VÌ SAO MẶT TRĂNG NGÂN VANG LÂU ĐẾN VẬY

Khi một sóng địa chấn đi qua Mặt Trăng, tín hiệu không kết thúc khi sóng đã đi qua. Theo sau nó là một cái đuôi dài gồm những rung động, gọi là đuôi sóng (coda), mà trên Mặt Trăng có thể kéo dài tới hàng giờ — lâu gấp khoảng mười lần so với sau một trận động đất có độ lớn tương tự trên Trái Đất. Với các nhà địa chấn học, tiếng ngân ấy là một mối phiền toái: nó nhấn chìm những tiếng vọng yếu ớt từ các lớp sâu, vốn có thể hé lộ bên trong Mặt Trăng.

Cách giải thích thông thường lâu nay là sự tán xạ mạnh trong một lớp vỏ liên tục nhưng rất không đồng đều, nơi sóng tăng tốc và chậm lại tùy từng chỗ. Nhưng các mô phỏng dựa trên ý tưởng đó chưa bao giờ khớp với các bản ghi của những máy đo địa chấn Apollo, ngay cả với những độ tương phản mạnh đến mức phi thực tế.

Những khe nứt không bao giờ lành

Lei Zhang, Jinhai Zhang và các đồng nghiệp tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Đại học Địa chất Trung Quốc (China University of Geosciences) đã đi theo một hướng khác. Lớp vỏ Mặt Trăng chằng chịt những vết nứt: hàng tỷ năm va chạm, sự co lại của Mặt Trăng khi nguội đi, thủy triều và hoạt động núi lửa đều đã làm nó vỡ vụn. Trên Trái Đất, các chất lưu dần dần hàn gắn những khe nứt như vậy. Trên Mặt Trăng không có nước, nên chúng vẫn mở — những khoảng trống rỗng trong đá.

Một khe nứt rỗng là một bức tường đối với sóng địa chấn: không gì đi qua được. Sóng bị phản xạ toàn phần. Với một khe nứt, một phần mặt sóng dội ngược lại trong khi phần còn lại tiếp tục đi mà không bị xáo trộn. Với nhiều khe nứt, mặt sóng bị vỡ vụn và bị giam giữ, dội từ khe nứt này sang khe nứt khác, và năng lượng của nó rò rỉ ra từ từ. Theo các tác giả, tác động của những vết nứt như vậy lên sóng địa chấn trên Mặt Trăng trước đây chưa từng được xem xét.

Dựng lại những cú đâm của Apollo

Để kiểm tra ý tưởng, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một lát cắt hai chiều của lớp vỏ Mặt Trăng, dài 1.000 kilômét và sâu 80 kilômét, rải rác những khe nứt rỗng trong một khối đá ngoài ra hoàn toàn đồng nhất. Họ so sánh các dự đoán của nó với 13 bản ghi Apollo về các vụ va chạm nhân tạo: những tầng tên lửa đã qua sử dụng và tầng cất cánh của mô-đun Mặt Trăng được cố ý cho đâm xuống Mặt Trăng, với thời điểm và vị trí va chạm được biết chính xác. Các trạm đo cách xa từ 2,2 đến 28 độ cung.

Thay vì từng dao động riêng lẻ, họ so sánh đường bao (envelope) tổng thể của mỗi bản ghi — tăng dần, một đỉnh rộng, rồi suy giảm chậm, khiến nó trông giống một con thoi.

Kilômét đầu tiên quyết định tất cả

• Với các khe nứt tập trung trong kilômét trên cùng, các đường bao mô phỏng khớp với hai bản ghi tiêu biểu với hệ số tương quan 0,90 và 0,92. Một lớp vỏ không có khe nứt chỉ cho 0,56 và 0,47.
• Mười hai biến thể xác định chính xác nơi các khe nứt có vai trò. Các khe nứt sâu tới 12 kilômét cho độ khớp tốt ngang với các khe nứt chỉ giới hạn trong kilômét trên cùng. Nhưng loại bỏ các khe nứt khỏi kilômét trên cùng đó, và hệ số tương quan tụt xuống 0,4–0,5.
• Chiều dài khe nứt cũng quan trọng: từ 0,5 đến 2 kilômét cho hệ số tương quan khoảng 0,85, 4 kilômét chỉ khoảng 0,64. Các khe nứt có lẽ dài 2 kilômét hoặc ngắn hơn.
• Chỉ một mật độ khe nứt khá cao mới tái tạo được cả hình dạng của đuôi sóng lẫn tốc độ nó tắt dần: kilômét trên cùng bị nứt vỡ nặng nề.

Trong mô hình tham chiếu, 85 khe nứt, mỗi khe dài một kilômét và rộng 250 mét, được phân bố khắp kilômét trên cùng của lát cắt.

Một công cụ cho những gì sắp tới

Radar trên các xe tự hành Mặt Trăng đã thăm dò các lớp xuống tới vài trăm mét, thường ít hơn 500. Kết quả địa chấn vươn sâu hơn, tới khoảng một kilômét, và kết nối radar, bản đồ trọng lực và các phép đo trên những mẫu vật được mang về Trái Đất.

Mô hình cũng có thể được dùng theo chiều ngược lại: một khi đã biết các khe nứt, tiếng ngân của chúng có thể được tính toán và trừ đi khỏi các bản ghi, để những phản xạ yếu ớt từ sâu bên trong Mặt Trăng lộ ra. Các máy đo địa chấn tương lai — trên Chang’e-7 (Hằng Nga 7), gần cực nam cùng Artemis, và ở mặt khuất — có thể kiểm chứng điều đó. Và các dự án hy vọng phát hiện sóng hấp dẫn bằng cách lắng nghe Mặt Trăng có thể sẽ phải tính đến chính những khe nứt này.

Mô hình vẫn là một sự đơn giản hóa: một lát cắt hai chiều, đá đồng nhất quanh các khe nứt. Các khe nứt thật là ba chiều, giao cắt nhau, và nằm trong một lớp vỏ cũng không đồng đều. Nhưng ngay cả phiên bản giản lược này cũng ngân vang như Mặt Trăng.