Những hạt bụi biết nói

• 5 tuyệt tác trong không gian

Cho đến cuối thế kỷ 19, chuyến đi đến những nơi xa nhất trên địa cầu của con tàu HMS Challenger huyền thoại đã thay đổi vĩnh viễn quan điểm của khoa học về bụi vũ trụ, sau khi tình cờ phát hiện những hạt siêu bé dưới đáy Thái Bình Dương.

Bụi đến từ đâu?

Từ những năm 1990, bụi vũ trụ dường như vẫn còn “vô danh” với khoa học, rằng không ai đưa ra được bằng chứng xác thực về nguồn gốc của loại bụi này. Suốt nhiều thập kỷ, các nhà khoa học luôn kiên quyết bảo vệ luận điểm những hạt bụi không gian vốn dĩ đến từ những sao chổi bị đốt cháy khi bay xuyên qua khí quyển Trái Đất. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu mới đây khẳng định bụi vũ trụ thậm chí có thể “bay” lơ lửng đến “hành tinh xanh”, trôi dạt dần về bầu khí quyển của loài người, và mang theo vô số thông điệp bí ẩn cho địa cầu. Chúng là những hạt vật chất cỡ nhỏ phân tán trong không gian, có thể được sinh ra từ quá trình hình thành các ngôi sao hay hành tinh, với tuổi đời lên đến hàng tỷ năm.

Hành trình giải mã bụi vũ trụ dài vô tận, và với nhà khoa học Matthew Genge thuộc trường Imperial College London thì nghiên cứu những hạt vật chất từ những nơi xa lạ ngoài không gian đã kéo dài đến năm thứ 20 của cuộc đời. Ngày bé, Matthew Genge thường nhìn lên bầu trời đầy sao trong những đêm mùa hè, tự hỏi giữa khoảng đen vô tận của các tinh tú lấp lánh trên cao là thứ vật chất gì? Khoa học chưa thể lý giải vì dụng cụ thô sơ, phỏng đoán khoảng trống lấp đầy bởi... hơi. Mãi cho đến năm 2010, bụi vũ trụ mới được gọi tên khi vệ tinh Planck của cơ quan Hàng Không Vũ Trụ Châu Âu hoàn thiện bản đồ bụi nhằm đo đạc nền các vi sóng vũ trụ.

Cho đến nay, nhân loại đã khám phá ra hai loại bụi vũ trụ: bụi liên sao với 80% khối lượng là hydrogen cùng helium, và bụi không gian gồm nguyên tử của carbon, silicon, oxygen, magnesium và aluminium. Sự tiến bộ trong kỹ thuật thiên văn và khoa học phân tích cho thấy bụi có thể xuất phát từ các tiểu hành tinh trôi dạt vô định trong vũ trụ. Chúng vốn là thành phần của những thiên thạch thuộc loại carbonaceous chondrite cực kì hiếm. Chondrite là phần thiên thạch không bị thay đổi tính chất do bị nóng chảy trong quá trình di chuyển trong không gian. Chưa hết, nhiều nghiên cứu khẳng định, bụi vũ trụ được phát tán bởi tiểu hành tinh kiểu C với thành phần chứa một lượng lớn carbon, ngoài ra còn có đá và khoáng vật.

Giả thuyết quan trọng nhất về nguồn gốc của bụi vũ trụ lập luận rằng những ngôi sao đỏ khổng lồ (trọng lượng gấp 8 lần Mặt Trời) sắp tắt đã “thở” ra vô số bụi, vốn dĩ nằm ẩn sâu bên trong cấu trúc của các ngôi sao này từ ban đầu. Khi bụi... vô gia cư, chúng lang thang trong không gian u tối, va chạm với nhau và nguội dần để tích lại thành đám bụi lớn. Đây chính là nền tảng tạo nên các hành tinh khi bụi hút lẫn nhau thành từng viên đá nhỏ, rồi lớn dần lên tới kích thước của một tiểu hành tinh. Thậm chí, đám bụi có thể đồng thời “nuốt chửng” ánh sáng đến từ ngôi sao, khiến các đám khí trở nên lạnh lẽo, đậm đặc và sau cùng kết dính thành sao mới.

Trôi nổi trong không gian

Nghiên cứu bụi vũ trụ hé lộ những cách thức ngẫu nhiên đưa loại vật chất này đến Trái Đất, với quỹ đạo liên tục thay đổi trong không gian khi bụi di chuyển. Dù vậy, khoa học vẫn chưa thể lý giải chính xác tại sao bụi liên sao trôi nổi theo những lộ trình khác nhau, để rồi vô tình bị hấp dẫn bởi khí quyển một hành tinh nào đó. Giả thuyết được chấp thuận nhiều nhất hiện nay liên quan đến các tia mặt trời gây biến đổi chuyển động của bụi vũ trụ. Từ đây, hiệu ứng Poynting-Robertson xuất hiện, miêu tả một quá trình mà tại đó bức xạ Mặt Trời làm cho bụi vũ trụ bay quanh một ngôi sao bị mất động lượng và bay chậm lại. Các đám bụi từ từ chuyển hướng, bị hút vào trong, về phía Mặt Trời theo những đường xoắn ốc vô hình.

Trên đường di chuyển, bụi vũ trụ sẽ dễ dàng bị “vướng” vào quỹ đạo của một hành tinh, lưu lại dấu vết trên mặt đất và “định cư” trên bề mặt của nó. Với Matthew Genge, đây là cơ hội tuyệt vời để nghiên cứu về sự hình thành của hệ Mặt Trời vì bụi vũ trụ đem theo “thông điệp siêu nhỏ” về các thiên thạch và sao chổi, kết hợp với khảo sát các vẫn thạch (phần còn lại của thiên thạch đến từ vùng không gian giữa các hành tinh bay vào khí quyển, bị cháy mất một phần và rơi xuống bề mặt Trái Đất) để đem tới kết luận hoàn chỉnh nhất.

Khoa học nhận định, bụi vũ trụ giống như một hệ sinh thái, chi phối nhiều biến đổi quan trọng của không gian. Không chỉ quan tâm đến nguồn gốc của bụi vũ trụ, các nghiên cứu tập trung truy xuất dữ liệu về lịch sử của Trái Đất theo từng giai đoạn khác nhau. Tranh cãi gay gắt nhất hiện nay xoay quanh tiềm năng bụi vũ trụ “rải” sự sống trong khắp không gian từ lúc vũ trụ hình thành. Nhiều quan điểm tán thành ý tưởng bụi từ các thiên thạch mang theo các amino acid thiết yếu và còn nguyên vẹn tới Trái Đất cách đây khoảng 4 tỷ năm. Đây là thành phần quan trọng, cấu thành nên các protein khác nhau, đảm nhiệm nhiều vai trò và chức năng trong các hoạt động sống của cơ thể.

Rất trùng hợp, ở vào khoảng thời gian này, Trái Đất bị “ném bom nặng nề” bởi nhiều vật thể từ ngoài vũ trụ trong thời kỳ các sao chổi và thiên thạch rơi dữ dội vào Mặt Trời để giải phóng các đám bụi lớn. Ngoài ra, khoa học cũng tin rằng bụi vũ trụ đóng vai trò quan trọng cho quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng. Hãy tưởng tưởng cuộc sống dưới đáy đại dương sâu thẳm, tách biệt với mặt đất đến mức các sinh vật sống lúc nào cũng “thèm khát” nguyên tố vi lượng như sắt để tồn tại. Quả thực, chỉ có bụi vũ trụ mới đưa thứ nguyên tố kiểu này đến với sinh vật nơi xa, và bằng chứng rõ ràng nhất được phát hiện ở vùng biển phía nam Đại Tây Dương cùng Nam Băng Dương (khu vực bao quanh Nam Cực).

Hé lộ quá khứ

Một trong những điểm đến lý tưởng của giới khoa học nghiên cứu bụi vũ trụ chính là Nam Cực - “miền đất hứa” hoang sơ nhất trên Trái Đất cho phép con người phát hiện các đồng vị ngoài hành tinh dễ dàng hơn mà không bị lẫn với các yếu tố khác. Chuyến đi gần đây nhất của Matthew Genge và đồng nghiệp đã tìm thấy đồng vị sắt 60 (Fe-60), một trong nhiều biến thể phóng xạ hiếm của sắt. Suy luận phỏng đoán loại bụi chứa đồng vị này liên quan tới sự hình thành thiên hà của Trái Đất, cũng như cấu tạo của nhiều ngôi sao giữa các vì sao được định hình sau khi nhiều siêu tân tinh phát nổ ở vùng lân cận Trái Đất cách đây khoảng hơn 3 triệu năm.

Thí nghiệm với một loại bụi liên sao chứa các hạt thủy tinh nhỏ với sulfur có thể hé lộ vết tích liên quan tới “thời kỳ sơ sinh” của hệ Mặt Trời. Các chuyên gia phát hiện thứ bụi kì lạ do nhiều “hạt nhỏ” và “hạt phụ” (được nhiều loại carbon khác nhau bao quanh) tạo nên. Những hạt này vốn được coi như vật liệu cơ bản cấu thành các hành tinh và ngôi sao trong vũ trụ thuở ban đầu. Chúng hấp thụ ánh sáng phổ kiến từ sao, sau đó phát lại bức xạ ở dạng bước sóng hồng ngoại. Nhờ khả năng hấp thụ và phát xạ này, giới nghiên cứu đã có thêm công cụ để giải mã sự hình thành của nhiều thiên thể trong vũ trụ.

Nghiên cứu sâu hơn về lượng bụi trong một lõi băng ở Nam Cực cho thấy khoảng 40.000 tấn vật chất rơi xuống Trái Đất mỗi năm, và điều này kéo dài ổn định trong suốt hơn 300 thế kỷ. Phát hiện độc đáo ở Nam Cực, trước hết, đã phủ định hoàn toàn quan điểm bụi vũ trụ là cứu tinh có thể xoay chuyển khí hậu Trái Đất, rằng đám bụi tạo lớp mây mù bao phủ trên cao so với mực nước biển, từ đó xoá bỏ thời kỳ băng giá khắc nghiệt trong quá khứ cách đây hàng nghìn năm. Sau đó, điều này mở ra cơ hội khảo sát khí quyển “hành tinh xanh” trong quá khứ, thay vì chỉ khảo sát các hoá thạch dưới đáy đại dương, cùng hàng tá những phép đo nồng độ oxygen ở các độ sâu khác nhau.

Phát hiện những hạt bụi niên đại 2,7 tỉ năm tuổi phát hiện ở Australia đều mang vết tích của oxygen trên Trái Đất cho thấy khí quyển cổ đại của Trái Đất vô cùng giàu oxygen, trái ngược với quan điểm Trái Đất từng có thời kỳ “biến mất” oxygen. Giới nghiên cứu thiên văn thừa nhận, bụi vũ trụ nóng dần lên trong khi bay xuyên qua các tầng khí quyển Trái Đất, và chúng phản ứng mãnh liệt với không khí ở địa cầu. Các phép đo phát hiện tỉ lệ đồng vị oxygen trong các hạt bụi vũ trụ xấp xỉ mức ở mặt đất, cho thấy chúng đã phần nào “nuốt” oxygen. Như vậy, bụi vừa mang theo oxygen, lại là ngôi nhà nơi hình thành băng đá và các phân tử hữu cơ phức tạp, trở thành khởi nguồn cho sự sống. Có lẽ điều này khá hợp lý với suy nghĩ “con người chúng ta đều từ cát bụi mà ra”...