Hồi năm 2004, sứ mệnh vũ trụ Genesis của NASA đã thực hiện một chuyến hạ cánh ngoài kế hoạch, phá hủy thiết bị hạt gió mặt trời quý giá của nó. Nay, sau nhiều năm nghiên cứu vất vả, hai nhóm nhà khoa học độc lập nhau đã làm chủ được việc đo hàm lượng tương đối của các đồng vị nitrogen và oxygen trong gió mặt trời. Nghiên cứu của họ cho thấy các thành phần đồng vị ấy trên Trái đất rất khác với trên Mặt trời. Kết quả trên có thể quan trọng trong việc tìm hiểu các điều kiện trong hệ mặt trời sơ khai, khi Trái đất đang hình thành.
Ảnh minh họa sứ mệnh Genesis. (Ảnh: NASA/JPL)
Trong khi các nhà khoa học biết rất nhiều về hàm lượng đồng vị của các nguyên tố trên Trái đất, Mặt trăng và các thiên thạch, thì họ lại biết rất ít về Mặt trời. May thay, Mặt trời ném ra một dòng ion đều đặn gọi là gió mặt trời, chúng có thể bị phi thuyền bắt lại. Mặc dù chủ yếu là hydrogen, nhưng gió mặt trời thật sự có chứa những lượng nhỏ của những nguyên tố nặng hơn và người ta tin rằng thành phần đồng vị của chúng tương tự với chất liệu từ đó hệ mặt trời hình thành.
Thu gom gió mặt trời
Genesis đã thu gom các hạt gió mặt trời trong chừng hai năm qua, sử dụng một bộ gom gió mặt trời, thiết bị sử dụng điện trường để gia tốc các ion oxygen và nitrogen và tập trung chúng vào một số tấm bia silicon-carbide cực kì tinh khiết. Mặc dù làm tăng số ion chạm lên bia đến 20 lần, nhưng hàm lượng các đồng vị trong bia vẫn rất nhỏ khi sứ mệnh quay trở về Trái đất và do đó sẽ đòi hỏi phải phân tích thận trọng.
Nhưng bi kịch đã xảy ra vào năm 2004 khi tổ hợp phản hồi mẫu của sứ mệnh triển khai không thành công dù giảm tốc của nó khi nó rơi xuống Trái đất. Thiết bị bị quá nhiệt và lao xuống đất, vỡ ra và tiêu tán mất phần lớn cái nó chứa bên trong, trong đó có nhiều tấm bia gió mặt trời.
Phần còn lại những tấm bia bị nhiễm bẩn bởi nhiều loại chất liệu (trong đó có một màng dầu bí ẩn) và các nhà khoa học đã bắt tay vào một quá trình cực nhọc để làm sạch mẫu. Việc làm sạch này thật khó khăn vì các ion oxygen và nitrogen ẩn náu chừng 100 nm bên dưới bề mặt của các tấm bia và có thể dễ dàng bị cọ sạch mất.
Quét bề mặt
Hiện nay, các tấm bia silicon carbide đã được làm đủ sạch để hàm lượng oxygen và nitrogen của chúng được phân tích. Một nghiên cứu được thực hiện bởi Kevin McKeegan cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học California, Los Angeles, và những trường đại học khác ở Mĩ, Anh và Nhật Bản. Họ sử dụng một thiết bị được thiết kế chuyên dụng cho Geneis gọi là MegaSIMS, đó là một máy đo phổ khối ion thứ cấp kết hợp với một máy đo phổ gia tốc. Một đặc điểm quan trọng của thiết bị là nó có thể phân tích những vùng nhỏ của mẫu rộng chừng 2 µm để tìm ra những vùng bề mặt không bị nhiễm bẩn.
Đội nghiên cứu đã đo hàm lượng của oxygen-17, oxygen-18 và oxygen-16 trong mẫu. Họ tìm thấy tỉ số của oxygen-17 so với oxygen-18 là như nhau trên Mặt trời và trên Trái đất. Tuy nhiên, họ nhận thấy oxygen-16 trên Mặt trời dồi dào hơn chừng 7% so với trên Trái đất.
“Chúng tôi tìm thấy rằng Trái đất, Mặt trăng, cũng như các thiên thạch gốc sao Hỏa và những thiên thạch gốc tiểu hành tinh khác, có hàm lượng O-16 thấp hơn so với Mặt trời”, McKeegan nói.
Làm sạch ion
Trong khi đó, Bernard Marty cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Nancy, Pháp, và một số viện nghiên cứu ở Mĩ, đã sử dụng một máy đo phổ khối ion thứ cấp để đo tỉ số nitrogen-15 so với nitrogen-14 trong gió mặt trời. Họ đặt một tấm bia lấy từ Genesis vào trong thiết bị và bề mặt của nó trước tiên được làm sạch bằng một chùm ion năng lượng thấp. Sau đó, hàm lượng đồng vị được đo là hàm của chiều sâu với một số vùng có đường kính khoảng 10 µm.
Hàm lượng của các đồng vị nitrogen đạt cực đại ở khoảng 80 nm bên trong tấm bia, theo lời đội nghiên cứu như thế là phù hợp với cách thức Genesis bắt giữ gió mặt trời. Các nhà nghiên cứu nhận thấy tỉ số của nitrogen-15 so với nitrogen-14 trong gió mặt trời nhỏ hơn khoảng 40% so với trong khí quyển Trái đất.
Robert Clayton thuộc trường Đại học Chicago, người không có liên quan trong nghiên cứu nào vừa nói, tin rằng sự chênh lệch oxygen và nitrogen như thế có thể là liên quan của sự tương tác của ánh sáng mặt trời và đám mây phân tử khí có mặt trong hệ mặt trời sơ khai. Quá trình này được gọi là sự quang phân và kết quả là carbon monoxide và nitrogen phân tử phân li thành các nguyên tử thành phần của chúng.
Đám mây khí mờ đục
Bước sóng chính xác của ánh sáng cần thiết để phá vỡ một phân tử phụ thuộc vào thành phần đồng vị của nó, Clayton giải thích. Hóa ra ánh sáng cần thiết để phá vỡ các phân tử carbon monoxide cấu tạo từ oxygen-16 không truyền đi xa lắm trong một đám mây khí. Điều này có nghĩa là phần bên trong của đám mây sẽ chứa hàm lượng oxygen-17 và oxygen-18 nhiều hơn. Những nguyên tử được giải phóng này tham gia vào những phản ứng hóa học dẫn tới sự hình thành của bụi khoáng chất cuối cùng trở thành Trái đất và các hành tinh nhóm trong. Một quá trình tương tự cũng sẽ làm tăng lượng nitrogen-15 trong bụi khoáng, theo lời Clayton.
Clayton cho biết hàm lượng tương đối của các đồng vị nitrogen trên Mộc tinh là bằng với hàm lượng của gió mặt trời, cho thấy sự phân li đồng vị bởi sự quang phân chỉ xảy ra trong hệ mặt trời nhóm trong.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.
Nguồn: physicsworld.com
