Giả thuyết vụ va chạm lớn

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Mô tả về vụ va chạm giả định rằng đã hình thành nên Mặt Trăng

Giả thuyết vụ va chạm lớn cho rằng Mặt Trăng được tạo ra từ các mảnh vỡ để lại sau vụ va chạm giữa Trái Đất lúc trẻ với một thiên thể kích cỡ Sao Hỏa. Đây là giả thuyết khoa học được ưa thích [1] cho sự hình thành Mặt Trăng. Bằng chứng của giả thuyết này bao gồm các mẩu đá Mặt Trăng cho thấy bề mặt từng nóng chảy, lõi sắt tương đối nhỏ, tỷ trọng thấp hơn Trái Đất của Mặt Trăng, và chứng cứ của các vụ va chạm tương tự trong các hệ sao khác (tạo nên đĩa vật chất). Thiên thể va chạm được đặt tên là Theia (hay Euryphaessa), một Titan Hy Lạp và là mẹ của Selene, nữ thần Mặt Trăng.[2][3]

Vẫn còn một số vấn đề chưa được làm sáng tỏ xoay quanh giả thuyết này. Tỉ lệ đồng vị oxy của Mặt Trăng thực chất giống hệt như của Trái Đất, và không có bằng chứng nào chứng tỏ có sự góp mặt về thành phần của thiên thể nào[4]. Các mẫu vật Mặt Trăng cũng không có tỉ lệ được dự đoán nguyên tố dễ bay hơi, các oxit sắt, hoặc các nguyên tố ưa sắt, và không có chứng cứ nào cho thấy rằng Trái Đất từng có các đại dương mắcma như giả thuyết nhắc đến.

Nguồn gốc[sửa | sửa mã nguồn]

Năm 1898, George Howard Darwin cho rằng Trái Đất và Mặt Trăng từng là một thực thể thống nhất. Giả thuyết của Darwin là Mặt Trăng nóng chảy đã bị kéo ra khỏi Trái Đất bằng lực ly tâm và trở thành lời giải thích nổi trội hơn cả [5]. Sử dụng cơ học Newton, ông tính toán rằng Mặt Trăng đã từng ở gần Trái Đất hơn trong quá khứ và đang chuyển động xa dần Trái Đất. Sự chuyển động này được chứng minh bởi các thí nghiệm sử dụng các mục tiêu đo khoảng cách bằng tia laze đặt trên Mặt Trăng của MỹLiên Xô.

Tuy nhiên, phép tính của Darwin lại không giải quyết đuợc cơ chế cần để kéo Mặt Trăng trở lại bề mặt Trái Đất. Vào năm 1946, Reginald Aldworth DalyĐại học Harvard không thừa nhận lời giải thích của Darwin, cho rằng Mặt Trăng tạo thành là do một vụ va chạm hơn là lực ly tâm [6]. Sự phủ nhận của Giáo sư Daly ít được chú ý cho đến khi nó được giới thiệu lại tại một hội nghị về vệ tinh năm 1974. Sau đó nó được tái bản trong Icarus năm 1975 bởi Tiến sĩ William K. Hartmann và Donald R. Davis. Mô hình của họ cho rằng, vào cuối giai đoạn hình thành các hành tinh, những thiên thể kích thước vệ tinh sau khi hình thành có thể va chạm với các hành tinh khác hoặc bị giữ lại. Họ cho rằng một trong các thiên thể này có thể đã va chạm với Trái Đất, bắn tung lên các vật chất, bụi khí nghèo chất dễ bay hơi đã hợp nhất lại tạo thành Mặt Trăng. Cú va chạm này có thể giải thích các đặc tính địa lí độc nhất của Mặt Trăng [7].

Alfred G. W. Cameron và William Ward cũng đã đề xuất một đường lối tương tự, cho rằng Mặt Trăng đuợc tạo thành bởi vụ va chạm theo phương tiếp tuyến với một thiên thể kích thước Sao Hỏa. Lớp silicat ngoài của các thiên thể va chạm hầu hết đã bốc hơi, để lại lõi kim loại. Do đó, hầu hết vật chất bắn lên quĩ đạo sẽ bao gồm silicat, làm Mặt Trăng khi ngưng kết thiếu đi sắt. Những vật liệu dễ bay hơi hơn văng ra sau cú va chạm có thể thoát khỏi Hệ Mặt trời, trong khi silicat lại có xu hướng ngưng kết lại[8].

Theia[sửa | sửa mã nguồn]

Một cách giải thích về "Big Splash" khi được nhìn từ cực Nam.

Tên của tiền hành tinh giả định đuợc lấy từ tên của một titan Hy Lạp là Theia, người sinh ra nữ thần Mặt Trăng Selene. Theo giả thuyết trên, Theia được hình thành cùng với các thiên thể kích thước hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời khoảng 4,6 tỉ năm trước và có kích cỡ Sao Hỏa.

Một giả thuyết cho rằng Theia hình thành tại điểm Lagrange L4 hoặc L5 gần Trái Đất (trên cùng một quĩ đạo và khoảng 60o trước hoặc sau), tương tự như một tiểu hành tinh trojan[9]. Sự ổn định của quĩ đạo Theia bị ảnh hưởng khi khối lượng của nó vượt nguỡng khoảng 10% khối lượng Trái Đất [1]. Sự nhiễu loạn trọng lực gây ra bởi các vi thể hành tinh làm Theia rời khỏi vị trí Lagrange ổn định, và các tương tác với tiền Trái Đất xảy ra sau đó làm hai thiên thể này va chạm với nhau.[1]

Các nhà thiên văn cho rằng vụ va chạm giữa Theia và Trái Đất xảy ra khoảng 4,53 tỉ năm trước, khoảng 30-50 triệu năm sau khi Hệ Mặt Trời hình thành. Tuy nhiên, chứng cứ đưa ra vào năm 2008 cho rằng vụ va chạm có thể xảy ra muộn hơn, khoảng 4,48 tỉ năm trước.[10]

Sự va chạm[sửa | sửa mã nguồn]

Trong điều kiện thiên văn, vụ va chạm sẽ có vận tốc trung bình. Theia chắc đã va chạm với Trái Đất ở một góc xiên khi cả hai hình thành gần như hoàn chỉnh. Mô hình máy tính của kịch bản "cú va chạm trễ" cho thấy góc va chạm là 45o và vận tốc va chạm ban đầu dưới 4 km/s [11]. Lõi sắt của Theia chìm vào lõi Trái Đất trẻ, và hầu hết lớp phủ của Theia cùng một phần lớp phủ và vỏ Trái Đất bị bắn tung lên quĩ đạo. Những vật liệu này nhanh chóng ngưng kết lại tạo thành Mặt Trăng (có thể nhiều hơn một tháng nhưng chưa tới một thế kỉ). Theo ước tính dựa trên mô hình giả lập máy tính, khoảng 2% khối lượng ban đầu của Theia trở thành đĩa vật chất, và khoảng một nửa số vật chất này ngưng kết tạo thành Mặt Trăng. Trái Đất đã nhận một lượng đáng kể mômen động lượngkhối lượng từ vụ va chạm lớn như thế. Chưa kể đến độ nghiêng và sự quay của Trái Đất trước vụ va chạm, mất khoảng hơn một ngày và năm giờ để đường xích đạo Trái Đất dịch chuyển gần hơn đến mặt phẳng quỹ đạo Mặt Trăng.

Các vật thể đáng kể khác được cho là đã đuợc tạo thành bởi vụ va chạm, và vẫn còn lại trên quỹ đạo giữa Mặt Trăng và Trái Đất, bị kẹt giữa các điểm Lagrange. Các vật thể như thế có thể đã tồn tại cùng hệ Mặt Trăng - Trái Đất cho đến khi lực kéo trọng trường của các hành tinh khác làm mất ổn định hệ đủ để giải phóng các vật thể này.[12]

Bằng chứng[sửa | sửa mã nguồn]

Hình động minh họa của Theia hình thành ở điểm L5 và sau đó va chạm. Quá trình được diễn tả trong vòng 1 năm (trước va chạm), làm Trái Đất hầu như không chuyển động. Nhìn từ cực Nam.

Bằng chứng gián tiếp của kịch bản va chạm này đến từ các loại đá được thu thập trong các cuộc hạ cánh xuống Mặt Trăng của chương trình Apollo, cho thấy tỷ lệ đồng vị ôxy giống với Trái Đất. Thành phần khoáng vật giàu anorthosit của lớp vỏ Mặt Trăng, cũng như sự tồn tại của các mẫu giàu KREEP, đã dẫn đến ý tưởng rằng một phần lớn của Mặt Trăng từng nóng chảy, và một cú va chạm lớn có thể dễ dàng cung cấp năng lượng để hình thành một đại dương mắcma như thế. Một vài bằng chứng cho thấy rằng nếu Mặt Trăng có lõi giàu sắt, nó phải nhỏ. Trong đó mật độ trung bình, momen quán tính, dấu hiệu của sự tự quay, và cảm ứng từ đều cho thấy bán kính lõi của nó nhỏ hơn 25% bán kính Mặt Trăng, trái với mức khoảng 50% của hầu hết các thiên thể khác. Điều kiện va chạm được cho là đã tạo thành một Mặt Trăng cấu tạo từ hầu hết lớp phủ của Trái Đất và thiên thể va chạm, với lõi của thiên thể sáp nhập với lõi Trái Đất, đã thoả mãn các ràng buộc momen động lượng của hệ Mặt Trăng-Trái Đất.[13]

Bụi khí ấm và giàu khí SiO, sản phẩm của vụ va chạm với vận tốc cao (>10 km/s) giữa hai thiên thể cấu tạo từ đá đã được phát hiện ở gần (khoảng 29 parsec) ngôi sao trẻ HD 172555 (khoảng 12 triệu năm tuổi) bởi Kính viễn vọng không gian Spitzer. Một vành đai bụi khí ấm thuộc khu vực giữa khoảng 0,25 AU và 2 AU của ngôi sao trẻ HD 23514 ở chòm Tua Rua giống như trên đã dự đoán được kết quả vụ va chạm giữa Theia và Trái Đất trẻ, và đuợc coi như là kết quả của các thiên thể kích thước hành tinh va chạm với nhau [14], tương tự như với một vành đai bụi khí khác phát hiên xung quanh ngôi sao BD +20°307 (hay HIP 8920 hoặc SAO 75016).[15]

Khó khăn gặp phải[sửa | sửa mã nguồn]

Giả thuyết về nguồn gốc Mặt Trăng này vẫn gặp phải những khó khăn chưa thể giải quyết được, bao gồm:

  • Tỉ lệ đồng vị chất dễ bay hơi không được giải thích trong thuyết vụ va chạm. Nếu giả thuyết trên là đúng, có thể là do nguyên nhân khác.[16]
  • Không có bằng chứng nào chứng tỏ rằng Trái Đất từng có một đại dương mắcma (như kết quả của giả thuyết), và có lẽ không tại vật chất mà chưa bao giờ được tạo nên bởi một đại dương măcma.[16]
  • Lượng oxit sắt (FeO) mà Mặt Trăng chứa chỉ khoảng 13%, ở mức trung bình giữa Sao Hỏa (18%) và lớp phủ Trái Đất (8%), đã bác bỏ lời giải thích hầu hết vật chất của tiền Mặt Trăng đến từ lớp phủ Trái Đất.[17]
  • Nếu phần lớn vật chất của tiền Mặt Trăng có nguồn gốc từ thiên thể va chạm thì Mặt Trăng sẽ giàu nguyên tố ưa sắt, trong khi thực chất Mặt Trăng lại hiếm các nguyên tố này.[18]
  • Sự hiện diện của chất dễ bay hơi như nước ở lớp đá bazan khó giải thích hơn nữa nếu vụ va chạm gây nên sức nóng cực độ.[19]
  • Tỉ lệ đồng vị phóng xạ oxy của Mặt Trăng giống hệt như của Trái Đất. Tỉ lệ đồng vị phóng xạ, có thể được đo chính xác, sẽ cho thấy những đặc tính độc nhất và riêng biệt ở mỗi thiên thể. Nếu Theia là một tiền hành tinh riêng biệt, nó sẽ có đặc tính về đồng vị oxy khác với Trái Đất, cũng như vật chất trộn lẫn bắn ra sau cú va chạm.[4]

Giả thuyết khác[sửa | sửa mã nguồn]

Các cơ chế khác nhiều lần cho rằng Mặt Trăng đã bị kéo ra khỏi bề mặt Trải Đất nóng chảy bởi lực ly tâm[5], hình thành ở một nơi nào đó và cuối cùng bị trọng trường Trái Đất giữ lại[20], hay Mặt Trăng hình thành tại cùng một thời điểm và cùng nơi với Trái Đất trên cùng một đĩa bồi tụ. Mỗi giả thuyết này lại thiếu đi cơ chế giải thích cho mômen động lượng lớn của hệ Mặt Trăng-Trái Đất.[21]

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ a ă â Belbruno, E.; J. Richard Gott III (2005). “Where Did The Moon Come From?”. The Astronomical Journal 129 (3): 1724–1745. arXiv:astro-ph/0405372. Bibcode:2005AJ....129.1724B. doi:10.1086/427539. 
  2. ^ Halliday, Alex N. (28 tháng 2 năm 2000). “Terrestrial accretion rates and the origin of the Moon”. Earth and Planetary Science Letters 176 (1): 17–30. Bibcode:2000E&PSL.176...17H. doi:10.1016/S0012-821X(99)00317-9. 
  3. ^ Wiechert, U.; Halliday, A. N.; Lee, D.-C.; Snyder, G. A.; Taylor, L. A.; Rumble, D. (tháng 10 năm 2001). “Oxygen Isotopes and the Moon-Forming Giant Impact”. Science (Science) 294 (12): 345–348. Bibcode:2001Sci...294..345W. doi:10.1126/science.1063037. PMID 11598294. Truy cập ngày 5 tháng 7 năm 2009. 
  4. ^ a ă “Moonwalk”. Geological Society of London. 09-2009. Truy cập ngày 1 tháng 3 năm 2010. 
  5. ^ a ă Binder, A.B. (1974). “On the origin of the Moon by rotational fission”. The Moon 11 (2): 53–76. Bibcode:1974Moon...11...53B. doi:10.1007/BF01877794. 
  6. ^ Natland, James H. (2006). “Reginald Aldworth Daly (1871–1957): Eclectic Theoretician of the Earth”. GSA Today 16 (2). doi:10.1130/1052-5173(2006)16. 
  7. ^ Hartmann, W. K.; Davis, D. R. (04-1975). “Satellite-sized planetesimals and lunar origin”. Icarus 24 (4): 504–514. Bibcode:1975Icar...24..504H. doi:10.1016/0019-1035(75)90070-6. 
  8. ^ Cameron, A. G. W.; Ward, W. R. (03-1976). “The Origin of the Moon”. Abstracts of the Lunar and Planetary Science Conference 7: 120–122. Bibcode:1976LPI.....7..120C. 
  9. ^ Mackenzie, Dana (2003). The Big Splat, or How The Moon Came To Be. John Wiley & Sons. ISBN 9780471150572. 
  10. ^ Halliday, Alex N (28 tháng 11 năm 2008). “A young Moon-forming giant impact at 70–110 million years accompanied by late-stage mixing, core formation and degassing of the Earth”. Philosophical transactions. Series A, Mathematical, physical, and engineering sciences (Philosophical Transactions of the Royal Society) 366 (1883): 4163–4181. Bibcode:2008RSPTA.366.4163H. doi:10.1098/rsta.2008.0209. PMID 18826916. 
  11. ^ Canup, Robin M. (tháng 4 năm 2004). “Simulations of a late lunar-forming impact”. Icarus 168 (2): 433–456. Bibcode:2004Icar..168..433C. doi:10.1016/j.icarus.2003.09.028. 
  12. ^ Than, Ker (6 tháng 5 năm 2008). “Did Earth once have multiple moons?”. New Scientist. 
  13. ^ Canup, R.; Asphaug, E. (2001). “Origin of the Moon in a giant impact near the end of the Earth's formation”. Nature 412 (6848): 708–712. Bibcode:2001Natur.412..708C. doi:10.1038/35089010. PMID 11507633. 
  14. ^ Rhee, Joseph H.; Song, Inseok; Zuckerman, B. (2007). “Warm dust in the terrestrial planet zone of a sun-like Pleiad: collisions between planetary embryos?”. Astrophysical Journal 675 (1): 777–783. arXiv:0711.2111v1. Bibcode:2008ApJ...675..777R. doi:10.1086/524935. 
  15. ^ Song, Inseok; Zuckerman, B.; Weinberger, Alycia J.; Becklin, E. E. (21 tháng 7 năm 2005). “Extreme collisions between planetesimals as the origin of warm dust around a Sun-like star”. Nature 436 (7049): 363–365. Bibcode:2005Natur.436..363S. doi:10.1038/nature03853. PMID 16034411. 
  16. ^ a ă Jones, J. H. (1998). “Tests of the Giant Impact Hypothesis”. Lunar and Planetary Science, Origin of the Earth and Moon Conference. 
  17. ^ Taylor, Stuart R. (1997). “The Bulk Composition of the Moon” (PDF) 37. Lunar and Planetary Science. Truy cập ngày 21 tháng 3 năm 2010. 
  18. ^ Galimov, E. M.; Krivtsov, A. M. (12-2005). “Origin of the Earth-Moon System”. Journal of Earth Systems Science 114 (6): 593–600. Bibcode:2005JESS..114..593G. doi:10.1007/BF02715942.  [1]
  19. ^ Saal, Alberto E.; et al. (10 tháng 7 năm 2008). “Volatile content of lunar volcanic glasses and the presence of water in the Moon's interior”. Nature 454 (7201): 192–195. Bibcode:2008Natur.454..192S. doi:10.1038/nature07047. PMID 18615079. Truy cập ngày 30 tháng 1 năm 2010. 
  20. ^ Mitler, H. E. (1975). “Formation of an iron-poor moon by partial capture, or: Yet another exotic theory of lunar origin”. Icarus 24 (2): 256–268. Bibcode:1975Icar...24..256M. doi:10.1016/0019-1035(75)90102-5. 
  21. ^ Stevenson, D. J. (1987). “Origin of the moon–The collision hypothesis”. Annual Review of Earth and Planetary Sciences 15 (1): 271–315. Bibcode:1987AREPS..15..271S. doi:10.1146/annurev.ea.15.050187.001415. 

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]