Sao hỏa là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Sao Hỏa là gì?

Sao Hỏa (Mars) là hành tinh thứ tư trong Hệ Mặt Trời, nằm giữa Trái Đất và vành đai tiểu hành tinh. Đây là hành tinh đất đá, cùng nhóm với Trái Đất, Kim tinh và Thủy tinh, nhưng có nhiều điểm khác biệt đáng kể về khí hậu, địa chất và điều kiện sinh sống. Với bề mặt có màu đỏ đặc trưng do hàm lượng cao oxit sắt (Fe₂O₃), Sao Hỏa thường được gọi là “hành tinh đỏ”.

Hành tinh này có đường kính khoảng 6.779 km, bằng khoảng 53% đường kính Trái Đất, và thể tích chỉ bằng 15% thể tích Trái Đất. Trọng lực bề mặt của Sao Hỏa vào khoảng 3,71 m/s² – tương đương 38% trọng lực Trái Đất. Thời gian quay một vòng quanh trục gần bằng Trái Đất, khoảng 24 giờ 39 phút (gọi là một “sol”), trong khi một năm Sao Hỏa kéo dài 687 ngày Trái Đất.

Sao Hỏa có hai vệ tinh nhỏ là Phobos và Deimos, được cho là các tiểu hành tinh bị bắt giữ bởi trọng lực của hành tinh. Với các đặc điểm địa hình đa dạng, khí hậu biến đổi và dấu hiệu từng tồn tại nước lỏng, Sao Hỏa là mục tiêu nghiên cứu chính của nhiều cơ quan không gian với kỳ vọng xác định khả năng tồn tại sự sống ngoài Trái Đất.

Cấu trúc và địa chất bề mặt

Bề mặt Sao Hỏa có nhiều đặc điểm địa chất quy mô lớn, thể hiện lịch sử hoạt động địa chất mạnh mẽ trong quá khứ. Nổi bật nhất là các dãy núi lửa khổng lồ, các hẻm vực khổng lồ và vùng địa hình bị xói mòn. Olympus Mons – núi lửa cao nhất trong Hệ Mặt Trời – cao tới 21,9 km, vượt trội so với đỉnh Everest (8,8 km). Valles Marineris – hệ thống hẻm vực trải dài hơn 4.000 km, sâu đến 7 km – là một trong những cấu trúc địa hình lớn nhất từng được biết đến.

Lớp vỏ hành tinh chủ yếu là bazan và chứa nhiều bụi mịn có hàm lượng cao oxit sắt, gây ra màu đỏ đặc trưng. Các hình thái địa chất như đồng bằng dung nham, cồn cát, và hố va chạm tồn tại khắp nơi. Một số khu vực có dấu hiệu bị xói mòn bởi nước hoặc băng trong quá khứ. Bằng chứng địa chất thu thập từ các tàu như Perseverance và Curiosity đã xác nhận sự tồn tại các lớp trầm tích đa dạng và khoáng vật sét.

Phân tích dữ liệu địa chấn từ tàu InSight cho thấy Sao Hỏa có cấu trúc ba lớp cơ bản: vỏ, phủ và lõi. Lõi có đường kính ước tính khoảng 1.800 km và có thể ở trạng thái lỏng, chứa sắt, nickel và lưu huỳnh. Không giống Trái Đất, Sao Hỏa hiện không có hoạt động kiến tạo mảng rõ rệt, tuy nhiên có bằng chứng cho thấy các quá trình co giãn vỏ hành tinh vẫn diễn ra ở quy mô địa phương.

Khí quyển và điều kiện thời tiết

Khí quyển Sao Hỏa cực kỳ loãng, với áp suất trung bình khoảng 610 Pa, chỉ bằng 0,6% áp suất khí quyển Trái Đất ở mực nước biển. Thành phần khí quyển chủ yếu là carbon dioxide (CO₂) chiếm khoảng 95,3%, kế đến là nitrogen (N₂) khoảng 2,7%, argon (Ar) khoảng 1,6%, và hơi nước cùng oxygen ở mức vi lượng.

Do khí quyển mỏng, bề mặt Sao Hỏa chịu sự biến thiên nhiệt độ rất lớn. Nhiệt độ trung bình toàn cầu khoảng -60°C, có thể xuống đến -125°C vào ban đêm tại cực và lên tới 20°C vào ban ngày tại xích đạo vào mùa hè. Đặc điểm nổi bật là các cơn bão bụi, trong đó có những cơn kéo dài hàng tháng và che phủ toàn hành tinh, ảnh hưởng đến hoạt động của các tàu thăm dò và mức bức xạ mặt trời tiếp nhận.

Bầu khí quyển Sao Hỏa có chứa các tầng mây mỏng, bao gồm cả mây băng CO₂ và mây nước. Ngoài ra, các hiện tượng như lốc bụi, sương mù sáng sớm và các dải khí lạnh cũng đã được ghi nhận bởi tàu vũ trụ và robot tự hành. Sự hiện diện của những hệ thống thời tiết này cho thấy Sao Hỏa vẫn có hoạt động khí quyển tích cực, dù ở mức độ thấp.

Nước trên Sao Hỏa

Nước được coi là yếu tố quyết định sự sống, và các bằng chứng về sự tồn tại của nước trên Sao Hỏa trong quá khứ và hiện tại là một trọng tâm trong các nghiên cứu hành tinh. Dữ liệu từ các vệ tinh quỹ đạo như Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) cho thấy nhiều vùng trên bề mặt có các thung lũng xói mòn, đồng bằng phù sa, các kênh dẫn nước cổ và thậm chí là các cấu trúc châu thổ, cho thấy dòng chảy nước từng tồn tại hàng tỷ năm trước.

Hiện nay, nước tồn tại chủ yếu dưới dạng băng tại hai cực và trong lớp đất băng vĩnh cửu gần bề mặt. Một số nghiên cứu radar từ thiết bị SHARAD trên MRO đã xác định các lớp băng sâu đến hàng trăm mét dưới bề mặt. Các khu vực như Utopia Planitia và Arcadia Planitia được xác định có trữ lượng băng lớn, thuận lợi cho việc khai thác nếu con người đổ bộ lên Sao Hỏa trong tương lai.

Một trong những phát hiện đáng chú ý là dấu hiệu của hồ nước mặn ở dạng lỏng dưới lớp băng tại cực nam, phát hiện thông qua phân tích dữ liệu radar từ tàu Mars Express của ESA. Mặc dù còn gây tranh cãi, giả thuyết này nếu được xác thực sẽ mở ra khả năng tồn tại sự sống dạng vi sinh vật trong điều kiện khắc nghiệt dưới bề mặt hành tinh.

Từ trường và bức xạ

Sao Hỏa không có từ trường toàn cầu như Trái Đất. Thay vào đó, các đo đạc từ tàu Mars Global Surveyor và InSight cho thấy một số khu vực cổ đại trên vỏ hành tinh vẫn còn từ hóa cục bộ, gợi ý rằng hành tinh từng có một dynamo hành tinh – tức là lõi sắt chuyển động sinh ra từ trường – trong quá khứ cách đây hơn 4 tỷ năm.

Việc thiếu lớp từ quyển hoạt động khiến khí quyển Sao Hỏa dễ bị bào mòn bởi gió Mặt Trời, đặc biệt là các hạt năng lượng cao. Sứ mệnh MAVEN của NASA đã ghi nhận sự mất mát khí quyển đáng kể theo thời gian, giải thích vì sao hành tinh ngày nay có khí quyển rất loãng. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến khả năng giữ nhiệt mà còn tạo ra điều kiện bức xạ nguy hiểm cho bất kỳ sinh vật nào hoặc thiết bị đặt trên bề mặt hành tinh.

Bức xạ vũ trụ (GCR) và bức xạ mặt trời (SEP) là hai nguồn chính gây ion hóa tại bề mặt. Thiết bị RAD (Radiation Assessment Detector) trên tàu Curiosity ghi nhận mức phơi nhiễm bức xạ trung bình trên bề mặt Sao Hỏa là khoảng 233 microgray/ngày, cao gấp ~20 lần so với mức trung bình trên Trái Đất. Bảng so sánh sau đây giúp hình dung sự khác biệt:

Vị trí	Mức phơi nhiễm bức xạ (microgray/ngày)
Trái Đất (mực nước biển)	~10
Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS)	~200
Bề mặt Sao Hỏa	~233

Điều này đặt ra yêu cầu rất cao cho việc thiết kế tàu vũ trụ, trang phục phi hành gia và nơi ở có khả năng chống bức xạ hiệu quả khi thực hiện sứ mệnh có người lên Sao Hỏa.

Khả năng tồn tại sự sống

Dù các điều kiện hiện tại trên Sao Hỏa không thuận lợi cho sự sống như chúng ta biết, song bằng chứng địa chất và hóa học thu thập được cho thấy hành tinh này có thể từng có môi trường sống được trong quá khứ. Sự tồn tại của nước lỏng, khoáng vật sét (clay minerals), và các phân tử hữu cơ đã được xác nhận trong các mẫu phân tích tại Gale Crater.

Tàu Curiosity phát hiện các phân tử hữu cơ thơm (aromatic organics) ổn định trong lớp đá trầm tích 3 tỷ năm tuổi. Đồng thời, thiết bị SAM (Sample Analysis at Mars) cho thấy nồng độ methane trong khí quyển thay đổi theo mùa – một dấu hiệu tiềm năng của hoạt động sinh học hoặc quá trình địa hóa học chưa rõ nguyên nhân.

Nghiên cứu mô phỏng điều kiện Sao Hỏa trong phòng thí nghiệm cho thấy một số vi sinh vật chịu cực hạn từ Trái Đất – chẳng hạn như Deinococcus radiodurans hoặc vi khuẩn ưa mặn – có thể tồn tại trong điều kiện mô phỏng của Sao Hỏa, đặc biệt là dưới bề mặt. Những phát hiện này đặt ra câu hỏi quan trọng về khả năng hành tinh từng có hoặc còn chứa vi sinh vật sống sót trong môi trường khắc nghiệt hiện tại.

Sứ mệnh khám phá Sao Hỏa

Sao Hỏa là hành tinh được thám hiểm nhiều nhất sau Trái Đất, với hàng chục sứ mệnh được triển khai từ những năm 1960. Các cột mốc đáng chú ý bao gồm:

• Viking 1 & 2 (1975): Các tàu đổ bộ đầu tiên thực hiện phân tích sinh học trên bề mặt hành tinh.
• Pathfinder & Sojourner (1997): Thiết lập nền tảng cho robot tự hành hoạt động hiệu quả.
• Spirit & Opportunity (2003): Khám phá dấu hiệu thủy văn, hoạt động trong nhiều năm vượt mục tiêu ban đầu.
• Curiosity (2012): Phân tích hóa học đất đá tại Gale Crater, phát hiện hợp chất hữu cơ và methane.
• Perseverance (2021): Thu thập mẫu đá tại Jezero Crater, chuẩn bị cho sứ mệnh mang mẫu về Trái Đất.

Hiện tại, các sứ mệnh chủ lực như Perseverance, Curiosity, MRO, và InSight đang cung cấp dữ liệu liên tục. Ngoài ra, các quốc gia khác cũng có đóng góp quan trọng như:

• Hope (UAE): Nghiên cứu khí quyển và động lực học tầng cao.
• Tianwen-1 (Trung Quốc): Gồm tàu quỹ đạo, tàu đổ bộ và robot Zhurong – lần đầu tiên Trung Quốc đổ bộ thành công lên hành tinh khác.
• Mangalyaan (Ấn Độ): Sứ mệnh thành công đầu tiên của ISRO, chi phí thấp, cung cấp dữ liệu ảnh và khí quyển.

Kế hoạch đưa người lên Sao Hỏa

NASA, ESA và một số công ty tư nhân như SpaceX đang phát triển lộ trình đưa người lên Sao Hỏa, với mục tiêu thực hiện sứ mệnh có người đầu tiên trong thập niên 2030. Những sứ mệnh này đòi hỏi giải quyết hàng loạt vấn đề kỹ thuật, y sinh và hậu cần – từ tiếp đất an toàn đến sinh tồn dài ngày trong môi trường không trọng lực và bức xạ cao.

Chiến lược "sử dụng tài nguyên tại chỗ" (ISRU – In-Situ Resource Utilization) đang được NASA thử nghiệm nhằm tạo ra oxy từ CO₂ trên hành tinh, sử dụng công nghệ như MOXIE (được thử nghiệm thành công trên Perseverance). Việc tạo nước từ băng dưới lòng đất, sản xuất nhiên liệu tên lửa và xây dựng khu trú ẩn chống bức xạ là những yếu tố sống còn cho việc duy trì sự sống dài hạn trên Sao Hỏa.

SpaceX đang phát triển hệ thống tàu Starship có khả năng mang theo hơn 100 tấn hàng hóa hoặc 100 người, dự kiến thực hiện các chuyến bay không người lái đến Sao Hỏa trong những năm tới, làm tiền đề cho sứ mệnh có người định cư lâu dài trên hành tinh này.

Tài liệu tham khảo

1. NASA Mars Exploration Program. https://mars.nasa.gov/
2. ESA – Mars Express. https://www.esa.int/...
3. Banfield, D. et al. (2020). "The atmosphere of Mars as observed by InSight". Nature Geoscience.
4. Grotzinger, J. et al. (2014). "A habitable fluvio-lacustrine environment at Yellowknife Bay, Gale Crater, Mars". Science.
5. Conrad, P. G. et al. (2016). "Mars Science Laboratory Curiosity rover". Journal of Geophysical Research: Planets.
6. Jakosky, B. M. et al. (2015). "MAVEN observations of the response of Mars to an interplanetary coronal mass ejection". Science.
7. Hassler, D. M. et al. (2014). "Mars’ surface radiation environment measured with the Mars Science Laboratory’s RAD instrument". Science.