Mười năm trước, các nhà thiên văn học từ nhiều tổ chức khác nhau, bao gồm cả NASA và Viện Tìm kiếm trí tuệ ngoài Trái Đất (SETI), đã bắt đầu lập bản đồ vành đai tiểu hành tinh bằng cách theo dõi các thiên thạch lao qua bầu khí quyển Trái Đất.

Để thực hiện điều này, họ xây dựng một mạng lưới các camera toàn bầu trời trên khắp thế giới, gọi là Đài quan sát cầu lửa toàn cầu (Global Fireball Observatory).

“Đây là một câu chuyện trinh thám kéo dài cả thập kỷ, với mỗi lần thiên thạch rơi đều cung cấp thêm manh mối mới,” Peter Jenniskens, một trong những người sáng lập dự án đến từ Viện SETI và Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA, cho biết trong một tuyên bố. “Giờ đây chúng tôi đã có những nét phác thảo đầu tiên của bản đồ địa chất vành đai tiểu hành tinh.”

Đồng nghiệp của Jenniskens, Hadrien Devillepoix từ Đại học Curtin, nói thêm: “Những người khác cũng xây dựng các mạng lưới tương tự trên toàn cầu, cùng nhau tạo thành Đài quan sát cầu lửa toàn cầu. Qua nhiều năm, chúng tôi đã theo dõi quỹ đạo của 17 vụ thiên thạch rơi được phục hồi.”

Nghiên cứu của nhóm đã được công bố hôm 17-3 trên tạp chí Meteoritics & Planetary Science.

Từ vành đai tiểu hành tinh đến bầu khí quyển Trái Đất

Thiên thạch là những tảng đá từ không gian sống sót sau khi băng qua bầu khí quyển Trái Đất và rơi xuống mặt đất. Không chỉ là những vệt sáng rực rỡ trên bầu trời, những mảnh vỡ cổ đại này là một trong những vật chất lâu đời nhất của Hệ Mặt Trời, có nguồn gốc từ các hành tinh, tiểu hành tinh và sao chổi.

Tuy nhiên, phần lớn thiên thạch có nguồn gốc từ vành đai tiểu hành tinh chính của Hệ Mặt Trời – một vùng rộng lớn nằm giữa quỹ đạo của sao Hỏa và sao Mộc, nơi có hơn một triệu tiểu hành tinh quay quanh Mặt Trời.

Sự hình thành của vành đai này vẫn là chủ đề gây tranh cãi, nhưng các nhà thiên văn tin rằng nó có niên đại khoảng 4,5 tỷ năm, gắn liền với sự hình thành các hành tinh trong Hệ Mặt Trời. Các tiểu hành tinh này được cho là các hành tinh nhỏ (planetesimal) còn sót lại, những khối cấu thành các hành tinh nhưng chưa bao giờ kết hợp hoàn chỉnh thành một thiên thể lớn.

Vành đai tiểu hành tinh chứa các vùng mảnh vỡ được gọi là cụm, hình thành khi các tiểu hành tinh lớn vỡ ra do các va chạm ngẫu nhiên. Những mảnh nhỏ hơn này vẫn tập trung lại và được gọi là “các gia đình/họ” tiểu hành tinh.

Bằng cách đo các nguyên tố phóng xạ có trong thiên thạch, các nhà thiên văn có thể xác định tuổi của chúng và đối chiếu với “tuổi động lực học” của các vùng mảnh vỡ tiểu hành tinh. Tuổi động lực học là khoảng thời gian trôi qua kể từ khi một tiểu hành tinh hoặc nhóm tiểu hành tinh bị phá vỡ hoặc phân tán, được xác định bằng cách nghiên cứu cách các vật thể này đã lan rộng ra theo thời gian do chuyển động và tương tác như lực hấp dẫn hoặc các va chạm.

Cụm tiểu hành tinh càng phân tán thì vùng  mảnh vỡ đó càng có tuổi thọ lâu đời hơn. Về cơ bản, điều này cho phép ước tính khoảng thời gian kể từ sự kiện gây ra sự phân tán ban đầu.

Bằng cách phân tích dữ liệu thu thập từ việc quan sát bầu trời đêm, kết hợp các đoạn video và hình ảnh chụp các vệt sáng thiên thạch, Devillepoix, Jenniskens và các cộng sự đã lần ra nguồn gốc của 75 thiên thạch trong vành đai tiểu hành tinh.

“Sáu năm trước, chỉ có những gợi ý rằng các loại thiên thạch khác nhau đến từ những quỹ đạo khác nhau, nhưng giờ đây, số lượng quỹ đạo đã đủ lớn để các mô hình rõ ràng dần hiện ra,” họ viết trong bài báo.

Một phát hiện đặc biệt thú vị xoay quanh các thiên thạch chondrite thông thường giàu sắt hay còn gọi là “H chondrites” – một trong những loại thiên thạch phổ biến nhất rơi xuống Trái Đất. Thành phần hóa học của chúng được coi là nguyên thủy vì chúng chưa từng bị nóng chảy và hầu như không có nhiều tương tác hóa học kể từ khi hình thành – khiến chúng trở thành “cỗ máy thời gian” quý giá để hiểu về Hệ Mặt Trời sơ khai.

“Giờ đây chúng tôi nhận thấy rằng 12 thiên thạch chondrite thông thường giàu sắt (H chondrites) có nguồn gốc từ một vùng mảnh vỡ có tên ‘Koronis’, nằm ở khu vực thấp của vành đai chính còn nguyên vẹn,” Jenniskens cho biết. “Những thiên thạch này đến từ các quỹ đạo có độ nghiêng thấp với chu kỳ quỹ đạo phù hợp với vùng mảnh vỡ này.

“Bằng cách đo tuổi phơi nhiễm tia vũ trụ của các thiên thạch, chúng tôi có thể xác định rằng ba trong số mười hai thiên thạch này có nguồn gốc từ cụm Karin trong Koronis, có tuổi động lực học là 5,8 triệu năm, và hai thiên thạch khác đến từ cụm Koronis2, có tuổi động lực học từ 10-15 triệu năm,” ông tiếp tục. “Một thiên thạch khác có thể giúp xác định tuổi của cụm Koronis3 là khoảng 83 triệu năm.”

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng nhiều nhóm thiên thạch, bao gồm cả H chondrites, có nguồn gốc từ các vùng khác nhau trong vành đai tiểu hành tinh. Một số H chondrites có tuổi khoảng 6 triệu năm đến từ họ tiểu hành tinh Nele, trong khi những thiên thạch khác, với tuổi phơi nhiễm khoảng 35 triệu năm, đến từ vành đai chính bên trong, có khả năng là từ họ tiểu hành tinh Massalia.

Họ cũng phát hiện rằng nhóm thiên thạch phổ biến thứ hai, chondrite đá L, và nhóm thiên thạch đá hiếm nhất, LL chondrite, chủ yếu đến từ vành đai chính bên trong, có nguồn gốc từ các họ tiểu hành tinh Flora và Hertha. Đặc biệt, các L chondrites có nguồn gốc từ một vụ va chạm dữ dội cách đây 468 triệu năm.

Mặc dù đây là một trong những bản đồ chi tiết nhất về vành đai tiểu hành tinh cho đến nay, nhưng không phải tất cả thiên thạch trong cơ sở dữ liệu đều đã được truy nguyên rõ ràng và một số kết quả vẫn còn chưa chắc chắn.

Tuy nhiên, đối với Devillepoix và Jenniskens, đây mới chỉ là bước khởi đầu.

“Chúng tôi tự hào về những gì đã đạt được, nhưng vẫn còn một chặng đường dài phía trước,” Jenniskens nói. “Giống như những nhà vẽ bản đồ đầu tiên phác thảo hình dạng của nước Úc, bản đồ của chúng tôi cho thấy một ‘lục địa’ với vô số khám phá vẫn đang chờ đợi khi ngày càng có nhiều vụ thiên thạch rơi được ghi nhận.”

Hình minh họa cho thấy một vùng các thiên thạch nhỏ trong không gian, với Trái Đất ở phía xa. Ảnh: Robert Lea