Tinh thể mặt trăng được hình thành ít nhất 4,46 tỷ năm trước sau khi đại dương magma nguội đi. Hơn 4 tỷ năm trước, khi hệ mặt trời còn non trẻ và Trái đất vẫn đang phát triển, một thiên thể khổng lồ có kích thước bằng sao Hỏa đã va vào Trái đất. Mảnh lớn nhất của Trái đất sơ khai vỡ ra đã hình thành nên Mặt trăng của chúng ta. Nhưng chính xác thời điểm điều này xảy ra vẫn là một bí ẩn. Trong một nghiên cứu mới trên tạp chí Geochemical Perspectives Letters, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các tinh thể do các phi hành gia Apollo mang về từ mặt trăng vào năm 1972 để giúp xác định thời điểm mặt trăng hình thành. Phát hiện của họ đã đẩy lùi tuổi của mặt trăng tới 40 triệu năm, hay ít nhất là 4,46 tỷ năm.
Năm 1972, phi hành gia Harrison Schmitt trên tàu Apollo 17 bị bao phủ bởi bụi mặt trăng. Các nhà nghiên cứu đã đo các tinh thể mặt trăng từ sứ mệnh và phát hiện ra rằng mặt trăng đã 4,46 tỷ năm tuổi - già hơn 40 triệu năm so với suy nghĩ trước đây. Nguồn: NASA
"Những tinh thể này là chất rắn lâu đời nhất được biết đến được hình thành sau những tác động lớn", Philipp Heck, giám đốc Bộ sưu tập Khí tượng học và Nghiên cứu Địa cực của Bảo tàng Robert Pritzker, giám đốc cấp cao của Trung tâm Nghiên cứu Tương tác Negaunee, giáo sư tại Đại học Chicago và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. "Bởi vì chúng ta biết tuổi của những tinh thể này nên chúng là mỏ neo cho niên đại mặt trăng"
Các mẫu bụi mặt trăng được sử dụng trong nghiên cứu đã được các phi hành gia Apollo 17 mang về trong sứ mệnh mặt trăng có người lái cuối cùng vào năm 1972. Bụi này chứa các tinh thể nhỏ được hình thành từ hàng tỷ năm trước. Những tinh thể này là manh mối về thời điểm mặt trăng hình thành.
Khi một vật thể có kích thước bằng sao Hỏa va vào Trái đất và hình thành mặt trăng, năng lượng của cú va chạm làm tan chảy những tảng đá mà cuối cùng trở thành bề mặt mặt trăng. Heck cho biết: “Tinh thể zircon không thể hình thành và tồn tại khi bề mặt Mặt Trăng tan chảy như thế này. Do đó, bất kỳ tinh thể nào trên bề mặt Mặt Trăng đều phải hình thành sau khi đại dương magma Mặt Trăng nguội đi”. “Nếu không, chúng sẽ bị tan chảy và dấu hiệu hóa học của chúng sẽ bị xóa.”
Vì các tinh thể phải hình thành sau khi đại dương magma nguội đi, việc xác định tuổi của các tinh thể sẽ tiết lộ tuổi tối thiểu có thể có của mặt trăng. Một nghiên cứu trước đây của đồng tác giả nghiên cứu Bidong Zhang đã đề xuất độ tuổi này, nhưng nghiên cứu mới nhất này là nghiên cứu đầu tiên sử dụng phương pháp phân tích gọi là chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử để “xác định” tuổi của tinh thể mặt trăng lâu đời nhất được biết đến.
Greer cho biết: "Trong chụp cắt lớp thăm dò nguyên tử, trước tiên chúng tôi sử dụng kính hiển vi chùm ion hội tụ để mài một mảnh mẫu mặt trăng thành một đầu nhọn rất sắc, giống như một chiếc gọt bút chì rất đẹp. Sau đó, chúng tôi sử dụng tia laser cực tím để làm bay hơi các nguyên tử khỏi bề mặt của đầu nhọn. "Khi các nguyên tử đi qua máy quang phổ khối, tốc độ di chuyển của chúng cho chúng ta biết chúng nặng bao nhiêu, từ đó cho chúng ta biết chúng được tạo ra như thế nào của."
Phân tích từng nguyên tử này, sử dụng các thiết bị tại Đại học Northwestern, cho thấy có bao nhiêu nguyên tử bên trong tinh thể đá mặt trăng trải qua quá trình phân rã phóng xạ. Khi cấu hình của proton và neutron trong hạt nhân không ổn định, nguyên tử sẽ phân rã, giải phóng một số proton và neutron và biến đổi thành các nguyên tố khác nhau. Ví dụ, uranium phân rã thành chì. Các nhà khoa học đã xác định quá trình này diễn ra trong bao lâu và bằng cách xem xét tỷ lệ của các nguyên tử uranium và chì khác nhau (gọi là đồng vị) trong mẫu, họ có thể biết được tuổi của mẫu.
"Hẹn hò bằng phép đo phóng xạ hoạt động hơi giống đồng hồ cát," Heck nói. "Trong một chiếc đồng hồ cát, cát chảy từ quả cầu thủy tinh này sang quả cầu thủy tinh khác và thời gian trôi qua được biểu thị bằng sự tích tụ cát trong quả cầu thủy tinh phía dưới. Việc xác định niên đại bằng phép đo phóng xạ hoạt động tương tự, bằng cách đếm số lượng nguyên tử mẹ và số lượng nguyên tử con mà chúng được chuyển đổi thành. Vì đã biết tỷ lệ chuyển đổi nên có thể tính được thời gian trôi qua."
Tỷ lệ đồng vị chì được các nhà nghiên cứu tìm thấy cho thấy mẫu này có niên đại khoảng 4,46 tỷ năm tuổi. Vì vậy, mặt trăng ít nhất cũng già như vậy.
"Thật ngạc nhiên khi có thể chứng minh rằng tảng đá trong tay bạn là phần cổ nhất của mặt trăng mà chúng tôi đã phát hiện cho đến nay. Nó là mỏ neo cho rất nhiều câu hỏi về Trái đất," Greer nói. "Khi bạn biết một thứ gì đó bao nhiêu tuổi, bạn có thể hiểu rõ hơn điều gì đã xảy ra với nó trong lịch sử."
Heck cho biết, hiểu được thời điểm Mặt trăng hình thành rất quan trọng vì "Mặt trăng là một đối tác quan trọng trong hệ hành tinh của chúng ta - nó ổn định trục quay của Trái đất, là lý do khiến một ngày có 24 giờ và là lý do tại sao chúng ta có thủy triều. Nếu không có Mặt trăng, sự sống trên Trái đất sẽ không thể được nhận ra. Đó là một phần của hệ thống tự nhiên mà chúng ta muốn hiểu rõ hơn và nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một phần nhỏ của câu đố cho toàn bộ bức tranh."