Phát hiện mới chấn động về lõi sâu bên trong sao Hỏa

Sao Hỏa có thể chứa một lõi rắn được bao quanh bởi lớp lõi lỏng

Các nhà khoa học xác định rằng cấu trúc bên trong của sao Hỏa có những điểm tương đồng với Trái Đất. Dữ liệu thu thập từ sứ mệnh InSight của NASA cho thấy, bên dưới bề mặt, hành tinh này có một lõi trong rắn được bao bọc bởi lõi ngoài lỏng. Kết quả này góp phần giải đáp câu hỏi đã làm đau đầu giới nghiên cứu suốt nhiều thập niên.

Công trình được công bố trên tạp chí Nature mang ý nghĩa lớn trong việc hiểu rõ cách sao Hỏa phát triển theo thời gian. Hàng tỉ năm trước, hành tinh này có thể từng sở hữu một bầu khí quyển dày đặc hơn, đủ khả năng duy trì dòng chảy của nước trên bề mặt.

Bầu khí quyển đó có thể được bảo vệ bởi một lá chắn từ trường giống như Trái Đất. Thế nhưng ngày nay, sao Hỏa không còn lớp bảo vệ ấy. Nhiều nhà khoa học cho rằng sự biến mất của từ trường đã khiến khí quyển thoát dần ra ngoài không gian, biến sao Hỏa thành hành tinh khô lạnh, hoang vu như chúng ta quan sát hiện nay.

So sánh với lõi Trái Đất

Trái Đất có lõi trong rắn bao quanh bởi lớp lõi ngoài lỏng. Chuyển động trong lớp lõi ngoài này tạo ra cơ chế dynamo, sinh ra từ trường Trái Đất. Chính từ trường này trở thành lá chắn, ngăn chặn các hạt tích điện từ Mặt Trời, bảo vệ bầu khí quyển và duy trì khả năng dung dưỡng sự sống của hành tinh.

Trên sao Hỏa, những dấu vết từ hóa còn lưu lại trong lớp vỏ gợi ý rằng hành tinh này cũng từng có từ trường, có thể được duy trì bởi một cấu trúc bên trong tương tự. Tuy nhiên, lõi của sao Hỏa dần nguội lạnh, mất đi sự vận động và hệ thống bảo vệ này chấm dứt.

Cảnh quan trên sao Hỏa vẫn mang dấu tích rõ ràng về sự tồn tại của nước lỏng trong quá khứ: các hồ khô chứa khoáng chất do nước tạo thành, hay những thung lũng rộng lớn được khắc bởi sông ngòi. Song hiện tại, khí quyển sao Hỏa quá mỏng và lượng nước cần thiết để duy trì những đặc điểm này đã biến mất.

Phát hiện mới về lõi sao Hỏa

Trước đây, các nhóm nghiên cứu dùng máy đo địa chấn trên tàu đổ bộ InSight đã xác định được lõi của sao Hỏa và kết luận nó vẫn ở trạng thái lỏng. Nay, kết quả mới từ nhóm của Huixing Bi (Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Hợp Phì) và cộng sự cho thấy trong lõi lỏng đó còn có thể tồn tại một lớp lõi trong rắn.

Câu hỏi về cấu trúc bên trong sao Hỏa từ lâu đã là bí ẩn hấp dẫn: Liệu nó từng giống Trái Đất, với một lõi rắn bao quanh bởi lớp lỏng năng động? Hay kích thước nhỏ của sao Hỏa khiến nó không thể hình thành cấu trúc như vậy? Một hành tinh cần lớn đến mức nào để có được từ trường bảo vệ và duy trì khí hậu thích hợp cho sự sống?

Để hiểu sao Hỏa đã tiến hóa như thế nào, trước tiên cần hiểu rõ nó ngày nay. Chính những câu hỏi xoay quanh khí quyển, nước và lõi của sao Hỏa đã thúc đẩy nhiều sứ mệnh nghiên cứu. Các robot tự hành của NASA như Spirit, Opportunity, Curiosity và Perseverance tập trung nghiên cứu khoáng vật bề mặt. Tàu quỹ đạo ExoMars Trace Gas Orbiter của ESA nghiên cứu chu trình nước, tàu Maven của NASA khảo sát sự thất thoát khí quyển, còn tàu InSight được gửi để nghiên cứu hoạt động địa chấn.

Năm 2021, Simon Stahler (ETH Zurich, Thụy Sĩ) và cộng sự đã công bố nghiên cứu quan trọng từ dữ liệu InSight, phân tích cách sóng địa chấn lan truyền qua lớp phủ, lõi và phản xạ xuyên hành tinh.

Kích thước và thành phần lõi

Khi đó nhóm của Stahler phát hiện bằng chứng về lõi lần đầu tiên, xác định được kích thước và mật độ của nó. Mô hình khi đó cho thấy lõi gồm một lớp lỏng duy nhất, lớn hơn và ít đặc hơn dự kiến, không có lõi trong rắn. Bán kính lõi khoảng 1.800 km, tương đương một nửa bán kính sao Hỏa. Mật độ thấp gợi ý lõi chứa nhiều nguyên tố nhẹ như carbon, lưu huỳnh, hydro… làm giảm nhiệt độ nóng chảy và khiến lõi dễ duy trì trạng thái lỏng.

Phát hiện mới của Huixing Bi và cộng sự về lõi trong rắn (bán kính khoảng 610 km) có ý nghĩa cực kỳ quan trọng. Nó chứng tỏ quá trình kết tinh và rắn hóa đang diễn ra khi hành tinh nguội dần theo thời gian.

Cấu trúc này gần giống với Trái Đất, đồng nghĩa rằng sao Hỏa có khả năng từng tạo ra cơ chế dynamo và từ trường bảo vệ. Trên Trái Đất, chính sự chênh lệch nhiệt giữa lõi trong rắn, lớp lõi ngoài lỏng và lớp phủ đã tạo ra đối lưu trong lõi ngoài, hình thành từ trường. Điều này làm tăng khả năng rằng sao Hỏa từng sở hữu từ trường trong quá khứ.

Tiến trình khoa học và những tranh luận

Mặc dù Stahler và cộng sự từng công bố lõi hoàn toàn lỏng, còn nhóm Huixing Bi lại phát hiện lõi trong rắn, đây không phải là mâu thuẫn, mà là minh chứng cho sự tiến bộ trong thu thập và phân tích dữ liệu khoa học.

Sau khi InSight hạ cánh vào năm 2018 và mất liên lạc vào cuối năm 2022, có thêm dữ liệu mới để xem xét. Mô hình của Stahler được Henri Samuel (Đại học Paris Cité) cùng cộng sự điều chỉnh vào năm 2023, giúp dung hòa các bằng chứng. Ngay trong công trình của mình, Stahler cũng không loại trừ khả năng tồn tại lõi trong, chỉ rằng dữ liệu khi ấy chưa đủ mạnh để nhận diện rõ ràng sóng địa chấn đi qua ranh giới lõi trong.

Trong nghiên cứu mới đăng trên Nature, các nhà khoa học đã chọn lọc cẩn thận loại sự kiện địa chấn ở khoảng cách phù hợp từ InSight và áp dụng các kỹ thuật phân tích dữ liệu tiên tiến để tách tín hiệu yếu khỏi nhiễu.

Ý nghĩa rộng lớn

Phát hiện này chắc chắn sẽ tác động mạnh đến cộng đồng khoa học. Các nhà nghiên cứu sẽ tiếp tục tái phân tích dữ liệu InSight để kiểm chứng mô hình. Những thảo luận sâu hơn về bối cảnh địa chất và sự phù hợp với các dữ liệu khác về kích thước, mật độ lõi cũng sẽ được tiến hành.

Hiểu được cấu trúc bên trong các hành tinh trong Hệ Mặt Trời là chìa khóa để nắm bắt cách chúng hình thành, phát triển và tiến hóa. Trước InSight, các mô hình cho rằng lõi sao Hỏa giống Trái Đất từng được nghiên cứu nhưng ít được ủng hộ. Giờ đây, bằng chứng mới đã mở ra một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn.

Bùi Tú