoáng chất có mật độ thấp gọi là plagioclase nổi lên bề mặt để tạo thành lớp vỏ, trong khi các vật liệu đặc hơn chìm xuống bên trong. Andrews-Hanna gọi đây là "bằng chứng rõ ràng" cho sự tồn tại của một đại dương magma trong quá trình hình thành Mặt Trăng.
Đồng thời, một số vật liệu — các thành phần như kali, các nguyên tố đất hiếm và phốt pho, thường được gọi là KREEP (kali (K), các nguyên tố đất hiếm (REE) và phốt pho (P)) — đã không tạo thành tinh thể và thay vào đó bắt đầu tập trung trong quá trình tan chảy.
Các nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra sự hiện diện của thori phù hợp với quá trình tan chảy do va chạm KREEP dọc theo đáy của lưu vực, cho thấy rằng vật liệu lớp phủ có thể đã phá vỡ lớp vỏ trong quá trình va chạm. Nhưng không có dấu hiệu nào của vật liệu manti được phát hiện ở phía bắc.
Khi Andrews-Hanna và các đồng nghiệp của ông xem xét các bản đồ của mặt trăng, họ phát hiện ra rằng lớp phủ ejecta phía tây nam mang theo một lượng lớn thorium liên quan đến vật liệu xung quanh. Họ kết luận rằng đại dương magma kết tinh chậm đã rò rỉ ra khỏi lớp vỏ sau tác động của SPA.
Khi kết hợp với một khu vực khác ở phía gần mặt trăng, được gọi là Procellarum KREEP Terrane (PKT), vật liệu từ SPA có thể cung cấp cái nhìn thoáng qua về phần bên trong đang tiến hóa của mặt trăng. Các nghiên cứu trước đây cho rằng tác động của SPA có thể đã đẩy đại dương magma sang phía đối diện của hành tinh để hình thành PKT. Nhưng nghiên cứu mới cho thấy hai khu vực này hình thành độc lập, với tác động của SPA xảy ra sớm hơn sự hình thành của PKT.
"Cùng nhau, SPA và PKT có thể kể câu chuyện về quá trình tiến hóa muộn của đại dương magma mặt trăng", Andrews-Hanna cho biết.
Các mẫu PKT đã được đưa trở lại Trái Đất trong các sứ mệnh Apollo, và sứ mệnh Chang'e 5 của Trung Quốc đã mang về thêm nhiều đá mặt trăng từ khu vực này vào năm 2020. Các mẫu tiếp theo từ Chang'e 6 sau đó được đưa trở lại Trái Đất vào năm 2024 cũng chứa các mẫu từ lưu vực Nam Cực–Aitken.
Các câu chuyện liên quan:
— Các mẫu mặt trăng Chang'e 6 của Trung Quốc cho thấy mặt trăng của chúng ta là mảnh vỡ từ một vụ va chạm Trái đất cổ đại
— 'Vật liệu kỳ diệu' được tìm thấy trong các mẫu mặt trăng gợi ý về nguồn gốc của mặt trăng
— NASA công bố 9 địa điểm hạ cánh trên mặt trăng có thể cho sứ mệnh Artemis 3
Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với sứ mệnh Artemis có người lái, hiện đang được lên kế hoạch hạ cánh trên mặt trăng vào năm 2026, mặc dù hiện tại vẫn còn nhiều lo ngại về vấn đề an toàn. Các phi hành gia sẽ có thể lấy mẫu từ lớp phủ để mang về Trái đất. Những mẫu này có thể được so sánh với đá mặt trăng vùng PKT để cung cấp ảnh chụp nhanh lớp phủ Mặt trăng trong hai kỷ nguyên khác nhau, từ đó có thể giúp xác định thời điểm hình thành đại dương magma Mặt trăng.
SPA sẽ cung cấp những manh mối quan trọng về đại dương magma, mà Andrews-Hanna cho biết "có liên quan mật thiết đến sự ra đời của Trái đất". Mặc dù các nhà khoa học có ý tưởng sơ bộ về thời gian hình thành đại dương magma, nhưng rất khó để xác định chính xác khoảng thời gian.
"Chúng tôi hy vọng rằng chúng tôi sẽ có thể xác định được độ tuổi chính xác của SPA sau khi các mẫu được đưa về", Andrews-Hanna cho biết. Điều đó "sẽ cung cấp cho chúng tôi độ tuổi chính xác của quá trình kết tinh đại dương magma giai đoạn cuối này do tác động ghi lại".