Những hạt thủy tinh nhỏ li ti, được hình thành từ những vụ phun trào núi lửa dữ dội trên Mặt Trăng và được tàu Apollo 17 mang về Trái Đất, đang dần tiết lộ những bí mật sâu kín.

Thật đáng kinh ngạc, những mẫu vật từ Mặt Trăng do các sứ mệnh Apollo thu thập vẫn đang cung cấp những hiểu biết mới sau hơn 50 năm. Trong trường hợp này, những hạt thủy tinh nhỏ li ti rải rác trên bề mặt Mặt Trăng đang kể cho chúng ta nghe về những cột khói núi lửa bùng nổ đã hình thành chúng cách đây 3,3 đến 3,6 tỉ năm.

Giáo sư vật lý Ryan Ogliore thuộc Đại học Washington ở St. Louis khẳng định: Chúng ta đã có những mẫu vật này trong 50 năm, nhưng giờ đây chúng ta có công nghệ để hiểu chúng một cách đầy đủ. Nhiều thiết bị này sẽ là điều không thể tưởng tượng được khi những hạt thủy tinh lần đầu tiên được thu thập.

Những hạt thủy tinh nhỏ bé, có kích thước chưa đến một milimet, được nhúng trong đá Mặt Trăng và lẫn vào đất Mặt Trăng (regolith). Chúng có hai loại: màu cam và màu đen. Chúng được tạo ra khi các giọt dung nham trong các cột khói phun trào mạnh mẽ từ các núi lửa nguội đi nhanh chóng trong chân không lạnh lẽo trên bề mặt Mặt Trăng. Khoảng 3,5 tỉ năm trước, Mặt Trăng đã hoạt động núi lửa cực kỳ mạnh mẽ, tạo thành các mảng tối của vùng biển Mặt Trăng mà ngày nay tạo nên “khuôn mặt” của “Ông Trăng”.

Ông Ogliore nhận định: Những hạt thủy tinh là những viên nang nhỏ, nguyên sơ từ bên trong Mặt Trăng. Chúng là một trong những mẫu vật ngoài Trái Đất tuyệt vời nhất mà chúng ta có.

Ông Ogliore là thành viên của một nhóm nghiên cứu do Thomas Williams, Stephen Parman và Alberto Saal thuộc Đại học Brown ở Rhode Island dẫn đầu. Họ đã sử dụng nhiều kỹ thuật phân tích kính hiển vi hiện đại trên các hạt thủy tinh để tìm hiểu thêm về điều kiện núi lửa mà trong đó các hạt này hình thành.

Thiết bị chính được sử dụng là một kính hiển vi ion NanoSIMS 50 tại Đại học Washington. Thiết bị này có thể thực hiện phép đo phổ ở cấp độ nguyên tử, xác định các nguyên tố và đồng vị, cũng như thăm dò cấu trúc ở quy mô nano.

Để tránh vật liệu bị phơi nhiễm với khí quyển Trái Đất và phản ứng với oxy của nó, chùm ion đã khoét vào các mẫu vật, tách các hạt thủy tinh ra khỏi bên trong, sau đó cẩn thận bảo vệ vật liệu khỏi khí quyển của chúng ta. Các mẫu sau đó được đưa vào một số kỹ thuật phân tích, bao gồm chụp ảnh cắt lớp bằng đầu dò nguyên tử, kính hiển vi điện tử quét và quang phổ tia X tán sắc năng lượng.

Ông Ogliore cho biết: Ngay cả với các kỹ thuật tiên tiến chúng tôi đã sử dụng, đây vẫn là những phép đo rất khó thực hiện.

Các phép đo đã cho nhóm biết về áp suất, nhiệt độ và thành phần hóa học của môi trường mà các hạt thủy tinh hình thành. Thật vậy, sự tồn tại của chúng là bằng chứng cho thấy Mặt Trăng đã có những vụ phun trào bùng nổ, giống như những “đài phun lửa” mà bạn có thể thấy ở Hawaii ngày nay, ông Ogliore nói.

Tuy nhiên, màu sắc, hình dạng và thành phần hóa học của các hạt thủy tinh Mặt Trăng khá khác biệt so với các hạt tương tự trên Trái Đất.

Phân tích cho thấy các hạt thủy tinh được phủ một lớp dày chưa đến 100 nanomet, được lắng đọng trên các hạt khi hơi nước ngưng tụ từ các đám mây núi lửa. Do đó, việc thăm dò các lớp nano này cung cấp thông tin về các đám mây núi lửa đó, từ đó chúng ta có thể tìm hiểu thêm về hoạt động núi lửa của Mặt Trăng.

Các lớp nano trên bề mặt của các hạt thủy tinh không nhẵn mà có một số hình dạng và sự không đồng nhất được mô tả là “vi gò”, “thanh bào”, “mảng” và “đốm”. Đặc biệt, các vi gò có phần đáy giàu sắt hơn bề mặt phía trên của chúng. Gradient sắt này liên quan đến việc áp suất trong cột khói núi lửa đã giảm nhanh chóng trong thời gian ngắn để các vi gò trong lớp nano được lắng đọng.

Cả hạt thủy tinh đen và cam được nghiên cứu trong phân tích này đều được thu thập bởi sứ mệnh Apollo 17 vào năm 1972 – sứ mệnh duy nhất có một nhà địa chất chuyên biệt, Harrison Schmitt, trên tàu – từ Thung lũng Taurus-Littrow trong Mare Serenitatis.

Các hạt thủy tinh đen chứa nhiều tinh thể nano kẽm-sulfua. Mô hình nhiệt hóa của các hạt này cho thấy hydro và lưu huỳnh là những nguyên tố chính trong các cột khí núi lửa đã hình thành chúng. Trong khi đó, các hạt thủy tinh cam lại không có đáng kể các tinh thể kẽm-sulfua. Điều này cho thấy sự thay đổi theo thời gian trong điều kiện của vụ phun trào núi lửa đã tạo ra các hạt đen và cam.

Ông Ogliore ví von: Nó giống như đọc nhật ký của một nhà núi lửa học cổ đại của Mặt Trăng.

Mặc dù những phát hiện này chỉ là một chi tiết nhỏ trong bức tranh tổng thể, nhưng chúng đưa chúng ta đến gần hơn một bước để hiểu về điều kiện núi lửa đã hình thành “Ông Trăng” và tại sao hoạt động núi lửa đó lại xảy ra ngay từ đầu.

Kết quả đã được công bố trực tuyến vào tháng 4 trên tạp chí Icarus.