Manh mối mới về đồng vị ôxy khởi nguyên hệ mặt trời

Ôxy là nguyên tố nhiều nhất trên Trái Đất, chiếm tới gần một nửa khối lượng của hành tinh. Trong số 3 đồng vị ổn định của ôxy, đồng vị oxy 16 (hạt nhân chứa 8 nơtron) chiếm tới 99,762% tỉ lệ ôxy trên Trái Đất, trong khi đồng vị ôxy 17 (9 nơtron trong hạt nhân) chỉ chiếm 0,038%, đồng vị nặng nhất - đồng vị ôxy 18 (10 nơtron) chiếm 0,2%.

Nhưng các khoáng chất trong các vật thể nguyên thuỷ nhất thuộc Thái Dương hệ, trong đó có thiên thạch có tên chondrite cacbon, lại chứa tỉ lệ đồng vị ôxy tương đối khác so với Trái Đất. Có lẽ các đồng ôxy nặng hiếm hơn đã từng tổn tại với tỉ lệ nhiều hơn vào giai đoạn đầu của hệ mặt trời.

Musahid (Musa) Ahmed – nhà khoa học nghiên cứu đường vận động phân tử thuộc ban khoa học hoá chất thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley – cho biết: “Đối với một nhà hoá học, câu hỏi đặt ra cho tỉ lệ đồng vị ôxy là câu hỏi giúp chúng tôi hiểu được nguồn gốc của hệ mặt trời. Tại sao tỉ lệ đồng vị ôxy trong thiên thạch lại khác biệt đáng kể so với tỉ lệ trên trái đất – câu hỏi đã làm băn khoăn các nhà khoa học nhiều năm qua”.

Rất nhiều mô hình đã được thiết lập để giải thích sự khác biệt này thông qua các chu trình hoá học, trong đó bao gồm cả giả thuyết cho rằng tỉ lệ đồng vị trong hệ mặt trời của chúng ta là do chúng được sinh ra từ một ngôi sao kỳ lạ, hoặc là ở nhiều ngôi sao khác nhau. Các mô hình thông qua quá trình hoá học theo Ahmed là “không có tác dụng”, hay nói một cách thuyết phục hơn: các quá trình hóa học trong tinh vật mặt trời bản thân nó đã làm tăng tỉ lệ đồng vị ôxy. Một quá trình trong đó được gọi là “đồng vị tự chắn”. Phân tử mang ôxy có nhiều nhất trong tinh vân mặt trời là cacbon mono-ôxit, CO. Quá trình tự chắn được coi là chìa khóa giải thích tỉ lệ lớn của ôxi tạo thành khi CO bị phân tách dưới ánh sáng cực tím chân không, hay tia VUV. VUV có bước sóng vào khoảng 200 đến 10 nanomet.

Có thể quan sát thấy quá trình tự chắn trong các đám mây khí bụi trong vũ trụ. Khi ánh sáng VUV mạnh từ một ngôi sao gần đó xâm nhập vào đám mây, nó sẽ bẻ gãy cấu trúc phân tử CO thành nguyên tử cacbon và ôxy. Các đồng vị khác nhau thì hấp thụ photon VUV với năng lượng khác nhau, tuy nhiên ở gần rìa của đám mây các nguyên tử CO mang đồng bị ôxy 16 có số lượng nhiều nhất sẽ hấp thụ các photon mà đồng vị ôxi 16 hấp thụ được. Do đó đồng vị ôxy 16 được chắn sâu hơn vào trong đám mây. Nhưng đồng vị ôxi 17 và 18 hấp thụ năng lượng khác lại không được chắn. Lúc đó bên trong đám mây, các phân tử CO mang đồng vị nặng hơn bị phân tách nhiều hơn nên giải phóng ra phân tử ôxy nặng hơn.

Hoàn hoàn hợp lý nếu suy đoán rằng có một quá trình tương tự đã diễn ra vào giai đoạn đầu của hệ mặt trời. Khi đó mặt trời nguyên thuỷ phát ra tia VUV tác động lên CO nằm ở một vùng nóng gần đó, hoặc có thể ở một vùng lạnh hơn phía xa. Liệu quá trình tự chắn VUV có thực sự diễn ra dưới điều kiện như thế hay không? Nếu có thì tác động của nó đối với tỉ lệ đồng vị ôxy như thế nào? Cho đến nay vẫn chưa hề có câu trả lời, còn các giả thuyết cũng chưa hề được tiến hành kiểm định.

Ahmed cho biết: “Mark Thiemens thuộc Đại học California, San Diego đã liên lạc với chúng tôi để sử dụng đường vận động phân tử 9.0.2 trong một thí nghiệm trực tiếp. Nguồn ánh sáng cao cấp (Advanced Light Source – ALS) tạo ra photon VUV có thể được điều chỉnh chính xác thành các mức năng lượng khác nhau để phân tách CO”.

Nhà hóa học vũ trụ Thiemens đã đi tìm lời giải đáp cho câu hỏi về đồng vị ôxy trong hệ mặt trời hơn 30 năm nay. Ông là thành viên nhóm khoa học của tàu vũ trụ Genesis đã mang mẫu vật trong gió mặt trời trở về. Ông tin rằng con đường hệ mặt trời hình thành và phát triển không thể suy ra từ việc tìm hiểu đặc tính hoá học vũ trụ của ôxy. 

Mặt Trời dưới ánh sáng cực tím. Khi Thái Dương hệ hình thành, mặt trời nguyên thuỷ là nguồn tia cực tím vô cùng lớn. (Ảnh: NASA)

Cùng với quá trình quang ly CO trong hệ mặt trời nguyên thủy, nước cũng đồng là một nhân tố chủ chốt trong quá trình. Nước và CO tạo nên đặc tính hoá học khó hiểu, chúng gắn kết các đồng vị ôxy nặng hơn vào khoáng chất hình thành nên các thiên thạch cổ xưa nhất, từ đó tạo nên tất cả các vật thể trong hệ mặt trời.

Ahmed giải thích: “Bước đầu tiên là quá trình quang ly CO thành nguyên tử cacbon và nguyên tử ôxy. Ôxy sau đó kết hợp với nguyên tử hiđrô tạo nên gốc hydroxyl – OH - dễ dàng kết hợp với một nguyên tử hiđrô nữa để tạo nước. Tất cả các quá trình trên có lẽ đều diễn ra trên một phần tử bụi. Do đó ôxy trong nước chuyển dấu hiệu đồng vị của nó vào silicat. Các đồng vị ôxy khác nhau duy trì qua các bước trên. Thí nghiệm của chúng tôi tìm hiểu những gì diễn ra ở bước đầu tiên”.

Trong thí nghiệm, cacbon mono-ôxit có độ tinh khiết cực cao được đưa qua phòng thí nghiệm và tiếp xúc với tia photon VUV phát ra từ một Xyncrotron với lần lượt 4 bước sóng khác nhau. 4 bước sóng đó có vai trò quan trọng đối với giả thuyết tự chắn. Thời gian tiếp xúc với mỗi bước sóng tương đối dài, từ khoảng trên 3 tiếng đến gần 16 tiếng.

Khi nguyên tử cacbon và nguyên tử ôxi bị phân tách, ôxy nhanh chóng tái hợp với phân tử CO chưa bị bẻ gãy để tạo cacbon điôxit. Cacbon điôxit được tập hợp trong ống nitơ lỏng làm lạnh. Subrata Chakraborty - hậu tiến sĩ trong nhóm của Thiemens kiêm tác giả chính của bài báo công bố kết quả nghiên cứu – đã đưa các mẫu thí nghiệm đến đại học California San Diego. Chakraborty đã tách ôxy từ cacbonic. Sau đó ông xác định tỉ lệ đồng vị dựa trên phép đo phổ khối lượng giúp tách biệt các đồng vị theo khối lượng của chúng.

Ahmed cho biết: “Kết quả đã làm chúng tôi ngạc nhiên. Chúng tôi đã dự định chứng minh quá trình tự chắn VUV có liên quan đến tỉ lệ đồng vị ôxy cấu thành nên những vật thể cổ xưa trong hệ mặt trời. Nhưng cuối cùng lại không cần phải dùng đến quá trình tự chắn”.

Những khác biệt mà các nhà nghiên cứu tìm ra trong phản ứng của CO đối với các bước sóng khác nhau trong thí nghiệm lại không phải khác biệt mà giả thuyết tự chắn dự đoán. Thực chất các khác biệt đó có liên đến những đặc tính điện của phân tử CO không liên quan gì đến tự chắn.

Chỉ các đặc tính lý hoá cơ bản cũng đủ để tạo ra tỉ lệ cao hơn của các đồng vị nặng hơn. Tỉ lệ đó cũng rất khớp với tỉ lệ có trong các mẫu vật thuộc hệ mặt trời nguyên thủy. Các tác giả kết luận rằng những vùng lạnh trong tinh vân mặt trời thực tế và địa điểm tiềm năng để hình thành vùng chứa ôxy với lượng tương đối lớn các đồng vị nặng nhưng không hề nhờ đến quá trình tự chắn.

Ahmed phát biểu: “Chúng ta có thể thấy tỷ lệ đồng vị mà tàu Genesis mang về, nhưng nó không thể nói cho chúng ta biết con đường hình thành nên nó. Tỉ lệ đồng vị bản thân nó không giải thích được tại sao có sự khác biệt trong tỉ lệ giữa vũ trụ thời kỳ đầu và ngày nay. Do đó vẫn cần phải tiến hành nghiên cứu rất nhiều trong phòng thí nghiệm. Một trong các bước tiếp theo là nghiên cứu phản ứng giữa ôxy, nước và silicat. Chúng được tạo thành trong những mẩu đá đầu tiên của hệ mặt trời. Đó là loại thí nghiệm mà đường vận động phân tử 9.0.2 được thiết kế để biểu diễn. Nó giúp nghiên cứu đặc tính hoá học trong môi trường như khoảng không giữa các vì sao, môi trường trên Trái Đất của chúng ta, trong động cơ đốt cháy và trong bầu khí quyển Trái Đất”.

Nghiên cứu được NASA và Bộ năng lượng Hoa Kỳ tài trợ.

Tham khảo:

Subrata Chakraborty, Musahid Ahmed, Teresa L. Jackson, and Mark H. Thiemens. Experimental Test of Self-Shielding in Vacuum Ultraviolet Photodissociation of CO. Science, 2008; 321 (5894): 1328 DOI: 10.1126/science.1159178