Nước trên Trái đất: Nó có thực sự đến từ bụi không gian?

Trong một bài báo mới được xuất bản ngày hôm nay trên tạp chí Thiên văn học Tự nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Anh, Úc và Mỹ mô tả cách thức phân tích mới về một tiểu hành tinh cổ đại cho thấy rằng các hạt bụi ngoài Trái đất đã mang nước đến Trái đất khi hành tinh này hình thành.

Nước trong hạt được tạo ra bởi thời tiết không gian, một quá trình mà các hạt tích điện từ Mặt trời được gọi là gió Mặt trời đã thay đổi thành phần hóa học của các hạt để tạo ra các phân tử nước. 

Phát hiện này có thể trả lời câu hỏi lâu nay về việc Trái đất có nhiều nước bất thường ở đâu mà các đại dương bao phủ 70% bề mặt của nó - nhiều hơn nhiều so với bất kỳ hành tinh đá nào khác trong Hệ Mặt trời của chúng ta. Nó cũng có thể giúp các sứ mệnh không gian trong tương lai tìm thấy nguồn nước trên các thế giới không có không khí.

Các nhà khoa học hành tinh đã phân vân trong nhiều thập kỷ về nguồn gốc của các đại dương trên Trái đất. Một giả thuyết cho rằng một loại đá không gian mang nước được gọi là tiểu hành tinh loại C có thể đã mang nước đến hành tinh trong giai đoạn cuối của quá trình hình thành cách đây 4.6 tỷ năm.  

Để kiểm tra lý thuyết đó, các nhà khoa học trước đây đã phân tích 'dấu vân tay' đồng vị của các khối tiểu hành tinh loại C đã rơi xuống Trái đất dưới dạng các thiên thạch chondrite giàu nước cacbon. Nếu tỷ lệ giữa hydro và đơteri trong nước thiên thạch khớp với tỷ lệ của nước trên cạn, các nhà khoa học có thể kết luận rằng thiên thạch loại C chính là nguồn gốc.

Kết quả không hoàn toàn rõ ràng như vậy. Trong khi dấu vân tay deuterium / hydro của một số thiên thạch giàu nước thực sự phù hợp với nước của Trái đất, nhiều dấu vân tay lại không. Trung bình, dấu vân tay lỏng của các thiên thạch này không trùng với nước được tìm thấy trong lớp phủ của Trái đất và các đại dương. Thay vào đó, Trái đất có một dấu vân tay đồng vị khác, nhẹ hơn một chút. 

Nói cách khác, trong khi một số nước trên Trái đất phải đến từ các thiên thạch loại C, thì Trái đất đang hình thành phải nhận nước từ ít nhất một nguồn ánh sáng đồng vị khác bắt nguồn từ một nơi khác trong Hệ Mặt trời. 

Nhóm nghiên cứu do Đại học Glasgow đứng đầu đã sử dụng quy trình phân tích tiên tiến được gọi là chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử để xem xét kỹ lưỡng các mẫu từ một loại đá không gian khác được gọi là tiểu hành tinh loại S, quay quanh mặt trời gần mặt trời hơn loại C. Các mẫu mà họ phân tích đến từ một tiểu hành tinh tên là Itokawa, được tàu thăm dò không gian Hayabusa của Nhật Bản thu thập và trở về Trái đất vào năm 2010.

Chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử cho phép nhóm nghiên cứu đo cấu trúc nguyên tử của các hạt từng nguyên tử một và phát hiện các phân tử nước riêng lẻ. Phát hiện của họ chứng minh rằng một lượng nước đáng kể đã được tạo ra ngay dưới bề mặt của các hạt bụi có kích thước từ Itokawa bởi quá trình phong hóa không gian. 

Hệ mặt trời sơ khai là một nơi rất nhiều bụi, cung cấp rất nhiều cơ hội để sản xuất nước dưới bề mặt của các hạt bụi trong không gian. Các nhà nghiên cứu cho rằng loại bụi giàu nước này sẽ đổ xuống Trái đất sơ khai cùng với các tiểu hành tinh loại C như một phần của quá trình phân phối các đại dương trên Trái đất.

Tiến sĩ Luke Daly, thuộc Trường Khoa học Địa lý và Trái đất của Đại học Glasgow, là tác giả chính của bài báo. Tiến sĩ Daly cho biết: “Gió Mặt trời là các luồng chủ yếu là các ion hydro và heli, chảy liên tục từ Mặt trời ra ngoài không gian. Khi các ion hydro đó va vào một bề mặt không có không khí như một tiểu hành tinh hoặc một hạt bụi trong không gian, chúng xâm nhập vào một vài chục nanomet bên dưới bề mặt, nơi chúng có thể ảnh hưởng đến thành phần hóa học của đá. Theo thời gian, hiệu ứng 'phong hóa không gian' của các ion hydro có thể đẩy đủ nguyên tử oxy từ các vật liệu trong đá để tạo ra H₂O - nước - bị mắc kẹt trong các khoáng chất trên tiểu hành tinh.

“Điều quan trọng, nước có nguồn gốc từ gió mặt trời này được tạo ra bởi hệ mặt trời sơ khai là ánh sáng đồng vị. Điều đó cho thấy rõ ràng rằng bụi hạt mịn, được gió mặt trời thổi vào và hút vào Trái đất hình thành hàng tỷ năm trước, có thể là nguồn gốc của hồ chứa nước của hành tinh bị mất tích. "

Giáo sư Phil Bland, Giáo sư xuất sắc của John Curtin tại Trường Khoa học Trái đất và Hành tinh tại Đại học Curtin và đồng tác giả của bài báo cho biết “Chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử cho phép chúng tôi có cái nhìn cực kỳ chi tiết bên trong 50 nanomet đầu tiên của bề mặt hạt bụi trên Itokawa, quay quanh mặt trời theo chu kỳ 18 tháng. Nó cho phép chúng tôi thấy rằng mảnh vành đai phong hóa không gian này chứa đủ nước, nếu chúng tôi mở rộng quy mô, sẽ lên tới khoảng 20 lít cho mỗi mét khối đá ”.

Đồng tác giả, Giáo sư Michelle Thompson thuộc Khoa Trái đất, Khí quyển và Hành tinh tại Đại học Purdue cho biết thêm: “Đó là loại phép đo đơn giản sẽ không thể thực hiện được nếu không có công nghệ vượt trội này. Nó cung cấp cho chúng tôi một cái nhìn sâu sắc phi thường về cách các hạt bụi nhỏ trôi nổi trong không gian có thể giúp chúng tôi cân bằng các cuốn sách về thành phần đồng vị của nước trên Trái đất và cung cấp cho chúng tôi những manh mối mới để giúp giải đáp bí ẩn về nguồn gốc của nó. "

Các nhà nghiên cứu đã rất cẩn thận để đảm bảo rằng kết quả thử nghiệm của họ là chính xác, thực hiện các thí nghiệm bổ sung với các nguồn khác để xác minh kết quả của họ.

Tiến sĩ Daly nói thêm: “Hệ thống chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử tại Đại học Curtin là đẳng cấp thế giới, nhưng nó chưa bao giờ thực sự được sử dụng để phân tích hydro mà chúng tôi đang thực hiện ở đây. Chúng tôi muốn chắc chắn rằng kết quả mà chúng tôi đang thấy là chính xác. Tôi đã trình bày kết quả sơ bộ của chúng tôi tại hội nghị Khoa học Hành tinh và Mặt trăng vào năm 2018 và hỏi liệu có đồng nghiệp nào tham dự sẽ giúp chúng tôi xác thực những phát hiện của mình bằng các mẫu của chính họ không. Trước sự vui mừng của chúng tôi, các đồng nghiệp tại Trung tâm Vũ trụ NASA Johnson và Đại học Hawai'i tại các Đại học Mānoa, Purdue, Virginia và Bắc Arizona, các phòng thí nghiệm quốc gia Idaho và Sandia đều đề nghị giúp đỡ. Họ đưa cho chúng tôi những mẫu khoáng chất tương tự được chiếu xạ bằng heli và đơteri thay vì hydro, và từ kết quả thăm dò nguyên tử của những vật liệu đó, chúng tôi nhanh chóng nhận ra rằng những gì chúng ta đang thấy ở Itokawa có nguồn gốc từ ngoài trái đất.

“Các đồng nghiệp đã đưa ra sự hỗ trợ của họ về nghiên cứu này thực sự là một nhóm đáng mơ ước về thời tiết không gian, vì vậy chúng tôi rất vui mừng trước những bằng chứng mà chúng tôi đã thu thập được. Nó có thể mở ra cánh cửa để hiểu rõ hơn về Hệ Mặt trời sơ khai trông như thế nào và cách Trái đất và các đại dương của nó được hình thành ”.

Giáo sư John Bradley, Đại học Hawai'i tại Mānoa, Honolulu, đồng tác giả của bài báo, cho biết thêm: Cách đây một thập kỷ, quan điểm cho rằng bức xạ gió mặt trời có liên quan đến nguồn gốc của nước trong hệ mặt trời. , ít liên quan hơn đến các đại dương của Trái đất, hẳn sẽ được chào đón bằng sự hoài nghi. Lần đầu tiên hiển thị rằng nước được tạo ra tại chỗ trên bề mặt của một tiểu hành tinh, nghiên cứu của chúng tôi xây dựng trên cơ sở tích lũy bằng chứng cho thấy sự tương tác của gió mặt trời với các hạt bụi giàu oxy thực sự tạo ra nước. 

“Vì bụi có nhiều trong tinh vân Mặt Trời trước khi bắt đầu bồi tụ hành tinh chắc chắn đã bị chiếu xạ, nên nước do cơ chế này tạo ra có liên quan trực tiếp đến nguồn gốc của nước trong các hệ hành tinh và có thể là thành phần đồng vị của các đại dương trên Trái đất.”

Ước tính của họ về lượng nước có thể chứa trong các bề mặt không gian bị phong hóa cũng cho thấy một cách mà các nhà thám hiểm không gian trong tương lai có thể sản xuất nguồn cung cấp nước trên cả những hành tinh dường như khô cằn nhất. 

Đồng tác giả, Giáo sư Hope Ishii của Đại học Hawai'i tại Mānoa cho biết: "Một trong những vấn đề của quá trình khám phá không gian của con người trong tương lai là làm thế nào các phi hành gia tìm đủ nước để giữ họ sống sót và hoàn thành nhiệm vụ mà không cần mang theo trong hành trình. . 

“Chúng tôi nghĩ rằng thật hợp lý khi cho rằng quá trình phong hóa không gian tương tự tạo ra nước trên Itokawa sẽ xảy ra ở mức độ này hay mức độ khác trên nhiều thế giới không có không khí như Mặt trăng hoặc tiểu hành tinh Vesta. Điều đó có nghĩa là các nhà thám hiểm không gian cũng có thể xử lý nguồn cung cấp nước mới từ bụi trên bề mặt hành tinh. Thật thú vị khi nghĩ rằng các quá trình hình thành các hành tinh có thể giúp hỗ trợ cuộc sống con người khi chúng ta vươn ra ngoài Trái đất. " 

Tiến sĩ Daly nói thêm: “Dự án Artemis của NASA đang đặt ra để thiết lập một căn cứ lâu dài trên Mặt trăng. Nếu bề mặt Mặt Trăng có một hồ chứa nước tương tự do gió mặt trời mà nghiên cứu này phát hiện trên Itokawa, thì nó sẽ đại diện cho một nguồn tài nguyên to lớn và có giá trị để hỗ trợ đạt được mục tiêu đó. "

Bài báo của nhóm, có tiêu đề 'Đóng góp của gió mặt trời cho đại dương của Trái đất', được xuất bản trong Thiên văn học thiên nhiên. 

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Glasgow, Đại học Curtin, Đại học Sydney, Đại học Oxford, Đại học Hawai'i tại Mānoa, Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên, Phòng thí nghiệm Quốc gia Idha, Lockheed Martin, Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia, Trung tâm Không gian NASA Johnson, Đại học Virginia, Đại học Bắc Arizona và Đại học Purdue đều đóng góp cho bài báo.