Hạt thiên thạch lưu dấu từ trường thuở Hệ Mặt Trời hình thành

Bên trong một mảnh thiên thạch ở Nam Cực, các nhà khoa học tìm thấy những bao thể canxi-nhôm hình thành trong khoảng 200.000 năm đầu của Hệ Mặt Trời. Các hạt cực nhỏ này còn giữ dấu vết của một từ trường tồn tại khi Mặt Trời chưa hoàn thiện và các hành tinh chưa xuất hiện. Chúng cho thấy đám mây khí bụi nguyên thủy có thể đã được định hình không chỉ bởi lực hấp dẫn mà còn bởi từ tính. [1]

Điều đáng chú ý không nằm ở kích thước của hạt vật chất, mà ở loại thông tin nó lưu giữ. Một khoáng vật không ghi lại hình ảnh quá khứ; nó bảo tồn trạng thái từ hóa còn sót lại. Khi được đo cẩn thận, trạng thái ấy giúp các nhà nghiên cứu suy ra môi trường vật lý nơi hạt từng hình thành cách đây khoảng 4,6 tỷ năm. [1]

Vì sao bao thể canxi-nhôm đặc biệt?

Bao thể giàu canxi và nhôm, thường được gọi tắt là CAI, thuộc nhóm vật chất cổ nhất đã biết của Hệ Mặt Trời. Chúng ngưng tụ rất sớm trong tinh vân Mặt Trời, tức đám mây khí và bụi bao quanh khu vực đang hình thành Mặt Trời. Vì xuất hiện trong khoảng 200.000 năm đầu, CAI mở ra một cửa sổ quan sát giai đoạn sớm hơn nhiều so với thời kỳ các hành tinh bắt đầu kết tụ. [1]

Nghiên cứu tập trung vào CAI trong thiên thạch DOM 08006, được tìm thấy năm 2008 tại Dominion Range, dọc dải băng Đông Nam Cực. Thiên thạch này có thành phần đặc biệt nguyên thủy và trải qua ít biến đổi hơn nhiều mẫu khác. Điều đó quan trọng vì nước, nhiệt hoặc những lần va chạm trong lịch sử của một thiên thể có thể làm xáo trộn dấu vết vật lý hình thành từ trước. [1]

Tuy vậy, một mảnh CAI không phải khối vật chất đồng nhất. Ngay trong phạm vi khoảng một milimét, các phần khoáng vật có thể khác nhau. Nhóm nghiên cứu vì thế phải tách những hạt nhỏ, nhận diện đúng loại bao thể và tìm các khoáng vật có tính từ, trong đó có khoáng vật chứa sắt, trước khi kiểm tra tín hiệu còn lưu lại. [1]

Khoáng vật ghi lại từ trường bằng cách nào?

Từ trường có thể tác động đến các khoáng vật mang từ tính khi chúng hình thành. Trong lúc vật chất nóng hoặc đang ngưng tụ dần ổn định, những thành phần từ tính cực nhỏ có thể chịu ảnh hưởng của trường xung quanh. Trạng thái định hướng được giữ lại sau đó được gọi là từ hóa dư. Nó giống một dấu chỉ về điều kiện lúc khoáng vật ổn định, chứ không phải chiếc kim la bàn vẫn tự do xoay sau hàng tỷ năm. [1]

Nếu khoáng vật tránh được những biến đổi đủ mạnh để đặt lại trạng thái từ hóa, dấu vết ấy có thể tồn tại rất lâu. Đây là lý do mức độ nguyên vẹn của DOM 08006 có giá trị đặc biệt. Các nhà nghiên cứu không chỉ phát hiện vật liệu có từ tính mà còn tiến hành nhiều phép kiểm tra để đánh giá liệu tín hiệu có thực sự phản ánh từ trường cổ thay vì một tác động muộn hơn trong hành trình của thiên thạch. [1]

Từ các phép đo, nhóm nghiên cứu ước tính từ trường của tinh vân ban đầu vào khoảng 150 đến 600 microtesla, tương đương khoảng ba đến 12 lần từ trường Trái Đất ngày nay. Đây là giá trị suy ra từ tín hiệu trong khoáng vật, không phải phép đo trực tiếp một trường đã biến mất. Khoảng ước tính khá rộng cũng phản ánh giới hạn khi tái dựng môi trường xa xưa từ những hạt vật chất hiếm hoi còn lại. [1]

Từ trường ban đầu có thể sinh ra ở đâu?

Từ trường xuất hiện khi vật chất mang điện chuyển động. Trong đám mây đang co lại, một phần khí có thể tồn tại dưới dạng plasma chứa các hạt mang điện. Khi các hạt này chuyển động trong vật chất đang xoay quanh vùng trung tâm, chúng có khả năng tạo ra và duy trì từ trường. Dấu từ hóa trong CAI phù hợp với khả năng một trường đáng kể đã hiện diện ngay ở giai đoạn rất sớm ấy. [1]

Phát hiện trong DOM 08006 đẩy dấu vết từ tính về thời kỳ Mặt Trời vẫn đang hình thành. Trước đó, các nhà nghiên cứu đã có bằng chứng về từ trường vào khoảng hai triệu năm sau khi quá trình hình thành Hệ Mặt Trời bắt đầu, lúc Mặt Trời được cho là đã hình thành và vật chất hành tinh đang kết tụ. CAI cho phép đặt câu hỏi sớm hơn: từ tính có tham gia ngay khi đám mây nguyên thủy biến thành đĩa hay không? [1]

Từ trường bổ sung gì cho vai trò của hấp dẫn?

Hấp dẫn kéo vật chất về phía vùng có khối lượng lớn hơn, vì vậy đây vẫn là lực nền tảng trong sự co sụp của đám mây khí bụi. Khi đám mây quay và co lại, nó dần chuyển từ cấu trúc rộng gần hình cầu thành một đĩa tiền hành tinh dẹt hơn, với Mặt Trời hình thành ở trung tâm. Tuy nhiên, chỉ biết vật chất bị hút vào chưa đủ để mô tả mọi cách khí và bụi di chuyển trong đĩa. [1]

Các hạt mang điện trong khí không chỉ chịu hấp dẫn mà còn phản ứng với từ trường. Theo cách diễn giải của nhóm nghiên cứu, trường có cường độ như dấu vết trong CAI có thể góp phần vận chuyển khí qua đĩa về phía Mặt Trời trẻ. Vì vậy, từ tính không thay thế hấp dẫn; nó bổ sung một cơ chế điều khiển dòng vật chất và giúp giải thích đám mây ban đầu đã biến đổi như thế nào trong lúc ngôi sao trung tâm lớn dần. [1]

Có thể hình dung một dòng người cùng tiến về một lối ra: xu hướng chung hướng về một phía, nhưng cách từng nhóm di chuyển còn phụ thuộc vào những ràng buộc trong không gian. So sánh này chỉ giúp tách hai vai trò. Hấp dẫn tạo xu hướng vật chất co về trung tâm, còn tương tác từ có thể thay đổi đường đi và tốc độ vận chuyển của phần khí mang điện.

Một hạt nhỏ cho biết được gì và chưa biết gì?

Giá trị của thiên thạch cổ nằm ở chỗ nó mang vật chất thật từ thời kỳ không có hành tinh, tàu thăm dò hay quan sát trực tiếp nào. Từ thành phần khoáng vật, thời điểm hình thành của CAI và trạng thái từ hóa dư, các nhà khoa học có thể ghép lại một phần điều kiện của tinh vân Mặt Trời. Mỗi phép đo trả lời một câu hỏi vật lý cụ thể, thay vì tái hiện trọn vẹn lịch sử trong một mẫu duy nhất. [1]

Dấu từ hóa cho thấy một từ trường mạnh đã hiện diện, còn vai trò chính xác của trường đó được suy ra bằng cách đặt cường độ ước tính vào mô hình chuyển động của khí và bụi. Nó ủng hộ khả năng từ tính tham gia vận chuyển vật chất, nhưng không cho biết riêng từng hạt đã đi theo đường nào hoặc toàn bộ đĩa thay đổi ra sao ở mọi thời điểm. Quan sát và diễn giải vì thế là hai lớp thông tin liên quan nhưng không đồng nhất. [1]

DOM 08006 giúp mở rộng lịch sử từ trường của Hệ Mặt Trời về sát buổi đầu hình thành. Điều từng trông như một mảnh đá lạnh rơi xuống Nam Cực thực chất chứa những khoáng vật đã phản ứng với môi trường trước khi Trái Đất tồn tại. Đọc được phản ứng còn sót lại ấy là cách các nhà khoa học biến thiên thạch thành hồ sơ vật lý của một thời kỳ mà ánh sáng quan sát ngày nay không thể đưa chúng ta quay lại. [1]