Kể từ khi hình thành, Moon chủ yếu bị định hình bởi các vụ va chạm với tiểu hành tinh. Những va chạm này tạo ra các miệng hố và lưu vực khổng lồ, đồng thời làm thay đổi mạnh mẽ bề mặt và thành phần hóa học của Mặt Trăng. Tuy vậy, các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn những tác động lớn này đã ảnh hưởng sâu đến nội bộ của Mặt Trăng đến mức nào.

Để tìm hiểu, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Hengci Tian tại Chinese Academy of Sciences dẫn đầu đã phân tích các mẫu bazan Mặt Trăng do sứ mệnh Chang’e-6 mang về. Các mẫu này được thu thập từ South Pole–Aitken Basin, một trong những cấu trúc va chạm lớn nhất trong Hệ Mặt Trời. Kết quả cho thấy các mẫu đá này chứa đồng vị kali (K) “nặng” bất thường so với tất cả các mẫu bazan Mặt Trăng từng được nghiên cứu trước đó từ các sứ mệnh Apollo program và thiên thạch Mặt Trăng.

Đồng vị kali – “dấu vết” của các quá trình va chạm

Các nhà khoa học tập trung vào kali vì đây là nguyên tố dễ bay hơi ở mức trung bình, có thể dễ dàng hóa hơi ở nhiệt độ cực cao do các vụ va chạm lớn tạo ra. Khi điều này xảy ra, quá trình phân đoạn đồng vị có thể diễn ra, làm thay đổi tỷ lệ giữa các đồng vị kali khác nhau.

Nhờ đặc tính này, đồng vị kali có thể lưu giữ thông tin về điều kiện trong quá trình va chạm. Thành phần của chúng có thể tiết lộ nhiệt độ, áp suất và vật liệu tham gia va chạm. Dữ liệu này cũng giúp các nhà khoa học tái dựng quy mô của vụ va chạm, lịch sử nhiệt và cách nó làm thay đổi lớp vỏ và lớp phủ của Mặt Trăng.

Với mục tiêu đó, nhóm nghiên cứu đã phân tích kỹ thành phần đồng vị kali trong các mẫu bazan từ Chang’e-6.

Nghiên cứu, công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences, liên kết dấu hiệu đồng vị bất thường này với vụ va chạm khổng lồ đã tạo ra lưu vực Nam Cực – Aitken.

Các nhà khoa học đã đo đồng vị kali trong bốn mảnh bazan bằng phương pháp quang phổ khối plasma cảm ứng ghép đa bộ thu với buồng va chạm sapphire (MC-ICP-MS). Các mẫu từ Chang’e-6 đều cho thấy giá trị δ41K cao hơn bình thường, dao động từ 0,001 ± 0,028‰ đến 0,093 ± 0,014‰ (trung bình: 0,038 ± 0,044‰). Trung bình, giá trị này cao hơn khoảng 0,16‰ so với bazan Mặt Trăng từ Apollo (-0,13 ± 0,06‰), vốn được xem là đại diện cho lớp phủ và phần silicat tổng thể của Mặt Trăng.

Loại trừ các giả thuyết khác

Để giải thích vì sao đồng vị kali trở nên “nặng” bất thường, nhóm nghiên cứu đã xem xét ba khả năng: bức xạ tia vũ trụ kéo dài, sự phân hóa magma và sự nhiễm bẩn từ thiên thạch. Kết quả cho thấy các quá trình này chỉ gây ảnh hưởng rất nhỏ, nằm trong sai số phân tích, và không thể giải thích mức độ tăng của đồng vị kali nặng.

Phân tích sâu hơn cho thấy vụ va chạm khổng lồ hình thành South Pole–Aitken Basin đã gây mất đáng kể các nguyên tố dễ bay hơi, đặc biệt là thông qua sự bay hơi của kali. Sự suy giảm này có thể làm giảm quá trình tạo magma và hoạt động núi lửa ở mặt khuất của Mặt Trăng. Điều này giúp giải thích sự khác biệt lâu nay được quan sát giữa hoạt động núi lửa ở mặt gần và mặt xa của Mặt Trăng.

Các mô phỏng máy tính cũng ủng hộ kết luận này. Chúng cho thấy vụ va chạm khổng lồ có thể đã đào sâu vật chất từ lớp vỏ, thậm chí từ lớp phủ của Mặt Trăng. Đồng thời, nó tạo ra đủ nhiệt để kích hoạt đối lưu trong lớp phủ.

Tổng thể, kết quả cho thấy vụ va chạm tạo ra lưu vực Nam Cực – Aitken đã ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc sâu bên trong của Mặt Trăng. Phát hiện này cũng nhấn mạnh vai trò quan trọng của các vụ va chạm lớn trong việc định hình sự tiến hóa hóa học của lớp vỏ và lớp phủ của các hành tinh.