Một phân tích mới về đồng vị thiên thạch đang thách thức bức tranh cổ điển lâu đời của loài người về nguồn gốc Trái đất. Nghiên cứu cho thấy Trái đất gần như được cấu tạo hoàn toàn từ vật chất cục bộ từ hệ mặt trời bên trong, trong khi sự đóng góp của vật chất từ ​​hệ mặt trời xa xôi bên ngoài là rất ít hoặc thậm chí bằng không. Kết quả này có nghĩa là chúng ta có thể không cần phải xem xét các vật liệu từ bên ngoài hệ mặt trời để giải thích nguồn gốc của các vật liệu dễ bay hơi như nước trên Trái đất, đảo ngược một giả định quan trọng trong lý thuyết hình thành hành tinh.

Các nhà khoa học hành tinh từ lâu đã tranh luận về nguồn gốc của vật liệu ban đầu tạo nên Trái đất. Mặc dù Trái đất nằm ở khu vực bên trong của hệ mặt trời nhưng nhiều nghiên cứu ước tính rằng khoảng 6 đến 40% khối lượng của nó đến từ bên ngoài hệ mặt trời. Quan điểm này được chấp nhận rộng rãi vì người ta tin rằng hệ mặt trời bên ngoài rất giàu nước và các vật liệu dễ bay hơi khác, và một phần đáng kể của vật liệu này phải được vận chuyển đến hệ mặt trời bên trong trong quá trình hình thành Trái đất để giải thích các đại dương và bầu khí quyển trên bề mặt Trái đất. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đặt ra những thách thức nghiêm trọng đối với giả định này.

Paolo Sossi và Dan Bower từ ETH Zurich đã sử dụng một phương pháp phân tích mới để so sánh một cách có hệ thống dữ liệu đồng vị của nhiều loại thiên thạch với thành phần của Trái đất, bao gồm các mẫu thiên thạch liên quan đến Sao Hỏa và Vesta. Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton nhưng khác nhau về số neutron và do đó có khối lượng khác nhau. Họ có thể cung cấp manh mối “dấu vân tay” về nguồn gốc của các thiên thể mà không làm tổn hại đến đặc tính hóa học của chúng.

Sau khi phân tích toàn diện, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một kết luận bất ngờ: trái đất dường như được hình thành hoàn toàn từ vật chất bên trong hệ mặt trời. Theo tính toán của họ, vật chất từ ​​các khu vực ngoài quỹ đạo Sao Mộc chỉ chiếm ít nhất dưới 2% khối lượng Trái đất, hoặc có thể nó chẳng đóng góp gì cả. Các kết quả liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature Astronomy. Souci nói: “Các tính toán của chúng tôi rất rõ ràng: Trái đất được xây dựng từ một nguồn vật liệu duy nhất”. Ball nói thẳng: “Chúng tôi thực sự bị sốc khi phát hiện ra rằng Trái đất hoàn toàn được cấu tạo từ các vật liệu từ bên trong hệ mặt trời và sự kết hợp thành phần này không thể tìm thấy bất kỳ sự tương ứng nào trong các thiên thạch hiện có”.

Một bước đột phá quan trọng trong nghiên cứu này là khung phân tích vượt xa công việc trước đó. Các nghiên cứu trước đây thường chỉ sử dụng hai hệ thống đồng vị để truy tìm nguồn gốc vật liệu, nhưng Southey và Ball đã giới thiệu cùng lúc 10 hệ thống đồng vị khác nhau, được bổ sung bằng một phương pháp thống kê không được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực địa hóa học. “Theo một nghĩa nào đó, chúng tôi đang thực hiện một thí nghiệm khoa học dữ liệu.” Southey chỉ ra: “Những phép tính thống kê này hiếm khi được sử dụng trong địa hóa học, nhưng chúng thực sự là những công cụ rất mạnh mẽ”.

Cộng đồng khoa học đã sử dụng đồng vị thiên thạch để xác định nguồn gốc của vật chất trong hệ mặt trời trong nhiều năm và công việc ban đầu chủ yếu tập trung vào đồng vị oxy. Kể từ khoảng năm 2010, các nhà nghiên cứu đã liên tiếp phát hiện ra rằng các đồng vị của các nguyên tố như crom và titan cũng có thể phân biệt hiệu quả nguồn gốc của các chất. Điều này đã thúc đẩy một khuôn khổ phân loại mới: một nhóm là các thiên thạch không chứa cacbon, được cho là đã hình thành trong hệ mặt trời bên trong; loại còn lại là thiên thạch chứa cacbon, chứa nhiều nước và cacbon hơn và có nguồn gốc từ hệ mặt trời bên ngoài xa hơn.

Nghiên cứu mới cho thấy thành phần tổng thể của Trái đất nằm ở phía "không chứa carbon". Nói cách khác, Trái đất là một hành tinh được cấu tạo từ các vật liệu từ hệ mặt trời bên trong và các đặc tính đồng vị của nó không yêu cầu sự kết hợp của các vật liệu từ hệ mặt trời bên ngoài. Đồng thời, nghiên cứu không tìm thấy bằng chứng nào về "sự pha trộn đáng kể giữa hai nhóm vật chất" được đưa ra giả thuyết trước đây, điều đó có nghĩa là sự trao đổi vật chất quy mô lớn trong các hệ mặt trời bên trong và bên ngoài được nhấn mạnh trong các mô hình truyền thống không tồn tại, ít nhất là trong bối cảnh hình thành Trái đất.

Kết quả này cung cấp một câu chuyện mới về quá trình phát triển ban đầu của Trái đất: Trái đất có thể phát triển chậm trong môi trường bên trong hệ mặt trời tương đối ổn định bằng cách tiếp tục bồi tụ các vi thể hành tinh và phôi hành tinh gần đó, thay vì dựa vào việc bơm vật chất xuyên khu vực trên quy mô lớn. Quan trọng hơn, nếu Trái đất được tạo thành gần như hoàn toàn bằng vật chất bên trong hệ mặt trời, thì các nguyên tố dễ bay hơi như nước có khả năng tồn tại trong hệ mặt trời bên trong ngay từ đầu, thay vì chủ yếu được "vận chuyển đường dài" bởi các vật thể băng giá ở xa.

Tại sao có hai kho chứa vật chất hoàn toàn khác nhau bên trong và bên ngoài hệ mặt trời? Một quan điểm chủ đạo cho rằng điều này có liên quan chặt chẽ đến sự hình thành nhanh chóng của Sao Mộc. Trong đĩa tiền hành tinh quay quanh mặt trời - "cái nôi của các hành tinh" được cấu tạo từ khí và bụi - Sao Mộc đang phát triển đã sử dụng lực hấp dẫn mạnh của mình để xé một "khoảng trống" trong đĩa. Cấu trúc này làm suy yếu đáng kể dòng vật chất từ ​​ngoài vào trong, do đó chia hệ mặt trời thành hai vùng tương đối biệt lập, vùng bên trong và bên ngoài, trong những ngày đầu.

Nhưng trước đây luôn có một câu hỏi cốt lõi: "Cổng vật chất" của Sao Mộc chặt đến mức nào? Các phân tích đồng vị mới cho thấy rất ít vật chất từ ​​bên ngoài Sao Mộc thực sự đã xâm nhập vào khu vực hình thành của Trái đất. Ball nhấn mạnh rằng độ chắc chắn của kết luận này nằm ở chỗ nó hoàn toàn dựa trên chính dữ liệu, thay vì dựa vào các giả định vật lý vẫn chưa được làm rõ đầy đủ. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thành phần của Trái đất rất giống với thành phần của Sao Hỏa và Vesta, cho thấy những vật thể này có thể có nguồn gốc từ cùng một kho chứa vật chất bên trong hệ mặt trời.

Dựa trên cùng một phương pháp, nhóm nghiên cứu đã suy đoán rằng Sao Kim và Sao Thủy cũng rất có thể có thành phần tổng thể tương tự như Trái Đất. “Về mặt lý thuyết, chúng tôi đã có thể dự đoán được thành phần của hai hành tinh này”, Souci nói. Tuy nhiên, do hiện tại không có mẫu đá nào từ Sao Kim và Sao Thủy nên suy luận này hiện tại không thể được xác minh trực tiếp.

Theo các nhà nghiên cứu, công trình này mang đến một góc nhìn mới về lịch sử hình thành của Trái đất và các hành tinh thuộc hệ đất đá khác. Tiếp theo, họ có kế hoạch khám phá sâu hơn một câu hỏi quan trọng: bằng cơ chế nào mà nước tích lũy đủ trong môi trường nóng bên trong hệ mặt trời để cuối cùng hình thành nên các đại dương rộng lớn của Trái đất. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng hy vọng hiểu được liệu các quá trình phân chia vật chất và xây dựng hành tinh tương tự có phổ biến trong các hệ hành tinh bên ngoài hệ mặt trời hay không.

“Dan và tôi có thể sẽ có nhiều cuộc thảo luận sôi nổi hơn về thành phần vật chất của Trái đất và các hành tinh lân cận trước khi chúng tôi tìm ra câu trả lời cho những câu hỏi này,” Southey nói, nửa đùa nửa thật. Theo quan điểm của ông, ngay cả với kết quả mới này, cuộc tranh luận khoa học về “các khối xây dựng” của Trái đất vẫn chưa kết thúc và đây chính xác là động lực cho sự tiến bộ không ngừng của khoa học hành tinh.