Mặt Trăng - vệ tinh tự nhiên duy nhất của Trái Đất

Chi tiết: Nguyễn Thị Thu Trang; Trái Đất và sự sống; 20 Tháng 11 2019

Mặt Trăng là vệ tinh duy nhất của Trái Đất. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu một số thông tin cơ bản nhất về thiên thể luôn nhận được sự chú ý của loài người này.

Mặt Trăng trong nhận thức ban đầu của con người

Cùng với Mặt Trời, hình ảnh Mặt Trăng xuất hiện trong nhận thức của con người từ rất sớm. Một trong những mô tả đầu tiên về Mặt Trăng là một tác phẩm điêu khắc đá 5.000 năm tuổi tại Knowth, Ireland. Trong nền văn hóa Hy Lạp cổ đại, Mặt Trăng được đại diện bởi nữ thần Selene, em gái của thần Mặt Trời Helios. Sau khi anh trai hoàn thành chuyến đi qua bầu trời tạo ra ban ngày, Selene sẽ bắt đầu chuyến đi của mình tạo ra màn đêm. Trong thần thoại La Mã, nữ thần được biết đến với cái tên Luna. Đối với người Ai Cập cổ đại thì đại diện cho Mặt Trăng không phải nữ thần mà một vị nam thần. Đó là Thần Thoth – vị thần cai quản Mặt Trăng với hình dáng một người đàn ông có đầu cò. Ông được biết đến như một vị thần sáng tạo và được cho là đã tạo ra chữ viết tay của người Ai Cập. Ở các nước phương Đông, truyền thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất đó là Hằng Nga là nữ thần đại diện cho Mặt Trăng. Ngoài ra một số hình tượng khác cũng gắn liền với Mặt Trăng như Thỏ Ngọc, Chú Cuội…

Selene trong một tác phẩm hội họa cổ.

Con người đã có những hiểu biết khá chính xác về Mặt Trăng từ rất sớm. Và những hiểu biết này chính là những bước nền móng đầu tiên đối với sự hình thành của ngành thiên văn học.

Vào thế kỷ thứ 5 trước công nguyên, các nhà thiên văn học Babylon cổ đại đã ghi lại được 18 lần nguyệt thực. Vào khoảng thế kỷ thứ 4 trước công nguyên, nhà thiên văn học Trung Quốc Shi Shen đã có thể đưa ra những hướng dẫn dự đoán về sự xuất hiện nguyệt thực. Tiếp đó, nhà triết học Hy Lạp cổ đại Anazagoras đã mô tả chính xác Mặt Trăng là một quả cầu đá khổng lồ và ánh sáng của nó chỉ là được phản chiếu từ ánh sáng của Mặt Trời.

Thế kỷ thứ 2 trước công nguyên, Seleucus cho rằng thủy triều được tạo ra do lực hấp dẫn của Mặt Trăng. Claudius Ptolemy (100AD - 170AD) đã tính toán được khoảng cách từ Trái Đất đến Mặt Trăng bằng 59 lần bán kính Trái Đất và đường kính Mặt Trăng bằng 0.292 đường kính Trái Đất, gần với tỷ lệ chính xác lần lượt là khoảng 60 lần (384.403 km) và 0.273 lần đường kính Trái Đất (3.474km).

Năm 1609, khi Galileo Galilei hướng một trong những chiếc kính thiên văn đầu tiên quan sát bề mặt Mặt Trăng, ông đã phát hiện bề mặt của nó không hề bằng phẳng như được công nhận trước đó mà lồi lõm do hậu quả từ các vụ va chạm giữa Mặt Trăng với các thiên thạch và tiểu hành tinh trong Hệ Mặt Trời.

Năm 1959, tàu vũ trụ không người lái Luna 2 của Liên Xô là thiết bị nhân tạo đầu tiên tiếp cận Mặt Trăng. Neil Armstrong, phi hành gia người Mỹ trên tàu vũ trụ Apollo 11 trở thành người đầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng vào ngày 21 tháng 7 năm 1969. Tính đến thời điểm hiện tại (2019), Mặt Trăng cũng là thiên thể duy nhất mà con người đặt chân đến ngoài Trái Đất.

Buzz Aldrin - phi hành gia đi cùng Neil Armstrong trong chuyến đổ bộ đầu tiên của con người lên Mặt Trăng năm 1969.

Sự hình thành và cấu tạo của Mặt Trăng

Mặt Trăng hình thành cách đây 4,51 tỷ năm, khoảng 60 triệu năm sau khi Hệ Mặt Trời hình thành. Rất nhiều giả thuyết về sự hình thành của Mặt Trăng đã được đưa ra, tuy nhiên giả thuyết được chấp nhận rộng rãi nhất đó là hệ Trái Đất – Mặt Trăng được hình thành sau vụ va chạm của Trái Đất với một thiên thể có kích thước tương tự sao Hỏa mà các nhà khoa học đặt tên là Theia. Vụ va chạm đã ném vật chất của cả Trái Đất và Theia bị tách ra sau khi va chạm vào quỹ đạo của Trái Đất và theo thời gian dưới tác động của lực hấp dẫn lớp vật chất này đã bồi tụ lại tạo thành Mặt Trăng.

Mặt Trăng có cấu tạo gồm 3 phần: phần lõi, lớp phủ và lớp vỏ

Lớp lõi Mặt Trăng gồm lớp lõi rắn bên trong giàu sắt với bán kính khoảng 240km và lớp lõi sắt lỏng bên ngoài khoảng 300km.
Lớp phủ Mặt Trăng kéo dài khoảng 1000km bên ngoài lớp lõi. Lớp này có nguồn gốc từ sự kết tinh của đại dương macma ở thời điểm hình thành Mặt Trăng.
Lớp vỏ ngoài của Mặt Trăng có độ dày khoảng 50km với thành phần gồm oxygen, silicon, magnesium, sắt, canxi và nhôm.

Mặt Trăng có kích thước nhỏ và do đó nó không thể giữ được đủ lượng nhiệt cần thiết để duy trì các hoạt động địa chất. Ở thời điểm hiện tại Mặt Trăng gần như không có các hoạt động địa chất.

Một số đặc điểm bề mặt Mặt Trăng

Biển Mặt Trăng

Một trong những đặc điểm dễ nhận biết nhất trên bề mặt Mặt Trăng và có thể dễ dàng quan sát bằng mắt thường đó là những khu vực vùng đồng bằng tối. Những khu vực này còn được gọi là biển Mặt Trăng do trước đây chúng được cho là có chứa đầy nước. Tuy nhiên, hiện tại các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng chúng chỉ là những hồ chứa dung nham cổ đại đã bị rắn hóa. Lượng dung nham này phun trào ở thời kì các hoạt động địa chất của Mặt Trăng còn đang diễn ra (khoảng 3 – 3.5 tỷ năm trước) và chảy tập trung tới những vùng trũng của các hố va chạm. Dung nham trên Mặt Trăng chứa nhiều sắt hơn và không có các khoáng chất từ nước như dung nham tìm thấy được trên Trái Đất. Biển Mặt Trăng xuất hiện phần lớn ở nửa gần Trái Đất do sự tập trung của các nguyên tố sinh nhiệt trong lớp vỏ ở nửa này lớn hơn so với nửa xa Trái Đất.

Phần sáng màu hơn trên bề mặt Mặt Trăng được gọi là cao nguyên bởi phần lớn chúng đều cao hơn khu vực biển. Trên Mặt Trăng cũng có nhiều ngọn núi cao. Tuy nhiên, khác với núi hình thành trên Trái Đất, núi trên Mặt Trăng không được hình thành do hoạt động kiến tạo mà chúng thường là gờ của những hố va chạm trên Mặt Trăng.

Hố va chạm

Từ phát hiện của Galileo Galilei năm 1609, chúng ta biết rằng bề mặt của Mặt Trăng được bao phủ bởi vô số những hố va chạm. Do Mặt Trăng có lớp khí quyển không đáng kể và hầu như không có hoạt động địa chất, những hố va chạm này giữ được hiện trạng của nó một cách khá nguyên vẹn.

Hố va chạm lớn nhất trên bề mặt Mặt Trăng có đường kính khoảng 2.240km nằm ở gần phía cực nam. Đáy của nó sâu 13km và là điểm thấp nhất trên bề mặt Mặt Trăng. Vào những đêm trăng tròn, với một chiếc kính thiên văn đơn giản, chúng ta có thể quan sát miệng hố va chạm cũng như những vệt vật chất bắn ra xung quanh nó một cách khá rõ.

Hình ảnh Mặt Trăng chụp qua kính thiên văn có độ phóng đại 60 lần, có thể thấy rõ những vùng tối được gọi là "biển" và những lỗ thiên thạch trên bề mặt của nó. Hình ảnh được chụp bởi VACA.

Nước

Nước dạng lỏng không thể tồn tại trên bề mặt Mặt Trăng bởi nền nhiệt cao và bức xạ Mặt Trời sẽ nhanh chóng làm chúng bốc hơi vào không gian. Nhiệt độ trung bình ban ngày của Mặt Trăng lên tới 107 độ C. Tuy nhiên sự chênh lệch nhiệt độ trên Mặt Trăng là rất lớn bởi ở những khu vực không được chiếu sáng nhiệt độ trung bình của Mặt Trăng là -153 độ C. Tại những miệng hố va chạm khuất ánh sáng hoặc ở giữa các kẽ nứt, các nhà khoa học đã tìm thấy dấu vết của băng tuyết. Nguồn gốc của những mỏ băng này có thể đến từ các sao chổi trong Hệ Mặt Trời qua các vụ va chạm hoặc có thể nó là kết quả của quá trình phản ứng giữa đá Mặt Trăng chứa nhiều Oxi và Hidro đến từ gió Mặt Trời.

Độ phản xạ bề mặt

Độ phản xạ ánh sáng của Mặt Trăng rất thấp chỉ ngang với mức độ phản xạ ánh sáng của nhựa đường, tuy nhiên Mặt Trăng lại là vật thể sáng thứ hai trên bầu trời sau Mặt Trời. Nguyên nhân là do nền trời xung quanh Mặt Trăng khá tối do đó dù ánh sáng yếu ớt chúng ta vẫn nhìn thấy được sự khác biệt một cách rõ ràng. Ngoài ra hiện tượng Mặt Trăng dường như có kích thước lớn hơn khi nằm ở phía chân trời cũng chỉ là một hiện tượng tâm lý bởi lúc này Mặt Trăng được so sánh với những vật thể nhỏ nằm ở phía chân trời, do đó tạo cảm giác Mặt Trăng dường như lớn hơn.

Hệ Trái Đất – Mặt Trăng

Mặt Trăng thực hiện một vòng quanh Trái Đất và trở về vị trí ban đầu so với nền trời sao mất 27,3 ngày. Tuy nhiên, bởi trong thời gian đó Trái Đất cũng thực hiện chuyển động quanh Mặt Trời nên Mặt Trăng sẽ mất 29,5 ngày để trở về cùng vị trí so với Trái Đất.

Thủy triều

Một trong những sự kiện thể hiện rõ mối liên kết giữa hệ Trái Đất – Mặt Trăng mà chúng ta có thể dễ dàng quan sát được từ Trái Đất đó chính là thủy triều.

Lực hấp dẫn của một vật có khối lượng với vật khác sẽ giảm theo bình phương khoảng cách giữa chúng, do đó có sự chênh lệch giữa lực hấp dẫn mà Mặt Trăng tác động lên nửa Trái Đất nằm gần Mặt Trăng so với nửa Trái Đất nằm phía đối diện tạo nên hiện tượng thủy triều trên Trái Đất.

Hiện tượng này tạo ra 2 phần phình lên trên đại dương của Trái Đất: Một phần nằm đối diện trực tiếp với Mặt Trăng và phần còn lại nằm ở đối diện qua tâm Trái Đất. Trong vòng 24 giờ luôn có hai đợt thủy triều cao và hai đợt thủy triều thấp. Đợt thủy triều thấp nằm vuông góc với khu vực có thủy triều cao.

Thủy triều không chỉ xảy ra đối với đại dương trên Trái Đất mà còn xảy ra đối với lớp vỏ Trái Đất. Tương tự như đối với nước thì thủy triều cũng tạo ra hai phần phình lên trên lớp vỏ rắn của Trái Đất. Do Trái Đất cũng tác động lực thủy triều lên Mặt Trăng đo đó bề mặt Mặt Trăng cũng xuất hiện hai phần phình lên. Về mặt lý thuyết một bên phình lên của Trái Đất sẽ nằm đối diện trực tiếp với một bên phình lên của Mặt Trăng (trên đường thẳng đi qua tâm Trái Đất – Mặt Trăng). Tuy nhiên, trên thực tế, do việc làm biến dạng lớp vật chất rắn cần có thời gian, nhưng trong thời gian này Trái Đất và Mặt Trăng vẫn tiếp tục chuyển động quanh trục dẫn đến việc các điểm phồng lên luôn nằm lệch một chút so với đường nối tâm. Lúc này Trái Đất sẽ tạo ra các mô men xoắn tại điểm phồng bị lệch của Mặt Trăng nhằm kéo nó về vị trí đối diện trực tiếp với phần phồng lên ở Trái Đất. Qua thời gian, nó làm cho chu kỳ tự quay của Mặt Trăng đồng bộ với chính thời gian Mặt Trăng chuyển động quanh quỹ đạo Trái Đất. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng khóa thủy triều (hay khóa triều). Kết quả của hiện tượng khóa thủy triều là Mặt Trăng luôn luôn chỉ hướng một phía về Trái Đất.

Để giữ cho điểm phồng của Trái Đất luôn nằm trên đường nối tâm Trái Đất – Mặt Trăng, hoạt động của các mô-men xoắn làm suy yếu động lượng góc và động năng quay từ sự tự quay của Trái Đất, do đó làm chậm quá trình tự quay này. Phần động lượng bị mất này tạo ra một lực đẩy khiến Mặt Trăng di chuyển ngày một ra xa Trái Đất hơn. Khoảng cách Mặt Trăng Trái Đất tăng 38 mm mỗi năm và ngày Trái Đất cũng dài hơn khoảng 15 mirco giây mỗi năm. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi tốc độ tự quay của Trái Đất bằng với thời gian chuyển động của Mặt Trăng quanh quỹ đạo Trái Đất và tạo ra khóa thủy triều với cả hai chiều. Khi đó, Mặt Trăng và Trái Đất sẽ luôn hướng duy nhất một mặt về phía nhau như trường hợp của Pluto và vệ tinh Charon của nó. Tuy nhiên, trước khi nó có thể xảy ra thì Mặt Trời đã tiến hóa thành một sao khổng lồ đỏ nuốt chửng hệ Trái Đất – Mặt Trăng từ rất lâu rồi.