Sự thật về “mặt tối” Mặt Trăng, nhiều người hiểu sai

Ngày 7/3, các phi hành gia của sứ mệnh Artemis II đã có chuyến bay vòng quanh Mặt Trăng mang tính lịch sử, công bố những bức ảnh mới đầy ấn tượng do phi hành đoàn chụp.

Bốn phi hành gia đã tái hiện bức ảnh "Trái Đất mọc" (Earthrise) nổi tiếng của Apollo 8 năm 1968 bằng một bức hình mạnh mẽ ghi lại cảnh Trái Đất đang lặn phía sau bề mặt xám, lỗ chỗ hố va chạm của Mặt Trăng.

Một bức ảnh khác ghi lại hiện tượng nhật thực toàn phần, xảy ra khi Mặt Trăng che khuất Mặt Trời theo góc nhìn của phi hành đoàn.

Hình ảnh ấn tượng do sứ mệnh Artemis II ghi nhận, một lần nữa khơi dậy sự tò mò về phần bề mặt Mặt Trăng mà con người ít có cơ hội quan sát - khu vực thường được gọi là "mặt tối".

“Mặt tối” của Mặt Trăng thực chất là gì?

Phần "mặt tối" của Mặt Trăng lần đầu tiên được quan sát vào năm 1959, khi tàu vũ trụ Luna 3 của Liên Xô (cũ) gửi về những hình ảnh đầu tiên. Kể từ đó, nhiều sứ mệnh của NASA và các cơ quan vũ trụ khác đã tiếp tục ghi nhận khu vực này. 

Ở bất kỳ thời điểm nào, chỉ có một nửa Mặt Trăng được Mặt Trời chiếu sáng, trong khi nửa còn lại nằm trong bóng tối.

Theo NASA, do Mặt Trăng vừa tự quay quanh trục vừa chuyển động quanh Trái Đất với cùng chu kỳ, khi quan sát từ Trái Đất luôn chỉ nhìn thấy một bán cầu. Mặt Trăng mất khoảng 29 ngày để tự quay một vòng quanh trục và cũng mất chừng đó thời gian để hoàn thành một vòng quay quanh Trái Đất.

Nếu hai chuyển động này không đồng bộ, chẳng hạn Mặt Trăng quay chậm hơn thì con người có thể quan sát được phần còn lại của nó. Tuy nhiên, do hai chuyển động diễn ra với cùng chu kỳ, chúng ta luôn chỉ nhìn thấy một mặt. Hiện tượng này được gọi là synchronous rotation (quay đồng bộ).

Vì vậy, khái niệm "mặt tối của Mặt Trăng" thực chất dùng để chỉ phần bề mặt luôn quay lưng về phía Trái Đất, hay còn gọi là "mặt xa".

Hai bán cầu Mặt Trăng khác biệt rõ rệt?

Các nhà khoa học từ lâu đã nghi ngờ rằng sự khác biệt giữa hai bán cầu của Mặt Trăng có thể được lý giải bởi cấu trúc bên trong của thiên thể này, nhưng cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng xác thực.

Một nghiên cứu mới đã phát hiện những khác biệt quan trọng dưới bề mặt Mặt Trăng, có thể giải thích vì sao hai bán cầu của nó lại có diện mạo khác biệt rõ rệt.

Bán cầu gần, phần luôn hướng về phía Trái Đất có bề mặt tối màu và được bao phủ bởi tàn tích của các dòng dung nham cổ đại.

"Chúng tôi nhận thấy bán cầu gần của Mặt Trăng biến dạng (uốn) nhiều hơn so với bán cầu xa, điều này cho thấy tồn tại sự khác biệt căn bản trong cấu trúc bên trong giữa hai phía", ông Ryan Park, trưởng nhóm nghiên cứu tại NASA Jet Propulsion Laboratory cho biết.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã phân tích dữ liệu thu thập từ sứ mệnh Gravity Recovery and Interior Laboratory. Trong sứ mệnh này, hai tàu vũ trụ mang tên Ebb và Flow đã được đưa vào quỹ đạo quanh Mặt Trăng trong khoảng một năm, từ 2011 đến 2012.

Dữ liệu từ GRAIL được sử dụng để lập bản đồ cách Mặt Trăng phản ứng với lực hấp dẫn của Trái Đất khi nó chuyển động trên quỹ đạo. Trường hấp dẫn của Mặt Trăng dao động nhẹ khi quay quanh Trái Đất, khiến thiên thể này bị "uốn" nhẹ theo chu kỳ.

Ngoài ra, nguyên nhân khiến một mặt của Mặt Trăng luôn hướng về Trái Đất có thể do hiện tượng tidal locking (khóa thủy triều).

Mặt Trăng quay quanh trục với tốc độ đúng bằng tốc độ quay quanh Trái Đất. Hiệu ứng này xuất phát từ lực hấp dẫn (lực thủy triều) giữa hai thiên thể.

Tương tự như cách Mặt Trăng gây ra thủy triều trên Trái Đất, Trái Đất cũng tác động lực thủy triều lên Mặt Trăng. Do Trái Đất có kích thước lớn hơn, lực này mạnh hơn và theo thời gian đã làm chậm chuyển động quay của Mặt Trăng, cho đến khi đạt trạng thái đồng bộ với quỹ đạo của nó.

Hiện tượng này không chỉ xảy ra với Mặt Trăng mà còn phổ biến ở nhiều vệ tinh tự nhiên trong Hệ Mặt Trời. Các vệ tinh lớn, như nhóm vệ tinh Galilean của sao Mộc hay vệ tinh Titan của sao Thổ, đều ở trạng thái khóa thủy triều, tức luôn quay cùng một mặt về phía hành tinh chủ.

Tuy vậy, quy luật này vẫn tồn tại những sai lệch nhỏ, do quỹ đạo của Mặt Trăng có dạng elip, khoảng cách giữa Mặt Trăng và Trái Đất biến thiên theo thời gian, với điểm gần nhất gọi là cận điểm (perigee) và điểm xa nhất là viễn điểm (apogee).

Sự thay đổi khoảng cách kéo theo biến thiên về vận tốc quỹ đạo, Mặt Trăng chuyển động nhanh hơn khi ở gần Trái Đất và chậm hơn khi ở xa. Tại cận điểm, vận tốc quỹ đạo lớn hơn đôi chút so với vận tốc tự quay quanh trục.

Chính sự chênh lệch này, kết hợp với các yếu tố hình học quỹ đạo, tạo nên hiện tượng dao động biểu kiến của Mặt Trăng, còn gọi là libration. Quan sát từ Trái Đất, Mặt Trăng dường như "lắc" nhẹ theo trục bắc - nam và dao động theo hướng đông - tây.

Nhờ hiệu ứng này, theo thời gian, con người có thể quan sát được khoảng 59% diện tích bề mặt Mặt Trăng, dù tại mỗi thời điểm chỉ nhìn thấy khoảng 50%. Nói cách khác, hiện tượng libration cho phép "hé lộ" thêm khoảng 9% vùng rìa thuộc mặt xa của thiên thể này.

Mặt xa dày đặc hố va chạm

Phần mặt xa của Mặt Trăng gồ ghề hơn nhiều so với mặt gần và bị bao phủ bởi vô số hố va chạm lớn, trong đó có lưu vực Nam Cực - Aitken (South Pole - Aitken Basin), có đường kính khoảng 2.500km.

Một trong những nguyên nhân khiến mặt xa có nhiều hố va chạm là do lớp vỏ tại đây dày hơn đáng kể, hạn chế dung nham trào lên, nên các hố va chạm được bảo tồn rõ hơn. 

Ngược lại, lớp vỏ ở bán cầu hướng về Trái Đất mỏng hơn đáng kể. Trong giai đoạn đầu hình thành, các vụ va chạm thiên thạch đã làm nứt vỡ bề mặt, tạo điều kiện để magma nóng chảy từ bên dưới trào lên và lan rộng.

Quá trình này hình thành nên các đồng bằng bazan rộng lớn, còn gọi là "biển" Mặt Trăng, với đặc trưng bề mặt phẳng và màu tối mà chúng ta quan sát ngày nay.