Khi Mặt Trời Mặt Trăng và Trái Đất vuông góc thi vị trí Trái Đất sẽ nhìn thấy Mặt Trăng như thế nào

Trước hội nghị năm 1984, có các bên ủng hộ ba giả thuyết "truyền thống", một vài người bắt đầu nghiêm túc xem xét lý thuyết va chạm lớn, cùng rất nhiều người khác không có quan điểm rõ ràng và cho rằng cuộc tranh luận sẽ không bao giờ kết thúc. Sau hội nghị, cơ bản chỉ còn có hai phe: phe va chạm lớn và phe bất khả tri.[31]

Mặt Trăng hình thành khoảng hơn 4,5 tỷ năm trước.[27] Nghiên cứu về hafni và wolfram ở vỏ Mặt Trăng gợi ý thiên thể này ra đời sau Hệ Mặt Trời khoảng 50 triệu năm.[35]

Đa số các giả thuyết từ sớm về nguồn gốc hình thành Mặt Trăng theo một trong ba ý tưởng chính.[6]tr.320 Ý tưởng thứ nhất cho rằng vật chất văng ra từ Trái Đất trong thời kỳ đang hình thành bởi lực ly tâm, sau đó tập hợp lại thành Mặt Trăng.[36][37] Tuy nhiên điều này đòi hỏi Trái Đất phải quay nhanh đến mức phi thực tế.[37] Ý tưởng thứ hai giả định trường hấp dẫn của Trái Đất đã thu hút thiên thể Mặt Trăng đến từ nơi khác,[38] nhưng việc này đòi hỏi khí quyển Trái Đất hấp thụ động năng của Mặt Trăng khi nó bay tới - một khả năng rất khó xảy ra.[37] Ý tưởng thứ ba đề xuất sự hình thành cùng lúc của Trái Đất và Mặt Trăng từ đĩa bồi tụ khi Hệ Mặt Trời đang hình thành.[6][37]tr.320 Phương án này không giải thích được tại sao Mặt Trăng lại có các tính chất khác với Trái Đất,[37] ví dụ như ít kim loại hơn hẳn so với Trái Đất.[6]tr.309 Ý tưởng thứ nhất và thứ ba cũng không tiên đoán được mômen động lượng của hệ Trái Đất - Mặt Trăng.[39]

Để giải thích thỏa đáng nhiều bằng chứng thực nghiệm, một giả thuyết khác đã được xây dựng, gọi là giả thuyết va chạm lớn.[6]tr.321[34] Giả thuyết này cho rằng hệ Trái Đất - Mặt Trăng hình thành sau một vụ va chạm lớn, lệch tâm, giữa một thiên thể có kích thước cỡ Sao Hỏa, tên là Theia, với thiên thể tiền Trái Đất.[30][40] Vụ va chạm đã làm văng nhiều vật chất vào không gian, một phần rời xa Trái Đất, một phần dần tích tụ thành một đĩa bồi tụ quanh Trái Đất rồi từ đó hình thành nên Mặt Trăng.[41] Vào một hội nghị bàn về nguồn gốc Mặt Trăng năm 1984 ở Kona, Hawaii, giả thuyết va chạm lớn bắt đầu được đa số tán thành là hợp lý.[31]

Các vụ va chạm lớn được cho là có khả năng xảy ra trong giai đoạn hình thành của Hệ Mặt Trời.[6]tr.510[34] Những mô phỏng vụ va chạm lớn trên máy tính đã cho ra các kết quả phù hợp với khối lượng thực tế của lõi Mặt Trăng và mômen động lượng của hệ Trái Đất – Mặt Trăng.[34][40] Vụ va chạm đã giải phóng rất nhiều năng lượng, đủ để làm nóng chảy lớp vỏ Trái Đất và tạo nên đại dương magma.[42] Tương tự, Mặt Trăng mới hình thành cũng có đại dương magma của nó.[43] Theo giả thuyết va chạm lớn, phần lớn Mặt Trăng được hình thành từ lớp vỏ của Trái Đất và Theia, phù hợp với thành phần ít kim loại và nhiều silicat của nó.[6]tr.321[34] Các nguyên tố dễ bay hơi được giải phóng bởi nhiệt độ cao ở giai đoạn đầu của vụ va chạm, giải thích cho việc không còn vật chất dễ bốc hơi ở trên Mặt Trăng.[6]tr.321 Nếu Mặt Trăng chứa nhiều thành phần của vỏ Trái Đất thì có thể giải thích được sự tương đồng về mặt hóa học của Mặt Trăng với vỏ Trái Đất, ví dụ như về nồng độ đồng vị oxy.[6]tr.321

Tuy giả thuyết va chạm lớn có thể giải thích được nhiều kết quả quan sát song vẫn còn những câu hỏi chưa được giải đáp, đa số liên quan đến thành phần của Mặt Trăng.[34][45] Năm 2001, một nhóm nghiên cứu ở Viện Carnegie tại Washington báo cáo kết quả đo đạc đặc trưng đồng vị oxy trong đá Mặt Trăng có độ chính xác cao, cho thấy tính chất giống với đá ở Trái Đất.[46] Các nghiên cứu khác sau đó cũng chỉ ra tỷ lệ đồng vị wolfram và titani ở vỏ Mặt Trăng giống hệt với Trái Đất.[30][47] Đá Mặt Trăng thu được trong chương trình Apollo có đặc trưng đồng vị giống với đá trên Trái Đất và khác hầu hết các thiên thể khác trong Hệ Mặt Trời.[34][48] Trong khi đó các mô phỏng về vụ va chạm lớn khẳng định trên 40% cho đến phần lớn Mặt Trăng được hình thành từ vật liệu của Theia, chứ không phải từ thiên thể tiền Trái Đất.[30][48] Để giải thích cho sự tương đồng hóa học giữa Mặt Trăng và vỏ Trái Đất, đã có các giả thuyết khác nhau được đưa ra,[47][48] bao gồm cả đề xuất xem xét lại toàn diện giả thuyết va chạm lớn.[34][45] Một số nghiên cứu cho rằng có khả năng Theia tương đồng hóa học với thiên thể tiền Trái Đất,[49] với xác suất tới 20%,[48] dù có ước lượng trước đó chỉ là chưa đến 2%.[50] Một số giả thuyết khác giải thích vỏ Trái Đất và Mặt Trăng đều được tạo ra từ cùng vật liệu được hòa trộn sau sự kiện va chạm lớn,[50][51] dù có nhà nghiên cứu nghi ngờ về khả năng này.[52] Trong mọi trường hợp, sự tương đồng hóa học chứng tỏ Mặt Trăng không hình thành ở xa và độc lập với Trái Đất.[6]tr.321

Giả thuyết va chạm lớn vẫn đang được phát triển để giải thích các quan sát ngày càng chính xác về Mặt Trăng.[34][53][54] Một ý tưởng cho rằng vật liệu văng ra từ vụ va chạm lớn ban đầu hình thành nên hai thiên thể vệ tinh của Trái Đất.[55] Sau đó, chúng nhập lại thành Mặt Trăng trong một va chạm ở tốc độ thấp.[55] Ý tưởng này giải thích được việc vỏ Mặt Trăng ở mặt xa dày hơn so với mặt gần.[55]

Mặt Trăng có hình dạng gần ellipsoid do tác động của lực thủy triều, với trục lớn lệch khoảng 30° so với phương nối đến Trái Đất.[57] Trục lớn của ellipsoid cũng lệch khoảng 30° so với trục lớn của trường trọng lực Mặt Trăng, vì trục lớn của trường trọng lực gần trùng với phương nối đến Trái Đất.[57] Hình dạng của Mặt Trăng hơi méo hơn so với mức gây ra bởi lực thủy triều hiện tại.[57] Hóa thạch hình dạng này gợi ý về lịch sử của Mặt Trăng.[57] Mặt Trăng đã nguội và đông cứng khi lực thủy triều còn mạnh, lúc nó cách Trái Đất chỉ khoảng một nửa khoảng cách hiện nay.[57] Ngày nay, nó đã quá lạnh và cứng đến mức không thể điều chỉnh hình dạng lại cho phù hợp với lực thủy triều yếu hơn ở quỹ đạo hiện tại.[57]

Với khối lượng riêng trung bình 3,3 g/cm3, bằng 1/5 so với Trái Đất,[25]tr.226 Mặt Trăng dường như chứa chủ yếu đất đá silicat và thiếu kim loại [như sắt] hơn hẳn Trái Đất.[6]tr.309 So với các vệ tinh tự nhiên lớn của các hành tinh trong Hệ Mặt Trời thì Mặt Trăng có khối lượng riêng xếp thứ hai chỉ sau Io.[6]tr.410,412,423

Cấu trúc bên trongSửa đổi

Cấu trúc bên trong của Mặt Trăng được phân tách thành ba thành phần khác biệt về mặt hóa địa chất là lớp vỏ, lớp phủ và lõi.[7]

Lõi Mặt Trăng có ít nhất một phần nóng chảy, có độ dẫn điện cao và khối lượng riêng lớn hơn lớp phủ.[7]tr.326 Tuy nhiên thành phần hóa học của lõi Mặt Trăng chưa được xác định chắc chắn.[7]tr.326 Có giả thuyết cho rằng lõi gồm hợp kim sắt-sắt sulfide-carbon nóng chảy với bán kính dưới 375km.[7]tr.326 Cũng có giả thuyết khác chỉ ra lõi lớn hơn một chút với thành phần gồm silicat nóng chảy pha thêm sắt và titani.[7]tr.326 Lõi này có thể gồm phần lõi trong rắn chiếm khoảng 40% thể tích, và phần lõi ngoài nóng chảy chiếm khoảng 60% thể tích.[58]

Bao quanh lõi là phần trong của lớp phủ có bán kính khoảng 480km đến 587km, một phần cũng bị nóng chảy.[7]tr.325[58] Cấu trúc lớp phủ ở tầng trên được cho là đã hình thành theo cơ chế kết tinh từ một đại dương magma tồn tại ngay sau khi Mặt Trăng hình thành vào khoảng 4,5tỷ năm trước.[7]tr.221[27] Quá trình đại dương magma kết tinh đã tạo ra lớp phủ ultramafic có mật độ cao, chứa nhiều olivin và pyroxen, nằm dưới một lớp vỏ plagiocla nhẹ nổi lên và bao phủ bề mặt toàn cầu.[7]tr.223 Những phần chất lỏng cuối cùng hóa rắn nằm giữa lớp vỏ và lớp phủ, chứa nhiều các thành phần tỏa nhiệt và không tương thích nhau về mặt hóa địa chất.[7]tr.224 Các mẫu đá lấy từ biển Mặt Trăng, vốn là dung nham hóa rắn từng phun trào ra bề mặt từ lớp phủ nóng chảy một phần, xác nhận thành phần lớp phủ ultramafic.[7]tr.223[6]tr.312

Quá trình hình thành nêu trên tạo ra lớp vỏ anorthosit, một kết quả phù hợp với các đo đạc tại chỗ và viễn thám.[7]tr.223[6]tr.311[20] Sau khi khoảng ba phần tư đại dương dung nham đã kết tinh, các khoáng chất plagiocla nhẹ hơn bắt đầu hình thành và nổi lên trên tạo thành lớp vỏ.[7]tr.224[59] Lớp vỏ dày khoảng 50km.[7]tr.283 Các mẫu đá trên vỏ Mặt Trăng đều có tuổi từ 3,3 đến 4,4 tỷ năm, cổ hơn hầu hết đá Trái Đất, và phù hợp với mô hình kết tinh đại dương dung nham.[6]tr.310[7]tr.282

Bề mặtSửa đổi

Địa hình Mặt Trăng đã được đo bằng laser và xử lý ảnh stereo.[62] Một đặc trưng địa hình nổi bật là bồn địa Nam cực - Aitken ở phía nam mặt xa Mặt Trăng.[63] Đây là hố va chạm lớn nhất trong Hệ Mặt Trời với đường kính 2500km.[64] Bồn địa này chứa điểm sâu nhất trên Mặt Trăng có độ sâu khoảng 13km so với vùng xung quanh rìa.[60][64] Điểm cao nhất trên Mặt Trăng nằm ngay phía đông bắc bồn địa này,[60] thuộc khu vực có thể được nâng lên do vụ va chạm nghiêng mà đã tạo ra bồn địa Nam Cực - Aitken.[65] Các bồn địa nổi bật khác hình thành từ các vụ va chạm lớn trong thời kỳ đầu của Mặt Trăng gồm có biển Mưa, Trong Sáng, Khủng Hoảng ở mặt gần và Đông Phương ở ranh giới của hai mặt[6]tr.312[25][66]tr.225 - chúng đều có phần trung tâm sâu và phần rìa cao.[60][64] Mặt xa cao hơn mặt gần trung bình khoảng 1,9km.[7]

Liên đoàn Thiên văn Quốc tế khuyến nghị kinh tuyến gốc của hệ tọa độ địa lý Mặt Trăng đi qua điểm trung tâm trung bình của mặt gần Mặt Trăng.[67][68] Trong hệ tọa độ này, hố va chạm nhỏ bé mang tên Mösting A có tọa độ 3,18°Nam, 5,16°Tây, cùng với một số đặc điểm địa hình khác, được dùng để đối chiếu vị trí vẽ bản đồ.[69][70]

Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt Trăng năm 2010 đã phát hiện ra các vách đứt gãy chờm trên bề mặt Mặt Trăng, cho thấy rằng Mặt Trăng có thể đã co ngót lại trong thời kỳ địa chất gần đây.[71] Các dấu hiệu co ngót tương tự cũng đã được quan sát trên Sao Thủy.[72] Một nghiên cứu thực hiện với 12000 bức ảnh chụp được từ tàu quỹ đạo cho thấy biển Lạnh ở gần cực bắc, một bồn địa vốn được cho là đã ngừng tiến hóa về mặt địa chất giống như các biển Mặt Trăng khác, đang nứt và dịch chuyển.[73] Mặt Trăng không có các mảng kiến tạo[7] cho nên hoạt động địa chất ở đây chỉ là sự hình thành các vết nứt chủ yếu do sự co ngót của toàn Mặt Trăng khi nó nguội dần[74] và một phần do lực thủy triều.[74]

Biển và vùng caoSửa đổi

Các vùng trên bề mặt Mặt Trăng có màu sẫm và tương đối bằng phẳng như những đồng bằng, không có đặc điểm địa hình nổi bật, đủ lớn để có thể nhìn thấy bằng mắt thường từ Trái Đất, được gọi là các biển Mặt Trăng vì trước đây đã có giả định rằng những vùng này có nước.[77]tr.19-20[6]tr.310 Giả thuyết được chấp nhận hiện tại cho rằng các vùng này từng là bồn địa chứa dung nham cổ, nay đã nguội lạnh thành bazan tối màu.[6]tr.312 Bazan trên Mặt Trăng có thành phần tương tự lớp vỏ bên dưới đại dương Trái Đất hoặc dung nham phun trào từ núi lửa Trái Đất[6]tr.312 nhưng rất thiếu khoáng chất.[7] Các dòng dung nham đã phun trào ra bề mặt và chảy vào các hố va chạm lớn trong thời đầu lịch sử Mặt Trăng.[6]tr.312 Biển che phủ 17% diện tích Mặt Trăng và hầu hết nằm ở mặt gần,[6]tr.312 biển ở mặt xa chỉ chiếm khoảng 1% bề mặt.[78]

Một số biển ở mặt gần chứa các vòm núi lửa mà có thể hình thành từ magma có độ nhớt cao hơn đáng kể.[79] Bản đồ hóa địa chất Mặt Trăng, đo bởi phổ kế gamma của vệ tinh Lunar Prospector, cho thấy mặt gần Mặt Trăng có nồng độ cao hơn các nguyên tố hóa học có khả năng sinh nhiệt nằm bên dưới lớp vỏ, gợi ý về khả năng vùng nằm dưới lớp vỏ này đã từng nóng hơn và dễ phun trào dung nham hơn, giải thích cho việc mặt gần có nhiều biển hơn.[59][80] Đa số bazan hình thành nên các biển nhỏ nằm xen kẽ giữa các vùng cao đã phun trào trong kỷ Mưa, 3,2–3,8tỷ năm trước, còn riêng ở biển Mưa và Đại dương Bão, hoạt động phun trào đã kéo dài từ 4,2 đến khoảng 1tỷ năm trước.[59] Theo một nghiên cứu định tuổi bằng phương pháp đếm hố va chạm ở vùng Đại dương Bão thì lần cuối cùng dung nham trào lên bề mặt là cách đây 1,2 tỷ năm.[81] Năm 2006, một nghiên cứu đã phát hiện hố va chạm Ina trong biển Hồ Hạnh Phúc có những đặc điểm trẻ với tuổi chỉ khoảng 10 triệu năm.[82] Các trận động đất cùng hiện tượng thoát khí ra bề mặt cho thấy một số hoạt động địa chất của Mặt Trăng vẫn tiếp tục.[82] Một nghiên cứu năm 2014 sử dụng ảnh chụp của Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt Trăng đã chỉ ra những vùng có tuổi ít hơn 100 triệu năm.[83] Có khả năng lớp phủ của Mặt Trăng nóng hơn đã biết, ít nhất là ở mặt gần, tại những nơi có nhiều nguyên tố phóng xạ sinh nhiệt bên dưới lớp vỏ.[83][84] Ở bồn địa Đông Phương, hoạt động núi lửa kéo dài chứng tỏ lớp phủ bên dưới vùng này ban đầu nóng và/hoặc có nhiều nguyên tố sinh nhiệt.[85]

Các khu vực có màu sáng hơn trên Mặt Trăng được gọi là các vùng cao bởi chúng có độ cao lớn hơn hầu hết biển Mặt Trăng.[7] Vùng cao có thành phần chủ yếu là plagiocla tích lũy từ đại dương dung nham cổ của Mặt Trăng, do nhẹ hơn nên nổi lên cao từ rất sớm cách đây đến 4,4 tỷ năm.[6][7]tr.311 Do hình thành sớm nên vùng cao có một quãng thời gian dài hứng chịu sự bắn phá từ những mảnh vụn vũ trụ, dẫn đến mật độ cực cao hố va chạm.[6]tr.311 Khác với Trái Đất, không có ngọn núi lớn nào trên Mặt Trăng được cho là hình thành bởi sự dịch chuyển của các mảng kiến tạo.[6]tr.310[7] Tổng diện tích vùng cao chiếm 83% bề mặt Mặt Trăng.[6]tr.311

Việc mặt gần có nhiều biển trong khi mặt xa có nhiều núi có thể được giải thích bởi một vụ va chạm ở tốc độ thấp giữa Mặt Trăng với một vệ tinh tự nhiên thứ hai của Trái Đất, chừng vài chục triệu năm sau khi hệ Trái Đất và Mặt Trăng hình thành.[55]

Các hố va chạmSửa đổi

Khi những tiểu hành tinh và sao chổi va chạm với bề mặt Mặt Trăng, các hố va chạm hình thành và bề mặt chịu tác động đáng kể.[86] Theo ước tính chỉ riêng mặt gần của Mặt Trăng đã có khoảng 300.000 hố rộng hơn 1km.[77]tr.13 Niên đại địa chất Mặt Trăng căn cứ vào những sự kiện va chạm nổi bật nhất ở bồn địa Mật Hoa, Mưa, Đông Phương[76]tr.123 và đại diện bởi tuổi của hố va chạm Copernicus và Eratosthenes.[76]tr.249 Đây là những cấu trúc để lại các dấu hiệu địa tầng học qua các ảnh chụp, chẳng hạn như mảnh văng từ hố Eratosthenes nằm trên nền biển xung quanh còn vật liệu bắn ra từ Copernicus lại chồng lên Eratosthenes.[76]tr.249 Việc không có khí quyển, thời tiết và những quá trình địa chất gần đây đã giúp cho đa số hố giữ nguyên trạng từ lúc hình thành.[6]tr.303,[1] Chỉ có ít cấu trúc địa chất trên Mặt Trăng được định tuổi chính xác bằng phương pháp đo đặc trưng đồng vị,[76]tr.168-169,177-178,212 các khu vực còn lại được so sánh tuổi với các cấu trúc này bằng phương pháp khác như đếm số hố va chạm.[76]tr.135 Nếu giả định rằng các hố va chạm xuất hiện dần theo thời gian với tốc độ nhất định thì việc đếm số hố trên mỗi đơn vị diện tích rồi so sánh giữa các khu vực khác nhau có thể giúp so sánh tuổi giữa chúng.[76]tr.129

Các hố va chạm trên Mặt Trăng đều có hình tròn do tốc độ cao của các mảnh vụn vũ trụ khi va chạm sẽ tạo ra hiệu ứng giống các vụ nổ, tác động đều ra mọi hướng xung quanh.[6]tr.315 Khi mảnh va chạm lao xuống bề mặt, nó thâm nhập tới độ sâu khoảng 2 đến 3 lần đường kính mảnh va chạm, tạo ra sóng xung kích và nhiệt làm nứt tầng đá nền bên dưới và bốc hơi lớp silicat bề mặt.[6]tr.316 Lớp đất bị bốc hơi giãn nở nhanh, tạo ra vụ nổ như bom hạt nhân, khoét một hố trên bề mặt có đường kính khoảng 10 đến 15 lần đường kính mảnh va chạm và đẩy vật liệu ra rìa, tạo nên vành tròn ngoài dâng cao.[6]tr.316 Sóng xung kích trong lớp vỏ phản hồi lại làm dâng đất đá trong hố, khiến đáy hố trở nên phẳng và đôi khi nhô lên ở giữa.[6]tr.316 Các vụ lở đất ở gần vành tạo nên cấu trúc dốc dạng bậc thang.[6]tr.316 Những mảnh vật liệu bị văng lên cao do vụ nổ sau đó rơi xuống một vùng có đường kính cỡ gấp đôi đường kính hố va chạm.[6]tr.316 Các mảnh to và bay nhanh rơi cách xa hố và thường tạo ra thêm hố nhỏ.[6]tr.316

Phủ bên trên bề mặt Mặt Trăng là lớp đất mặt gồm đá bị tán vụn có nguồn gốc từ va chạm.[6]tr.314 Cứ sau mỗi sự kiện va chạm thì chúng lại vỡ vụn thành những mảnh nhỏ hơn.[6]tr.314 Đất Mặt Trăng có thành phần chiếm gần nửa là silica và các thành phần khác là một số oxit kim loại.[56][87] Lớp đất mặt của những bề mặt cổ tại vùng cao nhìn chung dày hơn, trung bình khoảng 10-15 mét; trong khi tại các bề mặt trẻ ở biển, đất mặt chỉ dày 4-5 mét.[9]tr.88,93,286 Bên dưới lớp đất mặt tán mịn là lớp các mảnh vỡ lớn văng ra từ các vụ va chạm và đá móng nứt gãy dày từ vài đến vài chục kilomet.[9]tr.92-93 Bản thân lớp đất mặt cũng thường được phân làm hai địa tầng: tầng trên nằm ngay bề mặt, dày cỡ vài đến vài chục xăngtimét và chứa các hạt đã được trộn đều; tầng dưới có các lớp khác nhau chưa được trộn lẫn, hình thành từ các sự kiện va chạm trong quá khứ.[9]tr.337

Trong ba tỷ năm qua, tốc độ sản sinh hố là một hố đường kính 1 km mỗi 200 nghìn năm, một hố đường kính 10km mỗi vài triệu năm, và một đến hai hố đường kính 100km mỗi tỷ năm.[6]tr.319 Tốc độ sản sinh hố cao hơn gấp nhiều lần trước thời điểm cách đây gần 4 tỷ năm.[6]tr.319 Tuổi của đá nóng chảy do va chạm thu thập từ các hố va chạm trong chương trình Apollo gợi ý về sự kiện biến cố Mặt Trăng diễn ra khoảng 3,9 tỉ năm trước, với sự xuất hiện nhiều bất thường các tiểu hành tinh va chạm với các thiên thể ở vòng trong của Hệ mặt trời,[88] mặc dù có nghi vấn về giả thuyết này.[89]

Việc so sánh những hình ảnh do Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt Trăng chụp cho thấy tốc độ sản sinh hố hiện tại nhanh hơn đáng kể ước tính trước đây, đặc biệt là với các hố nhỏ có kích cỡ trên chục mét.[90] Khi va chạm xảy ra, những mảnh vật liệu nóng chảy hoặc bốc hơi văng ra ngoại biên với góc nhỏ và tốc độ rất cao.[90]tr.216-217 Cơ chế này khuấy động hai xăngtimét lớp đất mặt trên cùng ở thang thời gian 81.000 năm,[↓ 7] nhanh hơn một trăm lần so với các mô hình lý thuyết trước đây.[90]

Các vụ va chạm lớn nhỏ gây xói mòn khiến núi non trên Mặt Trăng đều có bề mặt nhẵn trơn và độ cao thấp, giống những núi cổ nhất trên Trái Đất.[6]tr.311

Các xoáy Mặt TrăngSửa đổi

Các xoáy Mặt Trăng là các vùng có đặc điểm địa chất kỳ dị nằm rải rác khắp bề mặt của Mặt Trăng.[91] Chúng có suất phản chiếu cao, có đặc điểm quang học của bề mặt mới hình thành gần đây và thường có các đường tối uốn lượn xen giữa những vùng sáng.[91] Từ trường ở bề mặt các xoáy đều mạnh tuy nhiên không phải mọi vùng bất thường từ trường đều có xoáy.[91]

Nước và sự sốngSửa đổi

Nước lỏng không tồn tại trên bề mặt Mặt Trăng.[6]tr.309[93] Với điều kiện trên bề mặt, nước sẽ bị bức xạ cực tím từ Mặt Trời phân ly thành các chất khác.[94][95] Ngay cả nước ngậm trong đất đá cũng bị giải hấp bởi tia cực tím của Mặt Trời.[94] Môi trường tự nhiên của Mặt Trăng không hỗ trợ sự sống vì bức xạ Mặt Trời mạnh, gần như không có khí quyển, nhiệt độ cao vào ban ngày, cùng bức xạ ion hóa.[96][97] Tổng lượng vi sinh vật mà các tàu vũ trụ đã mang lên Mặt Trăng trong các nhiệm vụ thám hiểm có tiếp xúc với bề mặt là khoảng 4,57×1010 tế bào hoặc bào tử, nhưng hầu hết được cho là không thể sống quá một ngày Mặt Trăng [29,5 ngày Trái Đất].[97] Tuy nhiên vào năm 2019, ít nhất một hạt giống đã nảy mầm ở một thí nghiệm trong môi trường có kiểm soát của tàu đổ bộ Thường Nga 4.[98]

Từ những năm 1960, đã có giả thuyết về sự tồn tại của nước đá ở các hố va chạm lạnh lẽo luôn bị khuất trong bóng tối ở hai cực.[93] Trục quay của Mặt Trăng đã ổn định trong vài tỷ năm trở lại đây[99][100] và ở hai cực có những hố không nhận được ánh sáng Mặt Trời trong suốt thời gian này.[101] Chúng có thể chứa nước đá đến từ sao chổi, gió Mặt Trời, hoặc các tầng đá bên dưới.[101] Các mô phỏng trên máy tính năm 2003 gợi ý khoảng 14.000 kilomét vuông diện tích Mặt Trăng có thể nằm trong bóng tối vĩnh cửu.[102] Các kế hoạch định cư trên Mặt Trăng của con người phụ thuộc đáng kể vào lượng nước có sẵn tại đây khi mà phương án vận chuyển nước từ Trái Đất tỏ ra không khả thi.[103]

Những phát hiện gần đây đã xác nhận sự tồn tại của nước trên bề mặt Mặt Trăng.[6]tr.309 Năm 1998, phổ kế neutron trên tàu vũ trụ Lunar Prospector chỉ ra dấu hiệu hydro trong nước đá nằm dưới lớp đất mặt vài chục xăngtimét ở các hố tối vĩnh cửu gần cực.[104] Thủy tinh núi lửa được mang về từ Mặt Trăng cũng chứa lượng nước nhỏ.[105] Tồn tại nước ở dạng liên kết hóa học trong đá Mặt Trăng.[6]tr.309 Vào năm 2008 phổ kế M3 của tàu vũ trụ Chandrayaan-1 đã phát hiện sự tồn tại của nước ở cả các bề mặt được Mặt Trời chiếu sáng.[106] Năm 2009, LCROSS cho một tên lửa hết nhiên liệu đâm xuống vùng tối vĩnh cửu trong hố va chạm Cabeus gần cực nam và phát hiện khoảng 155kg nước trong luồng khói bụi bốc lên từ vụ va chạm.[107]

Vào năm 2011 một thí nghiệm đã đo được 615 đến 1410 ppm nước trong bao thể nóng chảy của mẫu đá chứa magma cổ ở Mặt Trăng, cho thấy một số phần bên trong Mặt Trăng có lượng nước tương đương lớp phủ trên của Trái Đất.[109] Việc phân tích lại dữ liệu phổ phản xạ của máy đo M3 vào năm 2018 đã khẳng định sự tồn tại của nước đá trong vòng vĩ độ 20° ở cả hai cực.[108] Dữ liệu cho thấy ánh sáng phản xạ đặc trưng của nước đá, khác hẳn so với ánh sáng từ hydroxyl, nước ở thể khác, hay các bề mặt phản xạ khác.[108] Nước đá có nhiều hơn ở cực Nam, tại các khu vực nằm trong bóng tối lâu nhất.[108] Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt Trăng xác nhận nhiệt độ rất thấp trong một số hố va chạm và chụp được ảnh nhờ ánh sáng của sao.[6]tr.309 Tổng lượng nước ở các hố này vào khoảng hàng trăm tỷ tấn.[6]tr.309

Cuối năm 2020, các nhà thiên văn phát hiện phân tử nước ở phần bề mặt được chiếu sáng của Mặt Trăng bằng thiết bị SOFIA.[110] Những khe hở nhỏ khuất tối trong đất đá, ở cả vùng đất được chiếu sáng với vĩ độ trên 80, được cho là chiếm tới khoảng 10–20% diện tích tối vĩnh cửu chứa nước đá của Mặt Trăng.[110][111]

Trường hấp dẫnSửa đổi

Trường hấp dẫn của Mặt Trăng đã được đo từ những năm 1960 thông qua ảnh hưởng lên quỹ đạo của các tàu không gian gần Mặt Trăng, với gia tốc của các tàu được xác định nhờ dịch chuyển Doppler của sóng vô tuyến liên lạc giữa tàu và Trái Đất.[113] Tàu Lunar Prospector đã vẽ bản đồ trọng trường của mặt gần vào những năm 1998-1999.[114] Năm 2013, bản đồ trường hấp dẫn cho toàn bộ bề mặt Mặt Trăng đã được thiết lập chi tiết bởi cặp tàu quỹ đạo GRAIL.[112] Gia tốc trọng trường của Mặt Trăng có những vùng cực đại tại một số bồn địa va chạm khổng lồ, một phần do mật độ khối lượng lớn của bazan biển lấp đầy những bồn địa đó.[112][113][114][115] Tuy vậy, một số vùng cực đại không nằm gần khu vực có bazan biển.[114]

Gia tốc trọng trường trung bình trên bề mặt Mặt Trăng là 1,63m/s2, bằng khoảng 1/6 gia tốc trọng trường Trái Đất.[25]tr.226 Một người mặc bộ đồ phi hành gia Apollo 11 kèm hệ thống cung cấp dưỡng khí nặng tổng cộng 91,3kg[116] sẽ cảm thấy như chỉ khoảng 15kg trên Mặt Trăng. Tốc cần để thoát khỏi Mặt Trăng [tốc độ vũ trụ cấp 2] là 2,38km/s so với Trái Đất là 11,2km/s.[25]tr.226

Từ trườngSửa đổi

Mặt Trăng có một từ trường ngoài với cường độ nhìn chung dưới 0,2 nanotesla, chưa bằng một phần một trăm ngàn từ trường Trái Đất.[26] Hiện tại Mặt Trăng không có từ trường lưỡng cực toàn cầu mà chỉ có lớp vỏ đã từ hóa, có thể do trước kia từng tồn tại một dynamo toàn cầu.[26][118] Khoảng 4,25 đến 3,56 tỉ năm trước từ trường Mặt Trăng có khả năng mạnh gần bằng từ trường Trái Đất ngày nay.[26] Dynamo duy trì đến cách đây 1,92 đến 0,80 tỷ năm nhờ các dòng đối lưu hoạt động khi lõi Mặt Trăng kết tinh.[26] Trên lý thuyết, một số vùng từ hóa còn sót lại có thể được gây ra bởi từ trường thoáng qua của những đám mây plasma giãn nở trong những vụ va chạm lớn.[119] Khi những đám mây này xuất hiện sau các vụ va chạm lớn, Mặt Trăng vẫn đang có một nền từ trường đáng kể.[119] Giả thuyết này được hỗ trợ bởi vị trí từ hóa mạnh nhất trên vỏ nằm gần điểm đối chân của những bồn địa va chạm lớn.[119]

Khí quyểnSửa đổi

Mặt Trăng có khí quyển rất loãng đến nỗi các hạt khí gần như không va chạm với nhau, giống tầng ngoài khí quyển hành tinh,[18] với tổng khối lượng từ dưới 10 tấn[120] đến khoảng 30 tấn.[121] Thiết bị của các tàu đổ bộ Apollo đo được mật độ hạt khí quyển khoảng 107 hạt/cm3 vào ban ngày và 105 hạt/cm3 vào ban đêm ở bề mặt Mặt Trăng, gần như chân không so với khí quyển Trái Đất [1019 hạt/cm3].[18][122] Khí quyển bao gồm các chất khí thoát ra từ đất đá[121][123] và khí sinh ra từ hoạt động phún xạ do gió mặt trời và bụi vũ trụ bắn phá thổ nhưỡng Mặt Trăng.[20][122] Các nguyên tố được phát hiện có natri và kali sinh ra do phún xạ và giải hấp nhiệt [cũng có trong khí quyển Sao thủy và Io]; helium-4 và neon chủ yếu từ gió mặt trời; argon-40, radon-222 và các đồng vị poloni thoát ra khí quyển sau khi hình thành từ phân rã phóng xạ trong lớp vỏ và lớp phủ.[17][18][123] Tổng mật độ của các nguyên tố trên vẫn còn nhỏ hơn nhiều mật độ khí quyển Mặt Trăng, do đó các nhà khoa học vẫn đang tìm kiếm sự hiện diện của những phân tử và nguyên tử khác ở khí quyển, đặc biệt là các chất mà có thể được sinh ra từ lớp đất mặt.[18] Chandrayaan-1 đã phát hiện hơi nước với nồng độ thay đổi theo vĩ độ, nhiều nhất tại khoảng 60–70 độ nam.[19] Hơi nước có thể được sinh ra từ sự thăng hoa nước đá ở lớp đất mặt.[19] Những khí này quay lại lớp đất mặt do trọng lực của Mặt Trăng hoặc biến mất vào không gian do áp lực bức xạ mặt trời hoặc nếu chúng bị ion hóa thì bị thổi bay bởi từ trường gió mặt trời.[18][122]

Cát bụiSửa đổi

Tồn tại một đám mây bụi bất đối xứng bao quanh Mặt Trăng được tạo ra bởi các hạt bụi sao chổi.[125] Mỗi giây có khoảng 0,1 đến 0,6 picôgam bụi sao chổi bay vào mỗi mét vuông bề mặt vùng xích đạo Mặt Trăng với tốc độ khoảng 20 kilômét trên giây.[125] Các hạt này va vào bề mặt khiến bụi ở đó bắn lên với tốc độ cỡ vài trăm mét một giây, sau đó đa số chúng lại rơi xuống bề mặt.[125] Trung bình, lớp bụi bay lơ lửng trên bề mặt Mặt Trăng có tổng khối lượng khoảng 120 kilogam và dày hàng trăm kilomét.[125] Các phép đo bụi đã được thực hiện bởi Thí nghiệm Bụi Mặt Trăng [LDEX] của LADEE, trong khoảng 6 tháng với độ cao từ gần bề mặt đến trên 200km.[125] Trung bình mỗi phút có một hạt bụi bán kính trên 0,3 micromét va đập vào đầu đo của LDEX.[125] Số lượng hạt bụi tăng lên vào những dịp mưa sao băng Geminid, Quadrantid, Taurid và Omicron Centaurid, khi Trái Đất và Mặt Trăng đi ngang qua những đám tàn tích sao chổi.[125] Đám mây bụi của Mặt Trăng có mật độ bất đối xứng, dày hơn ở vùng hoàng hôn.[125]

Các nhà du hành vũ trụ đặt chân lên Mặt Trăng trong chương trình Apollo đã chứng kiến những quầng sáng gần đường chân trời trước lúc bình minh, một hiện tượng cũng được quan sát bởi một số vệ tinh và tàu đổ bộ.[18] Đây có thể là ánh sáng từ lớp bụi ở trên cao hoặc natri và kali trong khí quyển.[18]

Quá khứSửa đổi

Năm 2017, một nghiên cứu dựa trên mô hình phun trào dung nham theo thời gian cho thấy Mặt Trăng từng có một khí quyển khá dày trong khoảng thời gian cỡ 70 triệu năm, giữa 3 và 4 tỷ năm trước.[126] Khí quyển này chứa các khí sinh ra bởi các vụ phun trào núi lửa Mặt Trăng và có áp suất khoảng gấp rưỡi so với khí quyển Sao Hỏa ngày nay.[126] Khí quyển cổ xưa này đã dần biến mất vào không gian chủ yếu do chuyển động nhiệt của các hạt khí với tốc độ trên tốc độ vũ trụ cấp 2.[126]

Chuyển động và mùaSửa đổi

Mặt Trăng tự quay quanh trục với chu kỳ phụ thuộc vào hệ quy chiếu: so với nền sao ở xa, chu kỳ này là chu kỳ sao,[25]tr.46[127] 27,3 ngày Trái Đất,[11][128] còn so với Mặt Trời thì chu kỳ này là chu kỳ giao hội,[25]tr.45[127] 29,5 ngày Trái Đất.[128] Đối với quan sát viên đứng yên trên bề mặt Mặt Trăng, Mặt Trời mọc và lặn theo chu kỳ đúng bằng chu kỳ giao hội.[127] Mặt Trăng quay quanh Trái Đất và bị khóa thủy triều so với Trái Đất,[57][129] khiến cho chu kỳ sao của chuyển động tự quay của Mặt Trăng đúng bằng chu kỳ quỹ đạo của Mặt Trăng quanh Trái Đất,[3]:10[129] và chu kỳ giao hội tự quay cũng bằng chu kỳ giao hội quỹ đạo [còn gọi là "tháng giao hội"].[25]tr.331 Chu kỳ giao hội quỹ đạo cũng là chu kỳ pha Mặt Trăng khi quan sát từ Trái Đất [còn gọi là "tuần trăng"].[6]tr.123[25]tr.331

Độ nghiêng trục quay của Mặt Trăng so với hoàng đạo chỉ là 1,54°,[16] nhỏ hơn nhiều so với 23,5°Của Trái Đất.[6]tr.108 Do đó bức xạ Mặt Trời lên Mặt Trăng cũng ít thay đổi theo mùa hơn, ngoại trừ tại vùng gần cực, nơi mà yếu tố địa hình và yếu tố mùa đều có ảnh hưởng.[16]

Năm 2005, một phân tích về các ảnh chụp bởi tàu vũ trụ Clementine cho thấy các khu vực nhiều núi non ở vành hố va chạm Peary tại cực bắc có thể được chiếu sáng trong toàn bộ cả ngày Mặt Trăng, tạo ra những đỉnh núi sáng vĩnh cửu.[21] Các nghiên cứu sau này, từ 2005 đến 2013, cho rằng vùng rìa Peary có thể bị che khuất vào mùa đông, tuy nhiên xác nhận nhiều địa điểm ở vùng này và rìa hố va chạm khác gần hai cực có tỷ lệ nhận sáng từ 80% đến trên 90% trung bình năm, bao gồm rìa hố Shackleton gần cực nam.[131] Tương tự, có nhiều khu vực nằm mãi mãi trong bóng tối ở đáy của những hố va chạm gần cực,[102][131] và các "hố tối vĩnh cửu" này cực lạnh.[16]

Tuy có thể tính được nhiệt độ trung bình bề mặt của Mặt Trăng, nhưng nhiệt độ thực tế ở từng địa điểm có thể lệch so với mức trung bình hàng chục độ K, tùy theo điều kiện địa hình [độ dốc, bóng râm, kiến trúc tán xạ ánh sáng và nhiệt], độ phản xạ sáng và bức xạ hồng ngoại của bề mặt địa phương, và tính chất nhiệt [nhiệt dung, độ dẫn nhiệt] của khu vực.[16] Do thiếu khí quyển hay thủy quyển để ổn nhiệt, nhiệt độ bề mặt thay đổi mạnh trong ngày của Mặt Trăng.[6]tr.314[16] Vào giữa trưa, nhiệt độ của đất đá màu sẫm có thể lên trên 100°C; còn trong ban đêm [kéo dài khoảng hai tuần, tương đương với thời lượng ban ngày của Mặt Trăng], nhiệt độ đất xốp giảm xuống khoảng -180°C.[6][21]tr.314 Nơi có nhiệt độ ổn định và không quá lạnh là các đỉnh núi sáng vĩnh cửu gần cực, khoảng -50±10°C, được cho là phù hợp để định cư vì dễ tiếp cận năng lượng Mặt Trời và nguồn nước đá ở các hố tối vĩnh cửu gần đó.[21]