Nếu bạn từng tham gia một khóa học về khoa học hành tinh, hoặc có thể vừa mở một cuốn sách về Hệ Mặt trời, bạn có thể đã thấy sơ đồ cấu trúc bên trong của các hành tinh, cho thấy lớp vỏ, lớp phủ và lõi của chúng.
Thế nhưng có lẽ điều mà bạn có thể không nhận ra là những sơ đồ đó "là hình vẽ và phỏng đoán" dựa trên các phép đo hấp dẫn, nhà địa vật lý Mark Panning của Phòng thí nghiệm sức đẩy phản lực của NASA chia sẻ. Hành tinh duy nhất có cấu trúc mà các nhà khoa học thực sự hiểu chi tiết là Trái Đất.
Chúng ta biết các phần bên trong của Trái Đất thông qua các phép đo địa chấn - điều mà trước đây chúng ta chưa thể thực hiện được ở các hành tinh khác. Cho đến gần đây, các nhà nghiên cứu cuối cùng cũng có thể có thể xác nhận Sao Hỏa có một lõi kim loại lỏng lớn.
Panning là nhà khoa học của dự án JPL cho sứ mệnh InSight của NASA, đã hạ cánh một máy đo địa chấn trên hành tinh đỏ vào năm 2018 và đã ghi lại các trận Marsquakes kể từ đó. Tàu đổ bộ InSight của NASA được thiết kế để tiết lộ cấu trúc bên trong của Sao Hỏa thông qua các kết quả đo địa chấn và nhiệt được lấy từ một bãi hạ cánh trên Elysium Planitia, một đồng bằng dọc theo đường xích đạo của Sao Hỏa.
Panning và các đồng nghiệp đã sử dụng dữ liệu đo địa chấn InSight để thiết lập độ dày và cấu trúc có thể có của lớp vỏ Sao Hỏa, cùng với nhiệt độ của lớp phủ hành tinh và đưa ra xác nhận địa chấn trực tiếp đầu tiên về lõi của Sao Hỏa.
Trong nghiên cứu về lớp vỏ Sao Hỏa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kết quả đọc của hai loại sóng địa chấn - sóng P và sóng S - để xác định cấu trúc tiềm năng và độ dày của lớp vỏ.
Panning cho biết sóng P nhanh hơn sóng S và việc đo lường sự khác biệt về thời gian đến của chúng tại máy đo địa chấn InSight cho phép các nhà nghiên cứu xác định được vị trí của Marsquake.
Điều quan trọng là, khi sóng P vượt qua một quá trình chuyển đổi vật chất, chẳng hạn như từ lớp đệm sang lớp vỏ, "hầu hết năng lượng tiếp tục dưới dạng sóng P, nhưng một chút sẽ chuyển thành sóng S", Panning nói. Việc đo sự khác biệt về thời gian của hai sóng đó cho các nhà nghiên cứu biết khi nào các sóng đã vượt qua một lớp.
Vùng này của sao Hỏa được gọi là Cerberus Fossae. Đây là nơi bắt nguồn của hai trận động đất lớn nhất mà InSight phát hiện.
Các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy ba "điểm va chạm" trong dữ liệu kết quả mà hai mô hình có thể giải thích tốt như nhau.
Trong một mô hình, lớp vỏ bên dưới InSight có hai lớp và dày khoảng 20 km. Mặt khác, lớp vỏ có ba lớp và dày khoảng 39 km.
Điều này cho thấy lớp vỏ Sao Hỏa dày trung bình từ 24 đến 72 km, và "cả hai lớp này thực sự nằm ở mức mỏng hơn khi so với kỳ vọng trước sứ mệnh của chúng tôi", Panning nói. Một số mô hình trước đây đã đặt ra giả thuyết rằng lớp vỏ của hành tinh này dày 100 km.
Trong khi đó, nghiên cứu kiểm tra lớp phủ của Sao Hỏa lại xem xét các sóng địa chấn dội ra khỏi bề mặt nhiều lần để đến muộn hơn các sóng P và S, Panning nói, đồng thời đo vận tốc của chúng để hiểu được tính nhất quán và nhiệt độ của lớp phủ.
"Để phù hợp với các vận tốc mà chúng tôi quan sát được, bạn phải giữ cho lớp phủ tương đối mát mẻ so với phạm vi mô hình mà chúng tôi đã xem xét trước khi có dữ liệu", ông nói.
Panning cho biết thêm, phát hiện này kết hợp với kết quả của nghiên cứu lớp vỏ vì lớp phủ nóng hơn nằm dưới lớp vỏ mỏng hơn sẽ tạo ra nhiều núi lửa hơn những gì được thấy trên Sao Hỏa ngày nay. Các quan sát về lớp phủ lạnh hơn cũng dẫn đến ước tính của các nhà nghiên cứu rằng lớp vỏ Sao Hỏa giàu các nguyên tố phóng xạ sinh nhiệt hơn - bằng hệ số từ 13 đến 20 - so với lớp vỏ.
Hình minh họa cấu trúc bên trong của Sao Hỏa.
Nghiên cứu lõi Sao Hỏa đã sử dụng sóng ScS - sóng S dội ra khỏi lõi - để xác định bán kính của lõi khoảng 1.800 km đồng thời xác nhận các phép đo trọng lực cho thấy lõi là chất lỏng.
Panning nói: "Một lõi rắn sẽ không tạo ra phản xạ đủ mạnh để chúng ta có thể nhận thấy nó. Thế nhưng trên thực tế, chúng tôi đã ghi lại nó xác nhận rằng lõi là chất lỏng".
Các phép đo được thực hiện trước hết nhờ độ nhạy cực cao của máy đo địa chấn, mà Panning cho biết có thể đo rung động trên quy mô của một nguyên tử hydro.
Ông nói: "Trên Trái Đất, luôn có tiếng ồn địa chấn mà máy đo địa chấn ghi lại từ các đại dương tạo ra tiếng ồn đó. Nhưng máy đo địa chấn của chúng tôi trên Sao Hỏa có lẽ nhạy hơn hai bậc độ lớn so với những chiếc máy đo tốt nhất trên Trái Đất".
Trái Đất là một hành tinh đá, cũng như Sao Thủy, Sao Kim và Sao Hỏa, hiểu được sự hình thành và tiến hóa của các hành tinh đá khác có thể được coi là chìa khóa để hiểu được hành tinh mà chúng ta gọi là nhà.
Các bước tiếp theo đối với nhóm của Panning sẽ là đào sâu hơn vào dữ liệu mà họ có hiện tại, nhưng với việc InSight dự kiến tiếp tục hoạt động vào năm 2022, thì nếu may mắn đo được một số trận động đất ở phạm vi khác với các phép đo hiện tại của họ, nó thậm chí có thể cho phép họ xác định xem mô hình hai hoặc ba lớp của Sao Hỏa là chính xác hay không.