Mặt Trăng thật kỳ lạ. Nó hoàn toàn khác biệt so với bất kỳ thứ gì khác trong Hệ Mặt Trời. Vậy làm thế nào mà hành tinh của chúng ta lại có được một Mặt Trăng đặc biệt như vậy? Câu trả lời, thật bất ngờ, là Mặt Trăng chính là một phần của Trái Đất.
Có rất nhiều điều đặc biệt về Mặt Trăng. Trước hết, sự tồn tại của nó đã là điều lạ thường. Sao Thủy không có vệ tinh tự nhiên, Sao Kim cũng vậy. Sao Hỏa có hai mặt trăng, nhưng chúng thực chất chỉ là các tiểu hành tinh bị Sao Hỏa “túm được”. Trái Đất là hành tinh đá duy nhất trong Hệ Mặt Trời có một Mặt Trăng lớn và đáng kể.
Và Mặt Trăng thực sự là một vệ tinh quan trọng: nó có khối lượng khoảng 1,2% khối lượng của Trái Đất. Con số đó có thể không lớn nếu xét trên quy mô tuyệt đối, nhưng trong Hệ Mặt Trời, nó là cực kỳ lớn. Không có vệ tinh nào khác có tỷ lệ khối lượng lớn như vậy so với hành tinh mẹ của nó.
Những điều kỳ lạ không dừng lại ở đó. Tổng động lượng góc (momen góc) từ sự quay của Trái Đất, sự quay của Mặt Trăng và quỹ đạo của Mặt Trăng là rất lớn — cao hơn nhiều so với bất kỳ hành tinh nào khác. Vậy làm thế nào mà Trái Đất có được động lượng lớn đến như vậy?
Chưa hết, Mặt Trăng còn chứa đầy các “KREEP” – nghĩa là kali (K), các nguyên tố đất hiếm (REE) và phốt pho (P). Các nguyên tố này thường không “ưa” tồn tại cùng nhau, nhưng các mẫu vật từ Mặt Trăng cho thấy chúng lại thường trộn lẫn. Điều này cho thấy Mặt Trăng từng ở trạng thái nóng chảy, điều đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ.
Điều đáng ngạc nhiên nhất là Mặt Trăng và Trái Đất có tỉ lệ đồng vị bền giống nhau, cho thấy Trái Đất và Mặt Trăng đều hình thành từ cùng một đám vật chất.
Giả thuyết hàng đầu để giải thích cho tất cả những điều kỳ lạ này được gọi là giả thuyết va chạm khổng lồ. Theo giả thuyết này, khi Hệ Mặt Trời mới hình thành, một hành tinh cỡ Sao Hỏa mang tên Theia đã va chạm với Trái Đất thuở sơ khai.
Với vận tốc va chạm vào khoảng 32.000 km/h — tương đối chậm so với các va chạm khác — điều xảy ra sau đó thực sự là thảm họa. Lõi nặng của Theia đã chìm sâu vào lòng Trái Đất, làm tăng kích thước lõi của hành tinh chúng ta. Lớp vật chất bề mặt của hai thiên thể trộn lẫn và làm tăng khối lượng cho Trái Đất. Phần vỏ của chúng thì bị bắn tung vào không gian.
Điều gì xảy ra tiếp theo thì khá khó đoán và phụ thuộc vào cách va chạm diễn ra và thành phần của Theia. Nhưng nhìn chung, một phần vật chất bị bắn ra ngoài và không bao giờ quay lại. Một phần khác rơi trở lại Trái Đất. Và một phần lớn còn lại thì bay quanh quỹ đạo. Trong vòng vài giờ — hoặc có thể vài thế kỷ — khối vật chất này đã kết tụ lại thành một vật thể rắn: Mặt Trăng.
Một số mô hình nghiên cứu cho rằng một Mặt Trăng thứ hai, chỉ vài trăm km đường kính, đã hình thành ở phía xa bên kia và sau đó từ từ tiếp cận Mặt Trăng chính rồi hợp nhất. Điều này có thể giải thích tại sao mặt xa của Mặt Trăng lại gồ ghề hơn mặt gần.
Cũng có khả năng đây không phải là một cú va chạm nhẹ nhàng, mà thay vào đó, Trái Đất sơ khai đang quay rất nhanh và bị Theia “đánh thẳng mặt.” Điều này đủ để cung cấp năng lượng làm bay hơi mọi thứ và tạo thành một vòng plasma hình bánh rán được gọi là synestia.
Dù thế nào đi nữa, vụ va chạm này đã giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ — đủ để biến Mặt Trăng thành một khối cầu nóng chảy, đủ để gom các nguyên tố KREEP lại với nhau, và đủ để trộn lẫn vật chất của Trái Đất và Theia, tạo nên các đặc điểm chung giữa lớp vỏ Trái Đất và Mặt Trăng.
Tất nhiên, như mọi giả thuyết khác, giả thuyết này cũng chưa hoàn hảo. Ví dụ, nếu có đủ năng lượng để làm tan chảy Mặt Trăng, thì cũng có đủ năng lượng để làm tan chảy bề mặt Trái Đất. Nhưng chúng ta không tìm thấy bằng chứng nào về các biển magma quy mô lớn trong lịch sử Trái Đất. Ngoài ra, Mặt Trăng vẫn còn giữ một số nguyên tố dễ bay hơi, như nước, trong đá — trong khi một sự kiện va chạm khổng lồ đáng lẽ phải làm bốc hơi hoàn toàn những thứ đó.
Dù còn những điểm chưa hoàn chỉnh, giả thuyết va chạm khổng lồ vẫn là câu chuyện thuyết phục nhất mà chúng ta có để lý giải sự hình thành của Mặt Trăng. Và nếu không có cỗ máy thời gian để quay lại quá khứ xa xôi, có lẽ chúng ta sẽ không bao giờ chứng minh được điều đó. Tuy nhiên, cho đến nay, nó vẫn là lời giải thích phù hợp nhất với gần như tất cả các bằng chứng mà chúng ta có, nên đây là câu chuyện đáng để lưu giữ.
(*) Paul M. Sutter là nhà vật lý thiên văn tại Đại học Bang New York và Viện Flatiron tại Thành phố New York. Paul nhận bằng Tiến sĩ Vật lý tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign vào năm 2011, sau đó dành ba năm làm việc tại Viện Vật lý Thiên văn Paris, và sau đó là nghiên cứu sinh tại Trieste, Ý. Nghiên cứu của ông tập trung vào nhiều chủ đề đa dạng, từ những vùng trống rỗng nhất của vũ trụ đến những khoảnh khắc đầu tiên của Vụ nổ lớn và cuộc săn lùng những ngôi sao đầu tiên. Là một “Đại sứ vì các vì sao,” Paul đã tích cực tham gia vào công tác phổ biến khoa học cho công chúng trong nhiều năm. Ông là người dẫn chương trình podcast nổi tiếng “Ask a Spaceman!”, tác giả của các cuốn sách “Your Place in the Universe” và “How to Die in Space”.
Minh họa một giai đoạn trong quá trình hình thành hệ thống Trái Đất – Mặt Trăng. Trái Đất vừa mới hình thành (cách đây 4,6 tỷ năm) thì bị va chạm bởi một tiểu hành tinh lớn, được gọi là Theia, có khối lượng gấp khoảng ba lần Sao Hỏa. Ảnh: Science Photo Library
