Đằng sau các sứ mệnh thu thập mẫu vật ngoài hành tinh

Sứ mệnh OSIRIS-REx trả mẫu về Trái Đất ngày 24/9 được thu thập từ tiểu hành tinh Bennu vào ngày 10/10/2020 diễn ra thành công, đánh dấu việc chúng ta đang sống trong một thời kỳ đặc biệt cho việc khám phá Hệ Mặt trời.

Trong hai thập kỷ tới, các mẫu từ các tiểu hành tinh, Mặt Trăng, Sao Hỏa và có lẽ cả sao Chổi sẽ hồi hương Trái Đất. Nhiều cơ quan vũ trụ trên thế giới chi hàng tỷ đô cho công việc này không phải là điều vô ích hay khẳng định mình là một đất nước siêu cường vũ trụ. Nó mang nhiều lợi ích khác phục vụ cho việc tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh...

Tiểu hành tinh Bennu đã không có sự tiến hóa trong 4,567 tỷ năm, việc phân tích đá và bụi sẽ cung cấp cho chúng ta sự hiểu biết tốt hơn về nguồn gốc của vật chất hình thành Hệ Mặt Trời phát triển như thế nào trong hàng triệu năm, từ thời kỳ đầu của vũ trụ. 

Trong những tuần tới, nhóm các nhà khoa học sẽ chia chiến lợi phẩm quý giá này, bắt đầu phân tích bằng các kỹ thuật khác nhau nhằm cố gắng trích xuất thông tin về bản chất và nguồn gốc vật chất nguyên thủy trong Hệ Mặt Trời của chúng ta.

Đặc biệt, tiểu hành tinh Bennu được sứ mệnh OSIRIS-REx lấy mẫu dường như rất giàu các nguyên tố dễ bay hơi như hydro, carbon, nitơ, khí hiếm, đây là một loại vật chất có thể là nguồn gốc của khí quyển và đại dương trên Trái Đất, cái nôi sự sống của hành tinh chúng ta. 

Con người đã mang về Trái Đất các mẫu từ Mặt Trăng, sứ mệnh Apollo và các tiểu hành tinh từ Hayabusa, Hayabusa II. Các sứ mệnh hiện tại và tương lai nhằm mục đích lấy mẫu từ các hành tinh khác, chẳng hạn như sứ mệnh Trả lại mẫu từ sao Hỏa của NASA sẽ cho chúng ta biết liệu sự sống có tồn tại ở đó hay không.

Thời kỳ hoàng kim thám hiểm Mặt Trăng

Vào những năm 1970, khoảng 380kg đất và đá từ Mặt Trăng được đưa trở lại Trái Đất nhờ các sứ mệnh Apollo của NASA (Mỹ) hay từ Liên Xô (tên gọi thời bấy giờ). Hàng trăm phòng thí nghiệm đã phân tích thành phần của những mẫu vật đầu tiên được mang về từ các hành tinh khác. 

Điển hình như thành phần của Mặt Trời được các nhà khoa học tìm ra bằng việc phân tích các ion bắn ra từ hành tinh này, họ đã định lượng bản chất và dòng chảy vật chất trên bề mặt hành tinh.

Những nghiên cứu này đòi hỏi sự phát triển từ các phương pháp phân tích phức tạp, được cải thiện theo thời gian và giới hạn của chúng ở góc độ quy mô nguyên tử.

Trong suốt ba thập kỷ qua, những sứ mệnh đã được thực hiện trên Mặt Trăng được coi là thời kỳ kỳ diệu mà các nhà khoa học đã thực hiện, và hiện tại Mặt Trăng vẫn đang được nghiên cứu để xây dựng căn cứ cho con người chinh phục sao Hỏa.

Thiên thạch là gián điệp duy nhất

Trong lịch sử, mẫu vật ngoài Trái Đất duy nhất có được là thiên thạch. Chúng đến từ các thiên thể nhỏ như tiểu hành tinh rơi xuống Trái Đất.

Những mẫu thiên thạch này rất được quan tâm, tuy nhiên chúng thường bị phân hủy trong quá trình xuyên qua bầu khí quyển của Trái Đất. 

Vì vậy, vào những năm 2000, các sứ mệnh mang mẫu vật ngoài hành tinh đã trở lại. Sứ mệnh Genesis của NASA lấy mẫu từ Mặt Trời phóng ra, phân tích chúng giúp giải quyết hai vấn đề chính trong hóa học vũ trụ: thành phần đồng vị của oxy-nitơ và chỉ số sự phân nhánh giữa các thiên thể hành tinh khác nhau.

Nhiệm vụ Stardust của NASA, lấy mẫu một số hạt sao chổi khi tàu vũ trụ đi qua đuôi sao chổi Wild2. Nó đã cho chúng ta sự hiểu biết tốt hơn về cách các hệ sao, từ trung tâm đến đĩa hành tinh, hình thành và phát triển trong hàng triệu năm đầu tiên.

Vào năm 2010, sứ mệnh Hayabusa (tiếng Nhật: diều hâu) đã mang về một vài miligam mẫu vật từ tiểu hành tinh Itokawa. 

Trong quá trình hồi hương Trái Đất, một số vấn đề kỹ thuật đã làm hỏng mẫu vật, song nó đã được khắc phục nhờ sự khéo léo của các kỹ sư Nhật Bản và sự phát triển của khoa học công nghệ. Nhiệm vụ này đã thiết lập mối liên hệ giữa tiểu hành tinh này và một lớp thiên thạch được xác định rõ ràng.

Hayabusa 2, quay trở lại Trái Đất ngày 5/12/2020 tại Woomera (Úc), nó đã lấy mẫu từ một tiểu hành tinh Ryugu, được cho là giàu chất hữu cơ và khoáng chất khi tương tác với nước lỏng.

Hayabusa 2 rời Trái Đất vào năm 2014, đạt mục tiêu vào năm 2018. Robot của sứ mệnh đã lấy mẫu đất đá và bụi ở hai địa điểm. Tàu vũ trụ thả một lượng thuốc nổ xuống tiểu hành tinh rồi ẩn náu sau nó, một cánh tay robot sẽ thu thập mẫu vật từ miệng hố được hình thành sau vụ nổ. 

Mẫu vật được gửi đến trung tâm JAXA ở Tokyo, nơi các nhà khoa học vô cùng ngạc nhiên khi phát hiện ra 5,4 gam hạt và bụi đen, gấp 50 lần so với ước tính ban đầu. 

Các kỹ thuật phân tích hiện đại, cho phép hàng chục phòng thí nghiệm phân tích những hạt Ryugu này hầu như ở cấp độ nguyên tử, trong khi vẫn giữ lại một nửa cho các thế hệ tương lai, một chiến lược tương tự kế hoạch được sử dụng cho các mẫu vật từ Mặt Trăng.

Một số trong đó được bảo tồn cho các phân tích sau này, cho thấy các mẫu vật từ tiểu hành tinh Ryugu đặc biệt giàu các nguyên tố dễ bay hơi. Chúng cho phép chúng ta khám phá những mối liên hệ có thể có giữa vật chất nguyên thủy và các nguyên tố dễ bay hơi của các hành tinh.

Sứ mệnh OSIRIS-REx mới đây đã mang về khoảng 200 gam vật chất từ tiểu hành tinh Bennu, giúp các nhà khoa học có thể nghiên cứu tính đa dạng của nó trước khi đồng nhất hóa, trong quá trình phát triển của các hành tinh.

Việc lấy mẫu phong phú cũng sẽ giúp họ thực hiện các phân tích đòi hỏi số lượng lớn hơn so với những gì sứ mệnh Hayabusa 2 mang lại, đặc biệt là liên quan đến chất hữu cơ nguyên thủy và sự hiện diện có thể có của axit amin.

Các nhà khoa học Nhật Bản và Mỹ đang tích cực hợp tác trong hai nhiệm vụ này. Sứ mệnh OSIRIS-REx trị giá 650 triệu euro được triển khai vào năm 2016, tàu vũ trụ đã dành thời gian lập bản đồ tiểu hành tinh trong hai năm.

Việc lấy mẫu diễn ra vào ngày 20/10/2020. Quá trình thực hiện đã gặp một số rủi ro, robot lấy mẫu đã không thể đóng lại, buộc các kỹ sư phải nhanh chóng điều khiển chúng bảo quản mẫu trong hộp đựng trước khi hồi hương.

Chuyến hành trình quay trở lại Trái Đất ngày 24/9, mẫu vật sẽ được chia sẻ cho nhiều nhóm quốc tế để phân tích, khám phá chi tiết nguồn gốc của vật chất nguyên thủy trong Hệ Mặt Trời cũng như của khí quyển và đại dương.

Các sứ mệnh trả mẫu vật ngoài Trái Đất trong tương lai

Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã hợp tác với NASA để mang về các mẫu vật từ sao Hỏa vào năm 2031-2033, với tổng chi phí sẽ vượt quá 7 tỷ euro. Đây là một tập hợp các nhiệm vụ liên tiếp phức tạp, nếu một trong số đó thất bại thì sự trở lại của vật chất sao Hỏa sẽ bị ảnh hưởng. 

Tất nhiên, dự án này là một phần quan trọng để hiện thực hóa mục tiêu đưa con người lên sao Hỏa, trước tiên chúng ta phải mô tả đặc điểm môi trường hành tinh này một cách tốt nhất có thể, đảm bảo sự an toàn cho các phi hành gia.

Hiện tại, một tàu thám hiểm đang trên đường lấy mẫu các trầm tích, hóa thạch, với hy vọng tìm thấy dấu vết của sự sống trong quá khứ hoặc thậm chí hiện tại.

Việc tìm kiếm hoạt động sinh học này cũng có một nhược điểm đối với các nhà địa hóa học, các mẫu phải được xử lý trong phòng sinh học, cho đến khi chúng được tuyên bố là trơ, có khả năng không biến đổi hình dạng, trạng thái, tính chất trước mọi tác động mạnh từ bên ngoài về mặt sinh học bằng cách khử trùng. 

Bữa tiệc sẽ không dừng lại ở đó, sứ mệnh MMX của JAXA, sẽ cất cánh vào năm tới, mục tiêu lấy mẫu một trong hai mặt trăng của Sao Hỏa và quay trở lại các phòng thí nghiệm trên Mặt Đất vào năm 2029.

Cơ quan vũ trụ Trung Quốc (CNSA) cũng có tham vọng lớn trong lĩnh vực này, lên kế hoạch lấy mẫu Mặt Trăng - điều mà họ đã bắt đầu thực hiện với sứ mệnh Hằng Nga 5, mang về những khối đất bazan từ một vệ tinh của Trái Đất vào ngày 16/12/2020. 

Trung Quốc cũng muốn đưa các mẫu từ tiểu hành tinh Kamo'oalewa về Trái Đất vào khoảng năm 2032, sứ mệnh Zheng He và từ Sao Hỏa vào năm 2040 hoặc trước đó.

Một số dự án của Mỹ nhằm mục đích phân tích vật liệu sao chổi được đưa về Trái Đất, mặc dù hiện tại chưa có nhiệm vụ nào được chọn. 

Ngoài mối quan tâm về mặt khoa học, loại sứ mệnh này còn có tác dụng nâng cao kiến thức công nghệ về lĩnh vực không gian và thúc đẩy công nghệ phân tích, trong đó Châu Âu là một trong những quốc gia dẫn đầu.