HỔ TRỢ TRỰC TUYẾN

ẢNH VẬT LÝ

THỜI GIAN

TÀI NGUYÊN BLOG VẬT LÝ

Tin tức giáo dục

MÁY TÍNH BỎ TÚI

cấu trúc website

Thống kê

  • truy cập   (chi tiết)
    trong hôm nay
  • lượt xem
    trong hôm nay
  • thành viên
  • Thành viên trực tuyến

    1 khách và 0 thành viên

    Sắp xếp dữ liệu

    Chức năng chính 1

    Chào mừng quý vị đến với Blog vật Lý.

    Quý vị chưa đăng nhập hoặc chưa đăng ký làm thành viên, vì vậy chưa thể tải được các tư liệu của Thư viện về máy tính của mình.
    Nếu đã đăng ký rồi, quý vị có thể đăng nhập ở ngay ô bên phải.
    Gốc > BÀI VIẾT CHUYÊN ĐỀ > CHUYÊN ĐỀ THIÊN VĂN HỌC >

    Một Trái đất dành cho các nhà vật lí

    John Baez (Physics World, tháng 8/2009)

    Các nhà khoa học đang bắt đầu tìm hiểu ngữ cảnh trong đó sự tiến hóa của hành tinh chúng ta đã được định hình bởi những cú va chạm, những cú bắn phá, và những tai biến lớn. John Baez kể về lịch sử dữ dội của cái chấm xanh trên nền trời kia.

    Viễn cảnh biến đổi khí hậu do con gây ra khiến cho nhiều người lo ngại. Ngoài quy mô rộng lớn của vấn đề, còn có thách thức của việc nó tồn tại quá phức tạp. Hành trạng của Trái đất hết sức khó tiên đoán một cách cụ thể. Công suất máy tính không đủ: các mô hình cần xây dựng trên những kiến thức vật lí chắc chắn và một sự hiểu biết tốt về hành trạng hiện nay của Trái đất – cũng như lịch sử của nó.

     

    Ảnh: Lynette Cook/Science Photo Library

    Thật may mắn, trong thập niên vừa qua, chúng ta đã học được rất nhiều về lịch sử này. Những bức màn che thời gian đang dần sáng tỏ. Có vẻ như chúng ta chẳng hề đơn độc trong việc đi qua những thời khắc hiểm nghèo. Trái đất đã chứng kiến một số thảm họa lớn. Để tập trung vào câu chuyện chính của chúng ta, chúng ta hãy tập trung vào bốn thứ: “vụ va chạm lớn” chừng 4,55 tỉ năm trước; “đợt bắn phá nặng nề muộn” khoảng 4 tỉ năm trước; “tai biến oxygen” chừng 2,5 tỉ năm trước; và sự kiện “quả cầu tuyết Trái đất” chừng 850 triệu năm trước. Chi tiết của những sự kiện này – và thật sự chúng có xảy ra hay không – vẫn đang gây tranh cãi. Tuy nhiên, chúng là những lí thuyết được chấp nhận rộng rãi. Trong mỗi trường hợp, có những cơ sở vật lí hấp dẫn liên quan trong việc kiểm tra những lí thuyết này.

    Sự ra đời của Mặt trăng

    Mặt trời có lẽ đã hình thành từ sự co sập hấp dẫn một đám mây khí và bụi. Các mô hình ban đầu của sự hình thành sao giả sử sự đối xứng cầu, nhưng nếu bạn biết nói đùa với điểm nút là “hãy xét một con bò hình cầu”, thì bạn sẽ nghi ngờ đây là một sự đơn giản hóa quá mức nguy hiểm. Thật vậy, xung lượng góc giữ một vai trò quan trọng. Khi một đám mây như thế co sập do hấp dẫn, thì nó phải hình thành nên một “đĩa bồi tụ” xoay tít.

    Khi tâm của cái đĩa này trở nên đủ đậm đặc cho áp suất của nó giữ nó lại, thì Mặt trời của chúng ta ra đời dạng một “tiền sao”. Pha này tồn tại khoảng chừng 100 000 năm; sau đó nhiệt độ tăng đến điểm mà sự phun trào của khí nóng ngăn cản Mặt trời bồi tụ thêm bất kì chất liệu gì nữa. Tại điểm này, Mặt trời trở thành cái chúng ta gọi là “sao Tauri T”, được cấp nguồn chỉ bởi năng lượng hấp dẫn khi nó từ từ co lại. Sau chừng 100 triệu năm nữa, nó trở thành một ngôi sao bình thường khi hydrogen tại tâm của nó bắt đầu chịu sự nhiệt hạch.

    Một số bụi xoay tròn xung quanh Mặt trời sơ khai trở nên nóng bỏng và tan đi, và một số trong những giọt tan chảy này sau đó đông lại thành “cục” – những quả cầu kích cỡ milimet của những khoáng chất đơn giản, như pyroxene và olivine, chủ yếu cấu thành từ sodium, calcium, magnesium, nhôm, sắt, silicon và oxygen. Những cục này là thành phần chính của một số trong những vật thể nguyên thủy nhất vẫn miệt mài hành trình của chúng trong hệ mặt trời: các thiên thạch phủ đá gọi là “chondrite”.

    Bụi quay xung quanh Mặt trời sơ khai bắt đầu hình thành nên các tảng gọi là “tảng hành tinh”. Khi các tảng này va chạm nhau, chúng trở nên to hơn, cuối cùng hình thành nên các tiểu hành tinh và hành tinh và chúng ta thấy ngày nay. Một số tảng đã tan chảy, để các kim loại nặng co vào trong lõi của chúng trong khi vật chất nhẹ hơn vẫn ở trên bề mặt. Và một số tảng đâm sầm vào nhau, vỡ tan ra và hình thành nên chondrite và những thiên thạch khác, ví dụ như các thiên thạch sắt-nickel và các thiên thạch phủ đá gọi là “achondrite”.

    Bằng cách sử dụng các kĩ thuật định tuổi phóng xạ trên thiên thạch, các nhà nghiên cứu khẳng định một kiến thức chính xác bất ngờ về thời điểm khi toàn bộ những sự kiện này xảy ra: đâu đó giữa 4,56 và 4,55 tỉ năm trước. Cho nên, Trái đất có khả năng đã hình thành đâu đó khoảng thời gian trên – và câu chuyện của chúng ta chính thức bắt đầu từ chỗ này.

    Lịch sử của Trái đất được phân chia thành bốn thời kì: Hadean, Archean, Proterozoic và Phanerozoic. Khi tôi còn nhỏ thì “kỉ Cambri” đã lùi xa vào dĩ vãng như sách vở của tôi bảo thế, ngoại trừ “kỉ Tiền Cambri” u ám. Nhưng kỉ Cambri chỉ mới bắt đầu 540 triệu năm trước. Kỉ Cambri đánh dấu sự bắt đầu của thời kì hiện đại, Phanerozoic, nghĩa là “tuổi của sự sống khả kiến”. Đây là lúc các sinh vật đa bào thống lĩnh thế giới, để lại các hóa thạch mà chúng ta thấy ngày nay. Nhưng chúng ta sẽ đào sâu thêm nhiều nữa: thời kì Phanerozoic sẽ kết thúc câu chuyện của chúng ta.

    Ngược thời gian về thời kì Hadean. Đúng như tên gọi của nó, đây là thời điểm khi Trái đất cực kì nóng bỏng. Nó bắt đầu với một sự kiện hình thành nên Mặt trăng cách nay khoảng 4,53 tỉ năm. Cái gì đã tạo ra Mặt trăng? Lời giải thích phổ biến nhất hiện nay là “lí thuyết va chạm lớn” – thỉnh thoảng được gọi là lí thuyết “miếng ván lưng ghế lớn”.

    Quan điểm là một hành tinh khác hình thành tại một trong các điểm Lagrange của quỹ đạo Trái đất. Năm 1772,  Joseph Louis Lagrange đã chứng tỏ được rằng nếu bạn có một hành tinh ở trong một quỹ đạo tròn xung quanh Mặt trời, thì một vật thể nhẹ hơn nhiều sẽ quay ổn định xung quanh Mặt trời ở cùng khoảng cách đó nếu nó nằm trước hoặc sau hành tinh 60^o. Thật ra có nhiều tiểu hành tinh nằm gần điểm các điểm Lagrange của Mộc tinh, và còn một số nằm tại điểm Lagrange của Hỏa tinh và Hải vương tinh. Không có tiểu hành tinh nào được tìm thấy ở các điểm Lagrange của Trái đất. Nhưng theo lí thuyết va chạm lớn, một hành tinh đã thật sự hình thành tại một trong những điểm này. Khi nó đạt được khối lượng cỡ bằng khối lượng của Hỏa tinh, nó không còn nằm ổn định ở điểm này nữa. Nó từ từ trôi giạt về phía Trái đất, và cuối cùng thì đâm thẳng vào! Cú va chạm này có thể đã hình thành nên Mặt trăng.

     

    Một mô phỏng máy tinh cho thấy sự va chạm giữa Theia và Trái đất. Theo lí thuyết “miếng ván lưng ghế lớn”, Theia là một hành tinh hình thành tại điểm Lagrange của Trái đất. Là kết quả của cú va chạm hành tinh này, Mặt trăng đã ra đời (Ảnh: Robin Canup, Viện Nghiên cứu Tây Nam)

    Thật là một lí thuyết ngoạn mục, nhưng có một trường hợp chắc chắn cho nó, được mô tả đẹp đẽ trong cuốn sách mới đây của nhà văn khoa học Dana Mackenzie, Miếng ván lưng ghế lớn, Hay Mặt trăng của chúng ta đã đến như thế nào. Ví dụ, ma sát thủy triều đang làm cho Mặt trăng dần tiến xa ra khỏi Trái đất. Chúng ta biết nó đang di chuyển ra xa ở tốc độ chừng 3,8 cm mỗi năm. Các lớp trầm tích cổ đại ghi lại vết thủy triều và cho thấy các tháng đã dài hơn ít nhất là kể từ thời kì tiền Cambri. Việc ngoại suy ngược trở lại chúng ta tìm thấy trong thời kì Hadean Mặt trăng ở rất gần Trái đất. Có thể nào nó bị vứt ra khỏi Trái đất bởi lực li tâm, hoặc là hình thành gần Trái đất ở nơi đầu tiên, hoặc là bị bắt giữ bởi trường hấp dẫn của Trái đất? Toàn bộ những lí thuyết này phải được xem xét, nhưng lí thuyết va chạm lớn dường như phù hợp tốt nhất với số liệu. Người ta xem xét nó một cách nghiêm túc đến mức hành tinh thủ phạm giả thuyết đã va chạm vào Trái đất còn có một cái tên: Theia. Theo thần thoại Hi Lạp, Theia là vị nữ thần đã khai sinh ra Mặt trăng.

    Năm 2004, nhà thiên văn vật lí Robin Canup thuộc Viện Nghiên cứu Tây Nam ở Boulder, Colorado, đã công bố một số chương trình mô phỏng máy tính đáng chú ý của vụ va chạm lớn. Để cho một mặt trăng giống như mặt trăng của chúng ta hình thành – thay vì một mặt trăng quá giàu sắt, hay quá nhỏ, hay không thích hợp ở những khía cạnh khác – bạn cần phải chọn những điều kiện ban đầu thích hợp. Canup tìm thấy tốt nhất là giả sử rằng Theia hơi nặng hơn Hỏa tinh một chút: chừng 10% đến 15% khối lượng của Trái đất. Nó còn phải bắt đầu di chuyển chậm về phía Trái đất, và va chạm với Trái đất ở một góc sớt qua.

    Kết quả là một ngày rất tồi tệ. Theia va vào Trái đất và cắt ra một mảng lớn, hình thành một vệt dài đất đã vỡ vụn, tan chảy hoặc bốc hơi uốn thành vòng cung vào trong không gian. Trong vòng một giờ, một nửa bề mặt Trái đất bị nóng đỏ lên, và vệt mảnh vụn kéo dài gần bằng bốn lần bán kính Trái đất trong không gian. Sau ba đến năm giờ, lõi sắt của Theia và phần lớn các mảnh vụn lại rơi trở xuống. Toàn bộ lớp vỏ và lớp bao ngoài của Trái đất bị tan chảy. Tại thời điểm này, một phần tư Theia thật sự bốc hơi hết.

    Sau một ngày, vật chất không còn rơi trở xuống hình thành nên một vành mảnh vụn bay xung quanh Trái đất. Nhưng một vành như thế là không bền: trong vòng một thế kỉ, nó sẽ tập hợp lại hình thành nên Mặt trăng mà chúng ta biết đến và yêu thích. Trong khi đó, lõi sắt của Theia co vào tâm của Trái đất.

    Lí thuyết va chạm lớn vẫn gây nhiều tranh luận, một phần vì có ít bằng chứng trực tiếp còn sót lại: những tảng đá già nhất được biết trên Trái đất được hình thành gần như nửa tỉ năm sau đó.

    Đợt bắn phá muộn nặng nề

    Thời kì Archean bắt đầu với sự hình thành của những tảng đất đá đầu tiên tồn tại cho đến ngày nay. Chuyện này xảy ra khoảng 4 tỉ năm trước. Nhiều tảng đá lửa, đặc biệt là ba-zan, phải hình thành trước thời kì này. Thật ra, các đại dương có lẽ đã hình thành cách nay 4,2 tỉ năm. Nhưng chúng ta không thấy bất kì vết tích nào của địa mạo sơ khai này. Một lí do có thể là sự bắt đầu của thời kì Archean không phải là một thời điểm hòa bình.

    Sau khi Mặt trăng hình thành, Trái đất tiếp tục chịu nhiều cú va chạm. Thật kì lạ, thay vì tần suất đều đặn của chúng theo thời gian, nó có thể bị bắn phá trong một thời kì gọi là đợt bắn phá muộn nặng nề, xảy ra chừng 4 đến 3,8 tỉ năm trước. Rất nhiều miệng hố lớn trên Mặt trăng có niên đại trong thời kì nay, cho nên có khả năng là Trái đất cũng chịu sự va chạm – nhưng ở đây, những miệng hố cũ như thế đã bị mất do hoạt động thời tiết và hoạt động địa chấn. Cho nên, Mặt trăng là chỉ dẫn của chúng ta.

    Trong đợt bắn phá muộn nặng nề, Mặt trăng bị bắn phá bởi 1700 thiên thạch tạo ra những miệng hố rộng hơn 100 km. Trái đất có thể dễ dàng nhận nhiều gấp 10 lần những cú va chạm thuộc cỡ này, với một số hố lớn hơn nhiều. Để hình dung ra cường độ của đợt bắn phá túi bụi này, hãy nhớ lại cú va chạm thiên thạch có lẽ đã làm tiệt diệt loài khủng long vào cuối kỉ Phấn trắng cách nay 65 triệu năm. Cú va chạm này để lại một miệng hố rộng 180 km. Những cú va chạm thuộc cỡ này xảy ra như cơm bữa trong thời kì bắn phá muộn nặng nề.

     

    Một mô phỏng máy tính cho thấy những hành tinh nhóm ngoài – Mộc tinh (màu lục), Thổ tinh (màu cam), Thiên vương tinh (màu lam nhạt) và Hải vương tinh (màu lam sậm) – và vành đai Kuiper trước khi có sự cộng hưởng quỹ đạo Mộc tinh/Thổ tinh 2:1 (hình bên trái), trong khi làm tán xạ các vật thể vành đai Kuiper vào trong hệ mặt trời sau sự dịch chuyển quỹ đạo của Hải vương tinh (hình giữa), và sau khi Mộc tinh bắn vọt các vật thể vành đai Kuiper (hình bên phải). (Ảnh: Mark Wyatt, University of Cambridge)

    Tại sao thời kì này dữ dội như vậy? Một lí thuyết cho rằng khoảng thời gian này, Mộc tinh và Thổ tinh di chuyển vào sự cộng hưởng quỹ đạo 2:1 (khi Mộc tinh hoàn thành hai vòng quỹ đạo thì trong thời gian đó Thổ tinh chỉ hoàn thành một vòng), do đó gây ra một sự chia sẽ to lớn trong sự phân bố ban đầu của các tiểu hành tinh và các vật thể băng giá đang quay xung quanh Mặt trời. Năm 2005, một chương trình hợp tác quốc tế của các nhà vật lí hành tinh, trong đó có Hal Levison đến từ Viện Nghiên cứu Tây Nam – một trong những người thúc đẩy quan điểm rằng Diêm vương tinh là một “hành tinh lùn” – đã công bố một bài báo về một số mô phỏng máy tính hấp dẫn của hệ mặt trời (Nature 435 466). Chọn điều kiện ban đầu, họ lấy cả bốn hành tinh khí khổng lồ nằm trong quỹ đạo tròn ở gần nhau hơn vị trí của chúng ngày nay. Do tương tác với các tảng hành tinh, Thổ tinh, Thiên vương tinh và Hải vương tinh đã dần dần di cư ra bên ngoài. Khi Thổ tinh đi tới điểm nơi nó quay xung quanh Mặt trời một vòng trong mỗi hai vòng của Mộc tinh, thì toàn bộ hệ mặt trời phía ngoài bị mất ổn định. Quỹ đạo của Hải vương tinh và Thiên vương tinh trở nên lệch tâm nhiều hơn và chúng ném nhiều tảng hành tinh ra khỏi quỹ đạo ban đầu của chúng. Một số bị kéo giật vào hệ mặt trời phía trong, cái giải thích cho đợt bắn phá muộn nặng nề.

    (Còn tiếp phần 2)

    Trần Tiểu Gia (theo Physics World, số tháng 8/2009)

    Thu Vien Vat Ly, vat li, giao an, trac nghiem

    Nhắn tin cho tác giả
    Nguyễn Ngọc Tuấn @ 01:10 08/08/2009
    Số lượt xem: 1855
    Số lượt thích: 0 người
     
    Gửi ý kiến