Trái Đất hình thành từ vật chất nào trong Hệ Mặt Trời sơ khai?

Trái Đất có thể không được ghép nên từ những mảnh vật chất giàu nước trôi dạt từ vùng xa của Hệ Mặt Trời như nhiều mô hình từng giả định. Một phân tích mới cho rằng phần vật chất đến từ bên ngoài quỹ đạo sao Mộc chiếm chưa tới 2% khối lượng Trái Đất, thậm chí có thể không có đóng góp nào đáng kể. [1]

Kết luận này trả lời khá rõ câu hỏi Trái Đất được tạo nên từ đâu: chủ yếu là vật chất thuộc vùng phía trong Hệ Mặt Trời sơ khai. Nhưng nó đồng thời mở ra câu hỏi khó hơn: nếu không nhận nhiều vật chất giàu nước từ bên ngoài, nước trên Trái Đất đã có mặt bằng cách nào? [1]

Đồng vị kể lại nguồn gốc vật chất ra sao?

Đồng vị là những nguyên tử cùng một nguyên tố, có cùng số proton nhưng khác số neutron nên khác khối lượng. Khi các thiên thể hình thành ở những vùng khác nhau quanh Mặt Trời trẻ, vật chất ban đầu có thể để lại những tỷ lệ đồng vị đặc trưng. Các tỷ lệ ấy hoạt động như dấu hiệu nguồn gốc: chúng giúp nhà khoa học so sánh một mẫu đá với những kho vật chất khác nhau trong Hệ Mặt Trời. [1]

Cách suy luận này không giống việc tìm một mảnh đá có nhãn ghi nơi xuất xứ. Trái Đất đã biến đổi mạnh trong quá trình hình thành, nên các nhà nghiên cứu phải đối chiếu nhiều hệ đồng vị và xem tổ hợp nào phù hợp nhất với thành phần của Trái Đất. Phân tích được ETH Zurich giới thiệu sử dụng dữ liệu từ mười hệ đồng vị, trong khi các nghiên cứu trước thường dựa vào ít hệ hơn. [1]

Hai nhóm thiên thạch cho thấy điều gì?

Các phép đo đồng vị cho phép chia thiên thạch thành hai nhóm lớn. Thiên thạch không chứa carbon hình thành ở vùng phía trong Hệ Mặt Trời; thiên thạch chứa carbon thường có nhiều nước và carbon hơn, đồng thời được xem là có nguồn gốc ở vùng phía ngoài. Sự khác biệt này cung cấp một cách so sánh giữa những vật liệu từng tồn tại trong các khu vực khác nhau quanh Mặt Trời sơ khai. [1]

Khi đặt thành phần đồng vị của Trái Đất cạnh hai nhóm đó, nhóm nghiên cứu nhận thấy Trái Đất phù hợp với vật chất không chứa carbon, thay vì là hỗn hợp đáng kể của hai nhóm. Kết quả tương tự cũng được báo cáo khi so sánh với dữ liệu liên quan đến Sao Hỏa và Vesta. Vì vậy, mô hình mới mô tả Trái Đất như sản phẩm của một kho vật chất phía trong tương đối đồng nhất. [1]

Vì sao tỷ lệ dưới 2% gây chú ý?

Một số mô hình trước đây cho rằng khoảng 6–40% vật chất tạo nên Trái Đất có thể đến từ vùng ngoài quỹ đạo sao Mộc. Giả định này giúp giải thích sự hiện diện của các chất dễ bay hơi, đặc biệt là nước: vật chất giàu nước từ vùng lạnh hơn có thể đã di chuyển vào khu vực hình thành các hành tinh đá. [1]

Phân tích mới cho kết quả trái ngược. Vật chất từ vùng ngoài chỉ chiếm dưới 2% khối lượng Trái Đất, và cách diễn giải chặt chẽ hơn của kết quả còn cho phép khả năng không có đóng góp nào. Đây là tỷ lệ được suy ra từ việc khớp nhiều hệ đồng vị, không phải phép cân trực tiếp từng mảnh vật chất đã rơi xuống Trái Đất. Chính vì vậy, nó thách thức mô hình cũ nhưng chưa tự mình giải thích toàn bộ lịch sử hình thành hành tinh. [1]

Sao Mộc có thể đã chia đôi kho vật chất

Trong đĩa tiền hành tinh, tức vành đai khí bụi bao quanh Mặt Trời trẻ, vật chất là nguyên liệu để các hành tinh phát triển. Theo cách giải thích được nêu trong nghiên cứu, Sao Mộc lớn lên nhanh và lực hấp dẫn của nó tạo ra một khoảng trống trong đĩa này. Khoảng trống ấy có thể làm giảm sự trao đổi vật chất giữa vùng phía trong và vùng phía ngoài. [1]

Nếu hàng rào hấp dẫn đó hoạt động hiệu quả, khu vực hình thành Trái Đất sẽ nhận phần lớn nguyên liệu lân cận thay vì liên tục trộn với vật chất từ bên kia Sao Mộc. Kết quả đồng vị phù hợp với một Hệ Mặt Trời sơ khai bị chia thành hai kho tương đối tách biệt. Tuy nhiên, nghiên cứu nhấn mạnh rằng các phép tính dựa trên dữ liệu đồng vị, còn mức độ vận chuyển vật chất trong đĩa vẫn là vấn đề cần tiếp tục tìm hiểu. [1]

Nước trên Trái Đất đến từ đâu?

Đây là phần bí ẩn nhất của kết quả mới. Nếu Trái Đất không tích lũy nhiều vật chất giàu nước từ vùng ngoài, nước phải hiện diện ở vùng phía trong ngay từ sớm, hoặc đã đến bằng một cơ chế khác với giả định vật chất ngoài quỹ đạo sao Mộc tràn vào hàng loạt. Nghiên cứu chưa đưa ra lời giải cuối cùng cho câu hỏi đó. [1]

Điều này cũng cho thấy “nguồn gốc vật chất” và “nguồn gốc nước” không nhất thiết là cùng một câu hỏi. Một hành tinh có thể hình thành chủ yếu từ vật chất phía trong, nhưng các chất dễ bay hơi trong kho vật chất ấy vẫn cần được giải thích riêng. Nhóm nghiên cứu dự định tiếp tục khảo sát cách nước có thể tồn tại trong vùng phía trong nóng của Hệ Mặt Trời trẻ, đồng thời xem liệu cơ chế tương tự có xảy ra quanh những ngôi sao khác hay không. [1]

Kết luận này còn có thể mở rộng đến đâu?

Các nhà nghiên cứu cho rằng Sao Thủy và Sao Kim về lý thuyết có thể mang kiểu thành phần tương tự Trái Đất, Sao Hỏa và Vesta. Nhưng hiện chưa có mẫu đá từ Sao Thủy hoặc Sao Kim để kiểm tra trực tiếp dự đoán ấy. Vì vậy, phần mở rộng này vẫn là dự báo, không phải kết quả quan sát đã hoàn tất. [1]

Bức tranh mới không biến câu chuyện về sự ra đời của Trái Đất thành một lời giải đơn giản. Nó thay đổi điểm xuất phát: thay vì hỏi bao nhiêu vật chất từ xa đã tràn vào, các nhà khoa học phải tìm hiểu sâu hơn về kho vật chất gần Mặt Trời và khả năng kho ấy chứa nước. Nhìn theo cách đó, Trái Đất có thể là một thế giới được tạo nên tại chỗ nhiều hơn tưởng tượng, nhưng chính điều ấy lại khiến nguồn nước của nó trở nên đáng chú ý hơn. [1]