Giả thuyết vụ va chạm lớn

Giả thuyết vụ va chạm lớn, đôi khi được gọi là Big Splash, hay Theia Impact là một giả thuyết cho rằng Mặt Trăng được tạo ra từ các mảnh vỡ để lại sau vụ va chạm giữa Trái Đất lúc trẻ với một thiên thể kích cỡ Sao Hỏa. Vụ va chạm xảy ra vào cỡ khoảng 4,5 Ga BP (tỷ năm trước đây), và ở khoảng 20 đến 100 triệu năm sau khi Hệ Mặt Trời ra đời. Thiên thể va chạm được đặt tên là Theia (hay Euryphaessa), một Titan trong thần thoại Hy Lạp và là mẹ của Selene, nữ thần Mặt Trăng.

Đây là giả thuyết khoa học được ưa chuộng cho sự hình thành Mặt Trăng. Các bằng chứng hỗ trợ bao gồm:

- Vòng quay của Trái Đất và quỹ đạo của Mặt Trăng có hướng tương tự nhau.
- Hệ Trái Đất - Mặt Trăng có mô men động lượng cao bất thường, nghĩa là mô men có trong chuyển động quay của Trái Đất, chuyển động quay của Mặt Trăng và Mặt Trăng quay quanh Trái Đất cao hơn đáng kể so với các hành tinh đất đá khác. Một tác động lớn có thể đã cung cấp động lượng dư thừa này.
- Các mẫu đá Mặt Trăng chỉ ra rằng Mặt Trăng đã từng bị nóng chảy xuống một độ sâu đáng kể chưa xác định. Điều này có thể đòi hỏi nhiều năng lượng hơn so với năng lượng có được từ sự bồi tụ của một thiên thể có kích thước như Mặt Trăng. Một quá trình giàu năng lượng, chẳng hạn như một cú va chạm khổng lồ, có thể đã cung cấp năng lượng này.
- Mặt Trăng có lõi sắt tương đối nhỏ, khiến Mặt Trăng có mật độ thấp hơn Trái Đất. Các mô hình máy tính về tác động khổng lồ của một thiên thể có kích thước bằng Sao Hỏa với Trái Đất cho thấy lõi của vật va chạm có khả năng xuyên qua Trái Đất và hợp nhất với lõi của chính nó. Điều này sẽ khiến Mặt Trăng có độ kim loại thấp hơn các thiên thể khác.
- Có bằng chứng trong các hệ sao khác về các vụ va chạm tương tự, dẫn đến các đĩa bụi.

Vẫn còn một số vấn đề chưa được làm sáng tỏ xoay quanh giả thuyết này. Tỉ lệ đồng vị oxy của Mặt Trăng thực chất giống hệt như của Trái Đất, và không có bằng chứng nào chứng tỏ có sự góp mặt về thành phần của thiên thể nào. Các mẫu vật Mặt Trăng cũng không có tỉ lệ được dự đoán nguyên tố dễ bay hơi, các oxit sắt, hoặc các nguyên tố nhóm sắt, và không có chứng cứ nào cho thấy rằng Trái Đất từng có các đại dương macma như giả thuyết nhắc đến.

== Nguồn gốc ==
Năm 1898, George Howard Darwin cho rằng Trái Đất và Mặt Trăng từng là một thực thể thống nhất. Giả thuyết của Darwin là Mặt Trăng nóng chảy đã bị kéo ra khỏi Trái Đất bằng lực ly tâm và trở thành lời giải thích nổi trội hơn cả. Sử dụng cơ học Newton, ông tính toán rằng Mặt Trăng đã từng ở gần Trái Đất hơn trong quá khứ và đang chuyển động xa dần Trái Đất. Sự chuyển động này được chứng minh bởi các thí nghiệm sử dụng các mục tiêu đo khoảng cách bằng tia laze đặt trên Mặt Trăng của Mỹ và Liên Xô.

Tuy nhiên, phép tính của Darwin lại không giải quyết được cơ chế cần để kéo Mặt Trăng trở lại bề mặt Trái Đất. Vào năm 1946, Reginald Aldworth Daly ở Đại học Harvard không thừa nhận lời giải thích của Darwin, cho rằng Mặt Trăng tạo thành là do một vụ va chạm hơn là lực ly tâm. Sự phủ nhận của Giáo sư Daly ít được chú ý cho đến khi nó được giới thiệu lại tại một hội nghị về vệ tinh năm 1974. Sau đó nó được tái bản trong Icarus năm 1975 bởi Tiến sĩ William K. Hartmann và Donald R. Davis. Mô hình của họ cho rằng, vào cuối giai đoạn hình thành các hành tinh, những thiên thể kích thước vệ tinh sau khi hình thành có thể va chạm với các hành tinh khác hoặc bị giữ lại. Họ cho rằng một trong các thiên thể này có thể đã va chạm với Trái Đất, bắn tung lên các vật chất, bụi khí nghèo chất dễ bay hơi đã hợp nhất lại tạo thành Mặt Trăng. Cú va chạm này có thể giải thích các đặc tính địa lý độc nhất của Mặt Trăng.

Alfred G. W. Cameron và William Ward cũng đã đề xuất một đường lối tương tự, cho rằng Mặt Trăng được tạo thành bởi vụ va chạm theo phương tiếp tuyến với một thiên thể kích thước Sao Hỏa. Lớp silicat ngoài của các thiên thể va chạm hầu hết đã bốc hơi, để lại lõi kim loại. Do đó, hầu hết vật chất bắn lên quỹ đạo sẽ bao gồm silicat, làm Mặt Trăng khi ngưng kết thiếu đi sắt. Những vật liệu dễ bay hơi hơn văng ra sau cú va chạm có thể thoát khỏi Hệ Mặt trời, trong khi silicat lại có xu hướng ngưng kết lại.

== Theia ==
Tên của tiền hành tinh giả định được lấy từ tên của một titan Hy Lạp là Theia, người sinh ra nữ thần Mặt Trăng Selene. Theo giả thuyết trên, Theia được hình thành cùng với các thiên thể kích thước hành tinh khác trong Hệ Mặt Trời khoảng 4,6 tỉ năm trước và có kích cỡ Sao Hỏa.

Một giả thuyết cho rằng Theia hình thành tại điểm Lagrange L hoặc L gần Trái Đất (trên cùng một quỹ đạo và khoảng 60 trước hoặc sau), tương tự như một thiên thể Troia. Sự ổn định của quỹ đạo Theia bị ảnh hưởng khi khối lượng của nó vượt nguỡng khoảng 10% khối lượng Trái Đất. Sự nhiễu loạn trọng lực gây ra bởi các vi thể hành tinh làm Theia rời khỏi vị trí Lagrange ổn định, và các tương tác với tiền Trái Đất xảy ra sau đó làm hai thiên thể này va chạm với nhau.

Các nhà thiên văn cho rằng vụ va chạm giữa Theia và Trái Đất xảy ra khoảng 4,53 tỉ năm trước, khoảng 30-50 triệu năm sau khi Hệ Mặt Trời hình thành. Tuy nhiên, chứng cứ đưa ra vào năm 2008 cho rằng vụ va chạm có thể xảy ra muộn hơn, khoảng 4,48 tỉ năm trước.

== Sự va chạm ==
Trong điều kiện thiên văn, vụ va chạm sẽ có vận tốc trung bình. Theia chắc đã va chạm với Trái Đất ở một góc xiên khi cả hai hình thành gần như hoàn chỉnh. Mô hình máy tính của kịch bản "cú va chạm trễ" cho thấy góc va chạm là 45 và vận tốc va chạm ban đầu dưới 4 km/s. Lõi sắt của Theia chìm vào lõi Trái Đất trẻ, và hầu hết lớp phủ của Theia cùng một phần lớp phủ và vỏ Trái Đất bị bắn tung lên quỹ đạo. Những vật liệu này nhanh chóng ngưng kết lại tạo thành Mặt Trăng (có thể nhiều hơn một tháng nhưng chưa tới một thế kỉ). Theo ước tính dựa trên mô hình giả lập máy tính, khoảng 2% khối lượng ban đầu của Theia trở thành đĩa vật chất, và khoảng một nửa số vật chất này ngưng kết tạo thành Mặt Trăng. Trái Đất đã nhận một lượng đáng kể mômen động lượng và khối lượng từ vụ va chạm lớn như thế. Chưa kể đến độ nghiêng và sự quay của Trái Đất trước vụ va chạm, mất khoảng hơn một ngày và năm giờ để đường xích đạo Trái Đất dịch chuyển gần hơn đến mặt phẳng quỹ đạo Mặt Trăng.

Các vật thể đáng kể khác được cho là đã được tạo thành bởi vụ va chạm, và vẫn còn lại trên quỹ đạo giữa Mặt Trăng và Trái Đất, bị kẹt giữa các điểm Lagrange. Các vật thể như thế có thể đã tồn tại cùng hệ Mặt Trăng - Trái Đất cho đến khi lực kéo trọng trường của các hành tinh khác làm mất ổn định hệ đủ để giải phóng các vật thể này.

== Bằng chứng ==
Bằng chứng gián tiếp của kịch bản va chạm này đến từ các loại đá được thu thập trong các cuộc hạ cánh xuống Mặt Trăng của chương trình Apollo, cho thấy tỷ lệ đồng vị oxy giống với Trái Đất. Thành phần khoáng vật giàu anorthosit của lớp vỏ Mặt Trăng, cũng như sự tồn tại của các mẫu giàu KREEP, đã dẫn đến ý tưởng rằng một phần lớn của Mặt Trăng từng nóng chảy, và một cú va chạm lớn có thể dễ dàng cung cấp năng lượng để hình thành một đại dương macma như thế. Một vài bằng chứng cho thấy rằng nếu Mặt Trăng có lõi giàu sắt, nó phải nhỏ. Trong đó mật độ trung bình, momen quán tính, dấu hiệu của sự tự quay, và cảm ứng từ đều cho thấy bán kính lõi của nó nhỏ hơn 25% bán kính Mặt Trăng, trái với mức khoảng 50% của hầu hết các thiên thể khác. Điều kiện va chạm được cho là đã tạo thành một Mặt Trăng cấu tạo từ hầu hết lớp phủ của Trái Đất và thiên thể va chạm, với lõi của thiên thể sáp nhập với lõi Trái Đất, đã thoả mãn các ràng buộc momen động lượng của hệ Mặt Trăng-Trái Đất.

Bụi khí ấm và giàu khí SiO, sản phẩm của vụ va chạm với vận tốc cao (>10 km/s) giữa hai thiên thể cấu tạo từ đá đã được phát hiện ở gần (khoảng 29 parsec) ngôi sao trẻ HD 172555 (khoảng 12 triệu năm tuổi) bởi Kính viễn vọng không gian Spitzer. Một vành đai bụi khí ấm thuộc khu vực giữa khoảng 0,25 AU và 2 AU của ngôi sao trẻ HD 23514 ở chòm Tua Rua giống như trên đã dự đoán được kết quả vụ va chạm giữa Theia và Trái Đất trẻ, và được coi như là kết quả của các thiên thể kích thước hành tinh va chạm với nhau, tương tự như với một vành đai bụi khí khác phát hiên xung quanh ngôi sao BD +20°307 (hay HIP 8920 hoặc SAO 75016).

== Khó khăn gặp phải ==
Giả thuyết về nguồn gốc Mặt Trăng này vẫn gặp phải những khó khăn chưa thể giải quyết được, bao gồm:
- Tỉ lệ đồng vị chất dễ bay hơi không được giải thích trong thuyết vụ va chạm. Nếu giả thuyết trên là đúng, có thể là do nguyên nhân khác.
- Không có bằng chứng nào chứng tỏ rằng Trái Đất từng có một đại dương macma (như kết quả của giả thuyết), và có lẽ không tại vật chất mà chưa bao giờ được tạo nên bởi một đại dương macma.
- Lượng oxit sắt (FeO) mà Mặt Trăng chứa chỉ khoảng 13%, ở mức trung bình giữa Sao Hỏa (18%) và lớp phủ Trái Đất (8%), đã bác bỏ lời giải thích hầu hết vật chất của tiền Mặt Trăng đến từ lớp phủ Trái Đất.
- Nếu phần lớn vật chất của tiền Mặt Trăng có nguồn gốc từ thiên thể va chạm thì Mặt Trăng sẽ giàu nguyên tố ưa sắt, trong khi thực chất Mặt Trăng lại hiếm các nguyên tố này.
- Sự hiện diện của chất dễ bay hơi như nước ở lớp đá bazan khó giải thích hơn nữa nếu vụ va chạm gây nên sức nóng cực độ.
- Tỉ lệ đồng vị phóng xạ oxy của Mặt Trăng giống hệt như của Trái Đất. Tỉ lệ đồng vị phóng xạ, có thể được đo chính xác, sẽ cho thấy những đặc tính độc nhất và riêng biệt ở mỗi thiên thể. Nếu Theia là một tiền hành tinh riêng biệt, nó sẽ có đặc tính về đồng vị oxy khác với Trái Đất, cũng như vật chất trộn lẫn bắn ra sau cú va chạm.

== Giả thuyết khác ==
Các cơ chế khác nhiều lần cho rằng Mặt Trăng đã bị kéo ra khỏi bề mặt Trải Đất nóng chảy bởi lực ly tâm, hình thành ở một nơi nào đó và cuối cùng bị trọng trường Trái Đất giữ lại, hay Mặt Trăng hình thành tại cùng một thời điểm và cùng nơi với Trái Đất trên cùng một đĩa bồi tụ. Mỗi giả thuyết này lại thiếu đi cơ chế giải thích cho mômen động lượng lớn của hệ Mặt Trăng-Trái Đất.

== Xem thêm ==
- Địa lý Mặt Trăng
- Giới hạn Roche
- Lịch sử Trái Đất

== Liên kết ngoài ==
- Planetary Science Institute: Giant Impact Hypothesis
- Giả định máy tính về sự hình thành Mặt Trăng (Space.com) (tiếng Anh)
- Nguồn gốc Mặt Trăng bởi Giáo sư AGW Cameron
- Klemperer Rosette simulations using Java applets
- SwRI Giả định thuyết vụ va chạm lớn (.wmv and.mov)
- Nguồn gốc Mặt Trăng - Mô hình máy tính (tiếng Anh)
- Moon Archive - Bao gồm bài về thuyết vụ va chạm lớn (tiếng Anh)
- Planet Smash-Up Sends Vaporized Rock, Hot Lava Flying (ngày 10 tháng 8 năm 2009 JPL News)
- How common are Earth-Moon planetary systems? (arXiv:1105.4616: ngày 23 tháng 5 năm 2011) (tiếng Anh)