- Bob King (Universe Today)
Sinh viên dự các lớp giảng cộng đồng của tôi thường hỏi tôi rằng có bất kì nguyên tố nào tìm thấy trong không gian vũ trụ là chưa biết trên Trái đất chúng ta hay không. Câu trả lời cho câu hỏi đó là không – thiên nhiên sử dụng 98 nguyên tố tự nhiên giống nhau để tạo nên mọi thứ từ những ngôi sao và hành tinh quen thuộc cho đến những vật thể thuộc về những thiên hà xa nhất mà chúng ta có thể nhìn thấy. Trái đất là nơi bạn sẽ tìm thấy nhiều nguyên tố lạ lùng hơn bất kì nơi nào khác trong vũ trụ.
Trong khi không có nguyên tố mới nào được tìm thấy trong không gian là không có mặt trên Trái đất, nhưng thật sự có những hợp chất hóa học là độc nhất vô nhị đối với những hành tinh khác, những thiên thạch và những đám mây khí giữa các sao gọi là tinh vân. Ảnh: NASA
Một nguyên tố là một chất tinh khiết được cấu tạo từ một loại nguyên tử. Cái làm cho nguyên tố này khác với nguyên tố kia là số lượng proton có trong hạt nhân nguyên tử của nó. Mọi nguyên tử có 6 proton sẽ luôn luôn là bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Các nguyên tố trong bảng tuần hoàn được sắp xếp theo số nguyên tử của chúng.
Các nguyên tử có cấu tạo gồm proton, neutron và các electron quay xung quanh. Số lượng proton trong hạt nhân nguyên tử là cái phân biệt nó với nguyên tử khác. Hydrogen, nguyên tố đơn giản nhất, có 1 proton; carbon có 6 proton.
Hai nguyên tố dồi dào nhất trong vũ trụ là hydrogen và helium, số 1 và số 2 trong bảng tuần hoàn; cùng với nhau, chúng chiếm 98% toàn bộ vật chất nhìn thấy trong vũ trụ. 2% còn lại bao gồm mọi nguyên tố khác từ nguyên tố nhẹ lithium (3) cho đến californium (98), nguyên tố tự nhiên nặng nhất được tìm thấy trên Trái đất và trong các ngôi sao. Californium không bền và “phân hủy” thành những nguyên tố đơn giản hơn. Mặc dù các nhà khoa học tạo ra nó trong phòng thí nghiệm bằng cách dùng neutron bắn vào berkelium (97), nhưng những lượng có thể phát hiện được của nguyên tố rất hiếm này đã được tìm thấy trong tự nhiên trong các mỏ trầm tích giàu uranium.
Khi tôi còn học hóa ở trường phổ thông, bảng tuần hoàn các nguyên tố kết thúc tại Lawrencium (103). Hiện nay có 118 nguyên tố, nguyên tố mới đây nhất được tạo ra trong phòng thí nghiệm là ununoctium. Trên thực tế, mọi nguyên tố vượt quá ô 98 đều là nhân tạo, chúng được tạo ra trong các lò phản ứng hạt nhân hoặc trong các thí nghiệm máy gia tốc hạt. Chúng có thời gian sống rất ngắn. Với quá nhiều proton tích điện dương đẩy lẫn nhau trong hạt nhân của chúng, những nguyên tố này nhanh chóng vỡ thành những nguyên tố đơn giản hơn trong một quá trình gọi là phân hủy phóng xạ.
Ảnh minh họa những ngôi sao đầu tiên trong Vũ trụ tỏa sáng lúc khoảng 200 triệu năm sau Big Bang. Những mặt trời đầu tiên này được cấu tạo chủ yếu gồm hydrogen và helium tinh khiết. Chúng và những thế hệ sau này đun nấu những nguyên tố nặng hơn sau đó phân phát vào mặt trời và bản thân chúng ta. Ảnh: NASA/WMAP Science Team
Ngược thời gian về lúc Big Bang, khi vũ trụ chào đời trong một vụ nổ, chỉ những nguyên tố đơn giản nhất – hydrogen, helium và những lượng nhỏ lithium – được đun nấu. Bạn không thể tạo ra một hành tinh từ vật chất nhẹ như thế. Cần đến thế hệ sao đầu tiên, chúng hình thành từ những viên gạch cấu trúc cơ bản này, để tổng hợp những nguyên tố phức tạp hơn như carbon, oxygen, lưu huỳnh và các nguyên tố tương tự thông qua sự nhiệt hạch trong lõi của chúng.
Khi các ngôi sao nổ thành sao siêu mới, không những các nhánh nguyên tố mới này bị thổi bùng vào không gian vũ trụ, mà lượng nhiệt và áp lực rất lớn từ vụ nổ còn tạo ra những nguyên tố nặng hơn nữa như vàng, đồng, thủy ngân và chì. Rồi toàn bộ các nguyên tố được hợp nhất vào một thế hệ sao thứ hai. Rồi đến thế hệ thứ ba.
2% các nguyên tố sao-tạo, bao gồm carbon, nitrogen và silicon, cùng với những nguyên tố khác, tiếp tục tạo nên các hành tinh và sau đó trở thành cái thiết yếu cho sự sống. Bạn và tôi đều được tạo nên từ vật chất đã qua xử lí cao độ. Các nguyên tử của cơ thể chúng ta đã từng ở trong rồi được giải phóng ra khỏi lõi của một vài thế hệ sao. Nghĩ theo hướng lạc quan và tích cực thì mỗi người chúng ta có một “ngôi sao nội tại” tiềm ẩn bên trong.
Muối ăn được hình thành bởi sự liên kết chặt chẽ của các nguyên tử natrium và chlorine. Mỗi nguyên tố có đặc tính riêng của nó – một là kim loại dễ cháy (natrium), một là chất khí nguy hiểm. Chúng liên kết với nhau, và kết quả là một chất an toàn, đậm đà hương vị. Ảnh: Wikipedia
Bây giờ hãy trở lại với câu hỏi về những chất liệu kì lạ trong không gian không có mặt trên Trái đất. Thay vì các nguyên tố, nếu nhìn vào các hợp chất, chúng ta sẽ gặp câu trả lời. Một hợp chất cũng là một chất tinh khiết bao gồm hai hoặc nhiều nguyên tố hóa học liên kết với nhau. Những hợp chất quen thuộc như nước (2 hydrogen liên kết với 1 oxygen) và muối (1 natrium và 1 chlorine).
Các hợp chất hóa học, kể cả nước, được tìm thấy trong Tinh vân Orion bởi Kính thiên văn vũ trụ Herschel. Ảnh: ESA, HEXOS và HIFI Consortium E. Bergin
Các nhà thiên văn đã tìm thấy khoảng 220 hợp chất hay phân tử trong không gian vũ trụ bên ngoài, nhiều trong số chúng có họ hàng trên Trái đất nhưng một số thì rất xa lạ. Chúng ta chẳng phải nhìn đi đâu xa để tìm chúng vì một số chất đã được mang đến bậc cửa nhà chúng ta dưới dạng những gói quà đá gọi là thiên thạch. Dưới đây là một danh sách ngắn những khoáng chất mới hình thành bên trong các tiểu hành tinh (xuất xứ của các thiên thạch) dưới những điều kiện rất khác với trên Trái đất:
- Barringerite: một hợp chất kim loại của sắt, nickel và phosphorus.
- Oldhamite: khoáng chất màu nâu xám cấu tạo gồm calcium, magnesium và lưu huỳnh.
- Kosmochlor: khoáng chất màu xanh lục chứa calcium, chromium, silicon và oxygen.
Còn chất liệu mới trên các hành tinh và sao chổi thì sao? Các nhà thiên văn đã khám phá ra những hợp chất trong khí quyển của những hành tinh khí khổng lồ Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên Vương tinh và Hải Vương tinh như silane (silicon-hydrogen), arsine (arsenic-hydrogen) và phosphine (phosphorus-hydrogen) không tồn tại tự nhiên trên Trái đất. Loài người đã tạo ra cả ba chất này trong phòng thí nghiệm và sử dụng chúng trong nhiều ngành công nghiệp, ví dụ như sản xuất chất bán dẫn.
Helium, chất khí làm những quả bong bóng của chúng ta thăng lên, lần đầu tiên được khám phá ra trong quang phổ của mặt trời bởi nhà thiên văn người Pháp Pierre Janssen trong một kì nhật thực vào năm 1868. Cuối cùng các nhà khoa học đã tìm thấy nó trên Trái đất vào năm 1895. Ảnh: Bob King
Và rồi còn có Brownleeite, một manganese silicide được tìm thấy hồi năm 2003 trong một hạt bụi do sao chổi 26P/Grigg-Skjellerup mang tới. Bên ngoài hệ mặt trời, các nhà thiên văn nhìn thấy những phân tử carbron dạng chuỗi dài khác lạ trong không gian không hình thành trên Trái đất vì oxygen sẽ xé toạc chúng ra. Không gian là nơi ẩn náu an toàn của chúng.
Vì thế, Trái đất là một nơi trong Vũ trụ mà bạn sẽ tìm thấy nhiều nguyên tố lạ lùng hơn bất kì nơi nào khác. Do hoạt động của con người và những phân tử phức tạp liên kết với nhau để tạo ra sự sống, Trái đất là nơi lạ lùng nhất trong vũ trụ.
Nguồn: Bob King (Universe Today)
