Khi hình thành, Trái đất quá nóng để duy trì ‘băng và đá’ (water ice). Do đó, tất cả nước trên Trái đất phải có nguồn gốc ngoài Trái đất. Nghiên cứu về đá cổ trên cạn cho thấy nước lỏng đã xuất hiện trên trái đất từ rất sớm (theo thang thời gian của các nhà vật lý thiên văn) vào khoảng 100 triệu năm sau khi Mặt trời hình thành.
Nguồn nước này hiện đã hơn 4,5 tỷ năm tuổi, nhờ vào chu trình duy trì sự đổi mới vĩnh viễn. Cùng với nhóm nghiên cứu, chúng tôi vừa đề xuất một lý thuyết mới để giải thích sự xuất hiện của nước trên Trái đất.
Một câu hỏi đã có từ hàng tỷ năm trước, nước đến từ đâu?
Các nhà vật lý thiên văn đã cố gắng tìm câu trả lời cho câu hỏi về nguồn gốc của nước xuất hiện trên trái đất trong nhiều thập kỷ. Một giả thuyết ban đầu cho rằng nước trên cạn là sản phẩm phụ trực tiếp của quá trình hình thành Trái đất, có thể được giải phóng qua ‘magma’ trong quá trình phun trào núi lửa, trong đó phần lớn khí được tạo ra là hơi nước.
Tuy nhiên, bằng cách phân tích thành phần của nước trên cạn, giả thuyết này đã phát triển vào những năm 1990 với việc phát hiện ra vai trò tiềm tàng của Sao Chổi băng giá, cho thấy sự đóng góp có nguồn gốc ngoài Trái đất.
Sao Chổi (Comet) là những khối cầu ‘băng và đá’ hình thành khá xa trong Hệ mặt trời và đôi khi bị đẩy về phía Mặt trời. Khi được Mặt trời làm nóng, chúng tạo thành ‘đuôi bụi’ (bụi khí) có thể quan sát được từ Trái đất. Các tiểu hành tinh là những vật thể nằm trong vành đai tiểu hành tinh giữa Sao Hỏa và Sao Mộc, cũng được xem là nguồn gốc tiềm tàng của nước trên Trái đất.
Phân tích đá Sao Chổi và tiểu hành tinh, thông qua thiên thạch (những mảnh vỡ nhỏ của tiểu hành tinh hoặc Sao Chổi rơi xuống Trái đất), đặc biệt là bằng cách đo tỷ lệ D/H của chúng (là lượng hydro nặng, gọi là deuterium, so với hydro chuẩn), đã chỉ ra rằng nước trên cạn tương ứng nhiều hơn với nước trên các tiểu hành tinh được gọi là ‘cacbon’ (những tiểu hành tinh có chứa dấu vết của nước trong quá khứ), đó là hướng nghiên cứu mới về nguồn gốc của nước trên Trái đất.
Do đó, các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tìm kiếm cơ chế thiên thể tốt nhất để khiến các tiểu hành tinh này đâm vào Trái đất khô cằn, trẻ trung của chúng ta vào thời điểm ban đầu hình thành, nhằm cung cấp nước cho Trái đất.
Nhiều kịch bản đã được công bố để đưa ra giả thuyết về “sự biến động” của các hành tinh nhỏ, tức là các thiên thể băng giá lớn có trong vành đai tiểu hành tinh (giữa Sao Hỏa và Sao Mộc) và vành đai Kuiper (bên ngoài Sao Hải Vương) khiến chúng bị đẩy ra và bay về phía Trái đất.
Nhưng điều này ngụ ý một trò chơi hấp dẫn không hề tầm thường và áp đặt ý tưởng về lịch sử phức tạp của Hệ mặt trời. Rõ ràng là phải có những biến động và tác động để hình thành nên các hành tinh. Tuy nhiên, mọi việc có thể diễn ra suôn sẻ và tự nhiên hơn đối với việc cung cấp nước cho Trái đất.
Một giả thuyết “đơn giản hơn”
Chúng tôi bắt đầu từ nguyên lý rằng, các tiểu hành tinh có dạng băng giá khi chúng thoát ra khỏi lớp kén hình thành (còn gọi là “đĩa tiền hành tinh”). Cái kén này là một đĩa khí khổng lồ, chủ yếu bao gồm hydro và chứa đầy bụi, nơi các hành tinh và vành đai ban đầu hình thành.
Do đó, nó bao gồm toàn bộ hệ thống hành tinh đang trong quá trình hình thành. Khi lớp kén bảo vệ ban đầu biến mất (sau vài triệu năm), các tiểu hành tinh sẽ nóng lên và băng tan chảy, hay chính xác hơn là thăng hoa. Nói cách khác, băng của chúng biến thành hơi nước. Trong không gian có áp suất gần bằng 0, nước vẫn ở dạng hơi.
Sau đó, một đĩa hơi nước chồng lên vành đai tiểu hành tinh quay quanh Mặt trời. Khi băng thăng hoa, đĩa băng chứa đầy hơi nước và tự nhiên lan vào bên trong, hướng về Mặt trời, do các quá trình động học phức tạp.
Trên đường đi, nó gặp các hành tinh bên trong được bao phủ trong đĩa hơi nước này. Theo một cách nào đó, đĩa nước “tưới nước” cho các hành tinh đất đá là Sao Hỏa (Mars), Trái đất, Sao Kim (Venus) và Sao Thủy (Mercury).
Phần lớn nước được các hành tinh hấp thụ xảy ra vào khoảng 20-30 triệu năm sau khi Mặt trời hình thành, tại thời điểm độ sáng của Mặt trời tăng mạnh trong một thời gian ngắn, làm tăng tốc độ giải phóng khí của các tiểu hành tinh.
Khi nước bị lực hấp dẫn của các hành tinh giữ lại, rất nhiều điều có thể xảy ra. Tuy nhiên, trên Trái đất có một cơ chế bảo vệ giải thích tại sao tổng khối lượng nước không thay đổi nhiều từ khi kết thúc quá trình thu thập cho đến nay.
Trên thực tế, nếu nước bốc lên quá cao trong khí quyển, nó sẽ ngưng tụ, tạo thành mây, sau đó một thời gian ngắn sẽ xuất hiện dưới dạng mưa trên bề mặt Trái đất: đây chính là chu trình của nước.
Do đó, lượng nước trong quá khứ và hiện tại trên Trái đất đều được biết đến rộng rãi. Mô hình của chúng tôi, bắt đầu từ vành đai tiểu hành tinh ban đầu và tiến tới quá trình thoát khí của băng, có thể đưa vào lượng nước phù hợp, sau đó hình thành nên đại dương, sông, hồ và giải thích nguồn nước nằm sâu trong lớp phủ của Trái đất.
Các phép đo chính xác về tỷ lệ D/H của nước trong đại dương cũng có thể được giải thích bằng mô hình của chúng tôi. Cuối cùng, lượng nước hiện diện trong quá khứ trên các hành tinh khác (và thậm chí trên Mặt trăng) cũng được giải thích rõ ràng bằng lý thuyết của chúng tôi.
Bạn có thể tự hỏi làm sao chúng tôi lại nghĩ ra ý tưởng đề xuất lý thuyết mới này. Điều này không phải tự nhiên mà có, mà dựa trên những quan sát gần đây, đặc biệt là với ALMA, một kính viễn vọng vô tuyến gồm hơn 60 ăng-ten được triển khai ở Chile, trên một cao nguyên ở độ cao 5 km.
Thật vậy, bằng cách quan sát các hệ thống ngoài Hệ mặt trời có vành đai tương tự như Vành đai Kuiper, chúng ta phát hiện ra rằng các hành tinh nhỏ trong các vành đai này có thể thăng hoa carbon monoxide (CO). Đối với các vành đai gần ngôi sao của chúng hơn như vành đai tiểu hành tinh, CO quá dễ bay hơi để có thể tồn tại và thay vào đó phải có nước thoát khí.
Những quan sát trong tương lai để hỗ trợ giả thuyết
Do đó, ý tưởng ban đầu đã được hình thành trên cơ sở quan sát này. Hơn nữa, nhờ những kết quả gần đây từ các tàu thăm dò Hayabusa 2 và OSIRIS-ReX đã đi thám hiểm các tiểu hành tinh tại chỗ, tương tự như những tiểu hành tinh có thể đã tham gia vào quá trình hình thành đĩa hơi nước ban đầu, chúng tôi có thể xác nhận (vì điều này cũng đã được quan sát từ lâu bằng kính viễn vọng trên mặt đất) sự hiện diện của một lượng lớn khoáng chất ngậm nước trên các thiên thể này, vốn chỉ có thể hình thành khi tiếp xúc với nước.
Điều kiện tiên quyết để giải thích những quan sát này là các tiểu hành tinh này ban đầu có băng giá, mặc dù hiện nay chúng không còn như vậy nữa (ngoại trừ những tiểu hành tinh lớn nhất như Ceres).
Nước đến Trái đất bằng cách nào?
Nền tảng của mô hình đã được thiết lập và sau đó cần phải xây dựng một mô phỏng số có thể theo dõi quá trình thoát khí, sự lan tỏa của khí, sau đó là quá trình khí được các hành tinh thu giữ.
Khi chạy những mô phỏng này, chúng tôi ngay lập tức nhận ra rằng điều này có thể giải thích được lượng nước trên Trái đất. Đối với các hành tinh khác, chúng tôi đã tiến hành một số nghiên cứu để tìm ra những hạn chế về lượng nước đã đi qua Sao Hỏa và các hành tinh đất đá khác. Và nó cũng có hiệu quả.
Là một nhà nghiên cứu, bạn không chỉ phát triển một mô hình có hiệu quả và có vẻ như giải thích được mọi thứ, chúng ta phải tiến xa hơn và thử nghiệm lý thuyết này trên quy mô lớn.
Mặc dù hiện tại đã quá muộn để phát hiện ra đĩa hơi nước ban đầu (mà mọi thứ đều nằm trên đó) cho phép các hành tinh đất đá được “tưới nước”, nhưng vẫn đáng để xem xét các Hệ mặt trời – ngoài Hệ mặt trời với vành đai tiểu hành tinh ngoài Hệ mặt trời trẻ – để xem liệu có thể phân biệt được các đĩa hơi nước này hay không. Theo tính toán của chúng tôi, các đĩa nước này, mặc dù mờ, vẫn có thể phát hiện được bằng ALMA và nhóm của chúng tôi vừa được ALMA cấp thời gian để thử nghiệm tất cả những điều này trên các hệ thống rất cụ thể.
Có thể chúng ta đang ở giai đoạn đầu của một câu chuyện mới …
Hình minh họa: Nguồn gốc của nước trên Trái đất. Ảnh Freepik
Tác giả: Quentin Kral, nhà vật lý thiên văn, Đài quan sát thiên văn Paris-PSL, CNRS, Đại học Sorbonne, Đại học Paris Cité
