Có gì bên trong nhân trong cùng của lõi Trái đất? Liệu nó có thực sự tồn tại hay không? Nghiên cứu mới của TS. Phạm Thành Sơn (Đại học Quốc gia Úc) đã cung cấp bằng chứng mới góp phần chứng minh một giả thuyết đã tồn tại hơn 20 năm về lớp bên trong cùng của địa cầu.

.
.

.


Ảnh: Drew Whitehouse, Phạm Thành Sơn, Hrvoje Tkalčić.

Bí ẩn kéo dài hai thập kỷ

Cách đây không lâu, người ta vẫn cho rằng phần bên trong Trái đất được tạo thành từ bốn lớp: lớp vỏ, lớp phủ, nhân ngoài (ở thể lỏng) và nhân trong (ở thể rắn). Trong đó, lõi bên trong bằng kim loại, đường kính khoảng 2.440 km, được phát hiện vào những năm 1930, dựa trên sóng địa chấn truyền qua Trái đất.

Năm 2002, các nhà khoa học đã đặt ra giả thuyết về sự tồn tại của một quả bóng kim loại bên trong lõi bên trong cùng - tức lớp thứ năm, tách biệt với phần còn lại. Trong 20 năm qua, “đây không phải là một giả thuyết không có biến chuyển gì cả vì đã có những nghiên cứu cung cấp thêm các bằng chứng về nhân trong cùng của lõi trong này”, TS. Phạm Thành Sơn chia sẻ với Báo KH&PT. Nhưng cái khó là nhân trong này vô cùng nhỏ, “nếu sử dụng phương pháp sóng địa chấn thông thường thì mình sẽ phải ‘dùng’ trận động đất từ một mặt của địa cầu thu ở trạm ở phía đối diện”, TS. Sơn giải thích. Tuy nhiên, đây là điều cực kỳ khó khăn bởi động đất chỉ diễn ra ở một số vùng nhất định chứ không diễn ra ở tất cả mọi nơi, và đa phần những phần đối diện của những trận động đất ấy lại nằm trên biển hoặc ở đại dương - những khu vực không thể lắp đặt được các trạm địa chấn vì chi phí vô cùng đắt đỏ. Các đường truyền sóng do vậy trở nên không đều, có nơi dày đặc, nơi lại thưa thớt và khó có thể có một cách nào để sử dụng những đường truyền sóng này và khám phá về nhân trong của Trái đất một cách hoàn hảo nhất.

Thế nên, không khó hiểu khi việc nghiên cứu và quan sát được nhân trong cùng của Trái đất vẫn là một trở ngại trong vòng 20 năm vừa qua. Trong khi đó, đây lại là một chủ đề rất quan trọng. “Việc nghiên cứu về lõi Trái đất không chỉ đơn thuần là sự tò mò về mặt học thuật, mà nó còn có thể làm sáng tỏ chính sự tiến hóa của sự sống trên bề mặt hành tinh của chúng ta. Lý do là bởi, từ trường liên quan đến lõi Trái đất đã giúp bảo vệ sự sống trên địa cầu này khỏi bức xạ vũ trụ có hại. Nếu không có “lá chắn” ấy, sự sống trên Trái đất sẽ không thể tồn tại ở dạng mà chúng ta biết ngày nay. Vì vậy, việc hiểu lịch sử tiến hóa của lõi bên trong hành tinh của chúng ta và mối liên hệ của nó với trường địa từ có liên quan đến việc hiểu dòng thời gian tiến hóa của sự sống trên bề mặt Trái đất”, TS. Sơn viết trong bài báo trên The Conversation.

Bằng chứng từ phương pháp mới

Đã nghiên cứu về nhân trong của Trái đất trong vòng năm năm, TS. Phạm Thành Sơn nhận thấy rằng các phương pháp sóng địa chấn cũ sẽ khó có thể giúp nhóm nghiên cứu tìm ra thêm các chứng cứ mới. Đó là lý do cách đây ba năm, anh và cộng sự bắt đầu nghiên cứu và phát triển một phương pháp mới mà hiện nay nhóm gọi là phương pháp trường sóng tương quan. “Thay vì dùng những sóng lan truyền trực tiếp từ trong động đất đến trạm địa chấn - những tín hiệu đi một chiều [vốn bị giới hạn bởi phân bố của các trận động đất và các trạm], chúng tôi quan sát những sóng mà nó có thể đi lại nhiều chiều rất nhiều lần”, TS. Sơn cho biết.

Theo nhóm nghiên cứu, những phát hiện cho thấy có thể đã có một sự kiện toàn cầu lớn tại một thời điểm nào đó trong dòng thời gian tiến hóa của Trái đất dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc tinh thể hoặc kết cấu của lõi bên trong Trái đất.

Anh nhớ lại, vào thời gian đầu nghiên cứu về phương pháp, họ sử dụng tín hiệu từ 3-10 giờ đồng hồ sau khi trận động đất xảy ra. Bằng cách tính toán trường sóng tương quan, nhóm nghiên cứu phát hiện ra có những sóng dội ngược lại rất nhiều lần trong lòng Trái đất. “Chưa có một nghiên cứu nào công bố về việc có thể quan sát được sóng dội ngược lại từ trận động đất đến trạm địa chấn bằng cách sử dụng trường sóng tương quan, do đó chúng tôi tập trung vào tìm sóng mà có thể dội nhiều lần như vậy qua đường kính của Trái đất”, TS. Sơn cho biết. “Lợi ích của việc đấy là mình có thể có thông tin về phương truyền sóng rõ ràng hơn so với việc sử dụng trường sóng địa chấn truyền thống”.

Vào thời điểm cách đây năm năm, nhóm nghiên cứu sử dụng sóng đuôi (còn được gọi là sóng coda) - sóng dội ngược lại rất lâu trong lòng Trái đất, từ ba giờ đồng hồ trở lên. Trong quá trình nghiên cứu, nhóm nhận thấy họ đã quan sát được các tín hiệu rất muộn và nảy ra ý tưởng quay lại tìm khoảng sóng phản xạ trong khoảng 1-3 giờ đồng hồ.

“Bằng cách phát triển một kỹ thuật để tăng cường các tín hiệu được ghi lại bởi các mạng địa chấn mật độ cao, lần đầu tiên chúng tôi đã quan sát thấy các sóng địa chấn dội qua lại tới năm lần dọc theo đường kính Trái đất. Chưa bao giờ có những báo cáo khác về sóng của động đất mà đi từ một chiều đến chiều còn lại và đi lại đến năm lần - đây là lần đầu tiên quan sát như vậy được công bố. Các nghiên cứu trước đây chỉ ghi nhận sóng từ một trận động đất đến phần còn lại và dội ngược lại trạm địa chấn là hết”, TS. Sơn cho biết. Với phát hiện mới này, bài báo “Up-to-fivefold reverberating waves through the Earth’s center and distinctly anisotropic innermost inner core” của nhóm TS. Sơn đã được đăng tải trên tạp chí Nature Communications (chỉ số IF là 17.694).

Và điều đáng chú ý là nhờ sử dụng phương pháp mới này, nhóm của TS. Sơn đã chứng minh được lõi trong cùng của nhân trong Trái đất thực sự tồn tại. Để tìm ra kết quả đó, nhóm nghiên cứu đã phân tích dữ liệu từ khoảng 200 trận động đất mạnh từ 6 độ richter trở lên trong thập kỷ qua. Trong đó, một trong những trận động đất mà các nhà khoa học nghiên cứu bắt nguồn từ bán đảo Alaska, sóng địa chấn gây ra bởi trận động đất này dội lại đâu đó ở phía Nam Đại Tây Dương, trước khi quay trở lại Alaska.

Nhóm nghiên cứu của TS. Sơn đã nghiên cứu tính bất đẳng hướng của hợp kim sắt-niken bên trong lõi trong của Trái đất. Tính bất đẳng hướng này được sử dụng để mô tả cách sóng địa chấn tăng tốc hoặc giảm tốc độ khi xuyên qua vật chất của lõi bên trong Trái đất tùy thuộc vào hướng mà chúng di chuyển. Nó có thể được gây ra bởi sự sắp xếp khác nhau của các nguyên tử sắt ở nhiệt độ và áp suất cao hoặc sự sắp xếp của các tinh thể đang phát triển.

Kết quả là, nhóm nghiên cứu nhận thấy các sóng địa chấn dội lại liên tục thăm dò các điểm gần tâm Trái đất từ ​​các góc độ khác nhau. Bằng cách phân tích sự thay đổi thời gian di chuyển của sóng địa chấn đối với các trận động đất khác nhau, các nhà khoa học đã suy ra rằng: cấu trúc kết tinh ở vùng trong cùng có thể khác với lớp bên ngoài của nhân trong Trái đất. Điều này có thể giải thích tại sao sóng tăng tốc hoặc chậm lại tùy thuộc vào góc của chúng khi chúng lan truyền qua lõi trong cùng của Trái đất.

Theo nhóm nghiên cứu, những phát hiện cho thấy có thể đã có một sự kiện toàn cầu tại một thời điểm nào đó trong dòng thời gian tiến hóa của Trái đất dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc tinh thể hoặc kết cấu của lõi bên trong Trái đất. “Tại vì nhân trong của Trái đất cũng phát triển dần dần, giống như những cây gỗ. Do đó, nếu lõi bên trong này phát triển khác với phần bên ngoài thì chứng tỏ là môi trường trong thời gian ‘cây gỗ’ ấy phát triển đã có sự biến đổi nào đó”, TS. Sơn giải thích. Trong khi đó, sự tồn tại của nhân trong là khởi nguồn của trường sóng điện từ, và cách mà nhân trong phát triển cũng sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển của trường sóng điện từ ấy. “Vậy thì trong quá trình phát triển của nhân trong, trường sóng điện từ ấy cũng trải qua một số biến động rất lớn”, anh nói về những hướng nghiên cứu được gợi mở ra từ kết quả này.

Nhưng nếu cho rằng chúng ta đã có thể thỏa mãn với phát hiện mới về lõi Trái đất này thì sẽ là một lầm tưởng lớn. “Việc nghiên cứu về lõi của Trái đất, đặc biệt là những lõi sâu bên trong cùng vẫn đang ở thời kỳ rất sơ khai. Lý do đơn giản là vì mình không thể đến đấy được mà chỉ có thể sử dụng sóng động đất truyền qua”, TS. Sơn cho biết.

“Vẫn còn rất nhiều câu hỏi chưa được trả lời”, anh nói thêm. “Chẳng hạn như bán kính của nhân trong vẫn còn sai số rất lớn. Bên cạnh đó, cấu trúc của lớp chuyển tiếp từ lõi trong cùng đến vỏ ngoài của nhân trong cũng vẫn là một câu hỏi vì mình chưa biết được nó thực sự là một lớp riêng biệt hay là sự biến đổi từ từ. Theo TS. Sơn, cách để trả lời những câu hỏi như vậy chỉ có thể thông qua việc thu thập thêm dữ liệu. “Và một trong những phương pháp mà chúng tôi đang nghiên cứu là sử dụng học máy, trí tuệ nhân tạo để thu thập thêm nhiều dữ liệu, giúp cho việc quan sát rõ ràng hơn”.

Tuy nhiên, TS. Sơn cho rằng, lĩnh vực nghiên cứu này đang có những đột phá, và những nỗ lực như của nhóm anh và nhiều nhóm nghiên cứu khác đang làm cho bức tranh về lõi trái đất này trở nên rõ ràng hơn. “Bằng cách nghiên cứu cấu trúc bên trong của trái đất, chúng ta cũng có thể áp dụng toàn bộ những kiến thức đó để hiểu thêm về cấu trúc và sự phát triển của những hành tinh khác”, TS. Sơn cho biết.