Sao Hỏa từng là một hành tinh rất ẩm ướt, như thể hiện rõ trong các đặc điểm địa chất bề mặt của nó. Các nhà khoa học biết rằng trong 3 tỷ năm qua, ít nhất một số nước đã đi sâu xuống lòng đất, nhưng điều gì đã xảy ra với phần còn lại?
Kính viễn vọng không gian Hubble của NASA và tàu thăm dò MAVEN đang giúp giải mã bí ẩn đó.
"Chỉ có hai nơi nước có thể đi đến. Nước có thể đóng băng trong lòng đất, hoặc phân tử nước có thể vỡ thành các nguyên tử, và các nguyên tử có thể thoát khỏi đỉnh khí quyển vào không gian", John Clarke, người đứng đầu nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý Không gian tại Đại học Boston ở Massachusetts, giải thích.
Để hiểu được lượng nước có bao nhiêu và điều gì đã xảy ra với nó, chúng ta cần hiểu cách các nguyên tử thoát vào không gian.
Clarke và nhóm của ông đã kết hợp dữ liệu từ Hubble và MAVEN để đo số lượng và tốc độ thoát hiện tại của các nguyên tử hydro thoát ra ngoài không gian. Thông tin này cho phép họ suy diễn tốc độ thoát ngược theo thời gian để hiểu được lịch sử của nước trên hành tinh đỏ. Nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Science Advances.
Các phân tử nước trong bầu khí quyển sao Hỏa bị ánh sáng mặt trời phân tách thành các nguyên tử hydro và oxy. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã đo hydro và deuterium, là một nguyên tử hydro có một neutron trong hạt nhân của nó. Nơtron này tạo ra deuterium gấp đôi khối lượng hydro (gọi là hydro nặng). Vì khối lượng của nó cao hơn, deuterium thoát ra không gian chậm hơn nhiều so với hydro thông thường.
Theo thời gian, khi lượng hydro bị mất nhiều hơn đã làm tăng tỷ lệ deuterium so với hydro tích tụ trong khí quyển. Đo tỷ lệ này ngày nay giúp các nhà khoa học có manh mối về lượng nước có trong thời kỳ ấm áp, ẩm ướt trên sao Hỏa.
Bằng cách nghiên cứu cách các nguyên tử này hiện thoát ra, họ có thể hiểu được các quá trình xác định tỷ lệ thoát ra trong bốn tỷ năm qua và từ đó suy ngược thời gian.
Mặc dù hầu hết dữ liệu của nghiên cứu đều đến từ tàu vũ trụ MAVEN, nhưng MAVEN không đủ nhạy để quan sát được sự phát xạ deuterium vào mọi thời điểm trong năm trên sao Hỏa. Không giống như Trái Đất, sao Hỏa dao động xa khỏi mặt trời trong quỹ đạo hình elip của nó trong suốt mùa đông dài trên sao Hỏa, và sự phát xạ deuterium trở nên mờ nhạt.
Chính vì vậy Clarke và nhóm của ông cần dữ liệu của Hubble để "lấp đầy chỗ trống" và hoàn thành một chu kỳ hàng năm trong ba năm trên sao Hỏa (mỗi năm bằng 687 ngày Trái Đất). Hubble cũng cung cấp thêm dữ liệu từ năm 1991 - trước khi MAVEN đến sao Hỏa vào năm 2014.
Sự kết hợp dữ liệu giữa các sứ mệnh này đã cung cấp cái nhìn toàn diện đầu tiên về các nguyên tử hydro thoát khỏi sao Hỏa và bay vào không gian.
Bầu khí quyển sao Hỏa năng động và hỗn loạn hơn ta tưởng
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng sao Hỏa có chu kỳ hàng năm năng động hơn nhiều so với những gì mọi người mong đợi cách đây 10 hoặc 15 năm, Clarke giải thích: "Toàn bộ bầu khí quyển rất hỗn loạn, nóng lên và nguội đi trong thời gian ngắn, thậm chí xuống đến hàng giờ. Bầu khí quyển giãn nở và co lại khi độ sáng của mặt trời trên sao Hỏa thay đổi 40 phần trăm trong suốt một năm trên sao Hỏa".
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng tốc độ thoát của hydro và deuterium thay đổi nhanh chóng khi sao Hỏa ở gần mặt trời. Trong bức tranh cổ điển mà các nhà khoa học đã có trước đây, những nguyên tử này được cho là khuếch tán chậm lên trên qua bầu khí quyển đến độ cao mà chúng có thể thoát ra.
Nhưng bức tranh đó không còn phản ánh chính xác toàn bộ câu chuyện nữa, vì giờ đây các nhà khoa học biết rằng điều kiện khí quyển thay đổi rất nhanh. Khi sao Hỏa ở gần mặt trời, các phân tử nước bay lên qua khí quyển rất nhanh, giải phóng các nguyên tử ở độ cao lớn.
Phát hiện thứ hai là những thay đổi trong hydro và deuterium diễn ra quá nhanh đến mức sự thoát nguyên tử cần thêm năng lượng để giải thích chúng. Ở nhiệt độ của tầng khí quyển trên, chỉ một phần nhỏ các nguyên tử có đủ tốc độ để thoát khỏi lực hấp dẫn của sao Hỏa.
Các nguyên tử nhanh hơn (siêu nhiệt) được tạo ra khi có thứ gì đó cung cấp cho nguyên tử một cú hích năng lượng bổ sung. Những sự kiện này bao gồm va chạm từ các proton gió mặt trời đi vào khí quyển hoặc ánh sáng mặt trời thúc đẩy các phản ứng hóa học trong tầng khí quyển trên.
Nghiên cứu lịch sử của nước trên sao Hỏa không chỉ là nền tảng để hiểu các hành tinh trong hệ mặt trời của chúng ta mà còn là quá trình tiến hóa của các hành tinh có kích thước bằng Trái Đất xung quanh các ngôi sao khác. Các nhà thiên văn học đang tìm thấy ngày càng nhiều các hành tinh này, nhưng chúng rất khó để nghiên cứu chi tiết.
Sao Hỏa, Trái Đất và Sao Kim đều nằm trong hoặc gần vùng có thể sinh sống của hệ mặt trời, vùng mà nước dạng lỏng có thể đọng lại trên một hành tinh đá. Tuy nhiên cả ba hành tinh này đều có điều kiện hiện tại khác biệt đáng kể.
Cùng với các hành tinh chị em của mình, Sao Hỏa có thể giúp các nhà khoa học nắm bắt được bản chất của các thế giới xa xôi trên khắp thiên hà của chúng ta.