Chương 4 Khởi nguồn của các nguyên tử: “Chúng ta đều sinh ra từ bụi sao”

Các nguyên tố đến từ đâu? Trong suốt nhiều thế kỷ, các nhà khoa học vẫn luôn cho rằng chúng chẳng đến từ đâu cả. Có rất nhiều lý thuyết siêu hình tranh cãi về việc ai (hoặc Đấng Sáng Tạo nào) tạo ra vũ trụ và tại sao, nhưng tất cả đều đồng thuận rằng mọi nguyên tố đã tồn tại kể từ khi vũ trụ sinh ra. Chúng vô thủy vô chung, trường tồn cùng thời gian và thi gan cùng tuế nguyệt. Các lý thuyết mới hơn (như thuyết Vụ nổ Lớn vào những năm 1930) đã áp dụng quan điểm này. Điểm cực nhỏ ấy tồn tại từ 14 tỷ năm trước, chứa đựng tất cả vật chất trong vũ trụ và mọi thứ ta thấy ngày nay đều xuất phát từ đó. Chúng chưa mang hình dạng của vương miện kim cương, lon thiếc hay lá nhôm mà tồn tại dưới dạng các nguyên tử. (Một nhà khoa học tính toán rằng phải mất mười phút để Vụ nổ Lớn tạo ra toàn bộ vật chất đã biết, rồi dí dỏm nói: “Nấu các nguyên tố còn nhanh hơn là nấu thịt vịt và khoai tây nướng.”) Đó lại là một quan điểm theo lẽ thường: lịch sử thiên văn bền vững của các nguyên tố.

Vài thập kỷ sau, lý thuyết đó bắt đầu gây tranh cãi. Năm 1939*, các nhà khoa học Đức và Mỹ đã chứng minh rằng Mặt Trời và các ngôi sao khác tự gia nhiệt bằng cách hợp hạch 1 hydro thành heli, giải phóng nguồn năng lượng khổng lồ bất chấp kích thước cực nhỏ của nguyên tử. Một số nhà khoa học đồng ý rằng số lượng hydro và heli có thay đổi (dù rất ít), nhưng không có bằng chứng nào cho thấy số lượng của các nguyên tố khác thay đổi cả. Khi kính thiên văn ngày càng được cải thiện, nhiều khúc mắc cũng xuất hiện theo. Về lý thuyết, Vụ nổ Lớn phải giải phóng các nguyên tố đồng đều theo mọi hướng. Nhưng dữ liệu đã chứng minh rằng hầu hết các ngôi sao trẻ chỉ chứa hydro và heli, còn các ngôi sao già hơn lại chứa hàng tá nguyên tố. Thêm vào đó, các nguyên tố cực kỳ kém bền như tecneti không xuất hiện trên Trái Đất nhưng lại tồn tại trong một số “ngôi sao đặc biệt về mặt hóa học”.* Phải có thứ gì đó đang liên tục tạo ra các nguyên tố mỗi ngày.

1 . Phản ứng xảy ra dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất rất cao để tổng hợp (hợp) hạt nhân (hạch) nguyên tử nhẹ thành nguyên tử của các nguyên tố nặng hơn. (BTV)

Vào giữa những năm 1950, một số nhà thiên văn học nhạy bén đã nhận ra rằng mỗi ngôi sao đều có thể được coi là một vị thần thợ rèn Vulcan. Năm 1957, Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge, William Fowler và Fred Hoyle (dù không phải những người duy nhất) đã góp công lớn trong việc giải thích lý thuyết về sự tổng hợp hạt nhân ở lõi sao trong bài báo nổi tiếng mà giới chuyên môn thường gọi là B 2 FH. Khác với các bài viết học thuật thông thường, B 2 FH mở đầu bằng hai câu trích dẫn kỳ lạ và mâu thuẫn của Shakespeare về việc các ngôi sao có chi phối số phận nhân loại hay không.* Tiếp đó, bài báo khẳng định là có. Đầu tiên, B 2 FH cho rằng vũ trụ từng là một hỗn hợp nguyên thủy của hydro cùng với một ít heli và liti. Cuối cùng, hydro tụ lại thành các ngôi sao và lực hấp dẫn cực lớn tại lõi sao bắt đầu hợp hạch hydro thành heli, cấp năng lượng cho mọi ngôi sao phát sáng. Mặc cho sự thiết yếu của nó đối với vũ trụ, quá trình này lại rất vô vị về mặt khoa học vì việc duy nhất mà mọi ngôi sao làm trong suốt hàng tỷ năm chỉ là tạo ra heli mà thôi. Chỉ khi cạn kiệt hydro, mọi thứ mới bắt đầu thay đổi và B2FH cho rằng đây mới là đóng góp thực sự của ngôi sao.

Lúc này, những ngôi sao vốn chỉ biết hợp hạch hydro bắt đầu biến đổi, vượt xa tất cả những tưởng tượng hoang đường nhất của giới giả kim.

Trong cơn bĩ cực nhằm duy trì nhiệt độ cao, ngôi sao thiếu hydro bắt đầu hợp hạch heli trong lõi. Đôi khi các nguyên tử heli kết hợp hoàn toàn và tạo thành các nguyên tố có số khối chẵn; đôi khi proton và neutron tách ra để tạo ra các nguyên tố có số khối lẻ. Không lâu sau, một lượng đáng kể liti, bo, beri và đặc biệt là cacbon sẽ tích tụ trong lõi sao (và chỉ ở lớp trong – lớp ngoài nguội hơn chủ yếu vẫn là hydro trong suốt vòng đời). Thật không may, hợp hạch heli giải phóng ít năng lượng hơn hợp hạch hydro, nên sau nhiều nhất là vài trăm triệu năm thì ngôi sao sẽ cạn kiệt heli. Một số ngôi sao nhỏ thậm chí có thể “chết” ngay tại thời điểm này và tạo ra các khối cacbon nóng chảy được gọi là sao lùn trắng. Những ngôi sao nặng hơn (ít nhất là gấp tám lần Mặt Trời của chúng ta) tiếp tục chiến đấu, hợp hạch cacbon thành sáu nguyên tố nặng hơn (cho đến magie) để tồn tại thêm vài trăm năm. Vài ngôi sao nữa bị diệt vong, nhưng những ngôi sao lớn nhất và nóng nhất (nhiệt độ lõi đạt tới năm tỷ độ) lại tiếp tục hợp hạch các nguyên tố đó để sống thêm vài triệu năm nữa. B 2 FH dõi theo các phản ứng hợp hạch khác nhau này và giải thích công thức tạo ra mọi thứ cho đến nguyên tố sắt: nó không khác gì quá trình tiến hóa của các nguyên tố. Nhờ B 2 FH mà các nhà thiên văn học ngày nay có thể coi mọi nguyên tố từ liti tới sắt là “các kim loại sao”. Và khi tìm thấy sắt ở một ngôi sao, các nhà khoa học không cần tìm thêm các nguyên tố nhỏ hơn nữa – bởi khi sắt được phát hiện, họ hoàn toàn có quyền khẳng định rằng phần đầu của bảng tuần hoàn (cho đến nguyên tố sắt) cũng tồn tại.

Theo lẽ thường thì các nguyên tử sắt sẽ tiếp tục hợp hạch trong các ngôi sao lớn nhất, và những nguyên tử mới sinh ra sẽ tiếp tục hợp hạch thành mọi nguyên tố còn lại trong bảng tuần hoàn. Nhưng lẽ thường một lần nữa lại sai. Khi tính toán và kiểm tra lượng năng lượng do mỗi nguyên tử sắt (26 proton) được hợp hạch mà thành phát ra, bạn sẽ thấy phản ứng hợp hạch này tiêu thụ chứ không sản sinh năng lượng. Điều đó nghĩa là phản ứng hợp hạch để tạo thành các nguyên tố nặng hơn sắt* chẳng ích gì cho một ngôi sao đang đói năng lượng. Sắt là hồi chuông báo tử trong cuộc đời của một ngôi sao.

Vậy các nguyên tố nặng nhất: số hiệu nguyên tử từ 27 (coban) đến 92 (urani) tới từ đâu? Trớ trêu thay, B 2 FH cho biết chúng được khai sinh trong các vụ nổ siêu tân tinh. Sau khi cạn kiệt các nguyên tố như magie và silic, các ngôi sao cực lớn (nặng gấp 12 lần Mặt Trời của chúng ta) sẽ hợp hạch lõi sắt trong khoảng thời gian tương đương một ngày trên Trái Đất. Trước khi diệt vong, nó phát ra một tiếng gào thảm khốc để báo hiệu cái chết của mình. Không thể duy trì khối lượng lâu hơn được nữa, các ngôi sao cạn kiệt năng lượng sẽ sụp đổ dưới lực hấp dẫn khổng lồ của chính mình, co lại hàng ngàn kilomet chỉ trong vài giây. Các proton và electron tại lõi tự hút lẫn nhau để tạo thành neutron, mãi cho đến khi hầu như chỉ còn lại neutron (lúc này proton và electron chỉ còn lại rất ít). Sau khi co lại tới cực hạn, chúng bùng nổ ngược ra ngoài. Phải, bùng nổ theo đúng nghĩa đen của từ này. Trong khoảnh khắc huy hoàng cuối cùng của cuộc đời mình (kéo dài trong thời gian bằng khoảng một tháng trên Trái Đất), chúng tạo ra vụ nổ siêu tân tinh trải dài hàng triệu kilomet và sáng hơn một tỷ ngôi sao gộp lại. Chính trong vụ nổ siêu tân tinh này, vô số hạt với động lượng rất lớn va vào nhau với tần suất lớn đến mức nhảy qua cả hàng rào năng lượng bình thường và hợp hạch cùng với những nguyên tử sắt trước đó. Nhiều hạt nhân sắt được bao phủ bởi neutron, một số neutron trong đó phân rã trở lại thành proton và tạo ra các nguyên tố mới. Trận bão hạt này tạo ra mọi nguyên tố cùng các đồng vị của chúng.

Chỉ riêng thiên hà của chúng ta đã có hàng trăm triệu vụ nổ siêu tân tinh trải qua vòng luân hồi này. Một vụ nổ như vậy đã tạo nên Hệ Mặt Trời ngày nay. Khoảng 4,6 tỷ năm trước, một vụ nổ siêu tân tinh đã gây ra tiếng nổ siêu âm và thổi bay đám bụi không gian rộng khoảng 24 tỷ kilomet (tàn tích của ít nhất hai ngôi sao). Đám bụi hòa lẫn với bọt từ vụ nổ siêu tân tinh, và toàn bộ mớ hỗn độn bắt đầu cuộn xoáy như mặt ao khổng lồ bị khuấy động. Nhiệt độ phần lõi đặc của đám mây gia tăng nhanh chóng và tạo thành Mặt Trời (ngôi sao này là thành phẩm của các ngôi sao trước đó), các thiên thể khác bắt đầu kết tụ lại. Các hành tinh ấn tượng nhất (hành tính khí khổng lồ) hình thành khi một cơn gió mặt trời – dòng vật chất phun từ Mặt Trời – thổi các nguyên tố nhẹ hơn ra rìa. Trong đó, Sao Mộc chứa nhiều khí nhất; do nhiều nguyên nhân mà nó trở thành nơi trú ngụ tuyệt vời cho các nguyên tố vì chúng có thể tồn tại dưới những dạng không bao giờ tưởng tượng được trên Trái Đất.

Từ thời cổ đại, những truyền thuyết về Sao Kim rực rỡ, Sao Thổ có vành và Sao Hỏa đầy sự sống đã chắp cánh cho trí tưởng tượng của con người bay xa. Các thiên thể là nguồn tên của nhiều nguyên tố. Sao Thiên Vương được phát hiện năm 1781 đã khiến cộng đồng khoa học vô cùng phấn khích, và một nhà khoa học đã đặt tên cho urani theo tên Sao Thiên Vương (Uranus) vào năm 1789 dù hành tinh này chẳng chứa một gram urani nào. Neptuni và plutoni cũng được đặt tên theo cách này. Nhưng trong tất cả các hành tinh, Sao Mộc mới là nơi có nhiều phát hiện ngoạn mục nhất trong những thập kỷ gần đây. Năm 1994, sao chổi Shoemaker-Levy 9 đã đâm vào nó, vụ va chạm đầu tiên của hai thiên thể mà con người từng chứng kiến. Sự kiện này vô cùng ngoạn mục: 21 mảnh vỡ của sao chổi này đâm vào Sao Mộc và tạo thành các quả cầu lửa bay cao đến 3.000 km. Cảnh tượng này đã gây xôn xao dư luận, và các nhà khoa học của NASA phải đối mặt với nhiều câu hỏi đáng chú ý trong các phiên hỏi đáp trực tuyến. Một người hỏi liệu lõi Sao Mộc có thể là một viên kim cương lớn hơn Trái Đất không. Một người khác hỏi rằng điểm đỏ khổng lồ của Sao Mộc có liên quan gì đến “vật lý siêu chiều [mà ông ta có thể] từng được nghe nói tới” – một mô hình vật lý có thể khiến du hành thời gian trở nên khả thi. Vài năm sau vụ va chạm của Shoemaker-Levy 9, khi lực hấp dẫn của Sao Mộc bẻ cong quỹ đạo sao chổi Hale-Bopp về phía Trái Đất, 39 người cuồng tín đi giày Nike ở San Diego đã tự sát vì tin rằng sao chổi bị Sao Mộc bẻ hướng một cách thần kỳ chứa một UFO có thể đưa họ đến cõi thiêng.

Ngày nay không có chỗ cho niềm tin lạ nữa. (Mặc cho uy tín của mình, Fred Hoyle của nhóm B2FH vẫn không tin vào sự tiến hóa hay Vụ nổ Lớn – cụm từ mà ông đưa ra một cách chế nhạo trên một chương trình phát thanh của BBC để phủ nhận ý tưởng này.) Nhưng câu hỏi về kim cương trong đoạn trước ít nhất cũng có nền tảng thực tế. Một số nhà khoa học từng lập luận nghiêm túc (hoặc đã thầm hy vọng) rằng khối lượng đồ sộ của Sao Mộc có thể tạo ra một viên đá quý khổng lồ như thế. Một số vẫn nuôi hy vọng về sự tồn tại của kim cương lỏng và những viên kim cương rắn to cỡ chiếc xe Cadillac ở đó. Và nếu bạn đang tìm kiếm các vật liệu thực sự kỳ lạ, thì giới thiên văn học tin rằng từ trường thất thường của Sao Mộc chỉ có thể giải thích được bằng các đại dương lỏng có màu đen của “hydro dạng kim loại” 1 . Các nhà khoa học đã tạo ra loại điều kiện cực đoan nhất mà họ có thể trên Trái Đất và thấy hydro dạng kim loại tồn tại trong vài nano giây. Tuy nhiên, nhiều người tin rằng Sao Mộc đã tạo ra một hồ chứa hydro dạng kim loại dày tới 43.000 km.

1 . Hydro ở trạng thái này dẫn điện được. Năm 1935, Eugene Wigner và Hillard Bell Huntington dự đoán nó có tồn tại và có thể ở trong lõi Sao Mộc, Sao Thổ và một số ngoại hành tinh khác. (BTV)

Lý do các nguyên tố tồn tại một cách kỳ lạ như vậy trên Sao Mộc (và trên Sao Thổ – hành tinh khí lớn thứ hai – với mức độ thấp hơn) là vì Sao Mộc là một kẻ nửa nạc nửa mỡ: khối lượng của nó không đủ lớn để trở thành một ngôi sao thực sự. Nếu hút được lượng vật chất nhiều gấp mười lần trong quá trình hình thành, Sao Mộc có thể sẽ biến thành một sao lùn nâu có khối lượng vừa đủ để hợp hạch một số nguyên tử và phát ra ánh sáng nâu mờ.* Nếu vậy, Hệ Mặt Trời có thể sẽ là một hệ sao đôi. (Như ta sẽ thấy ở phía sau, điều này không quá điên rồ.) Thay vào đó, Sao Mộc lại hạ nhiệt độ xuống dưới ngưỡng hợp hạch nhưng vẫn duy trì đủ nhiệt, khối lượng cũng như áp lực để ép các nguyên tử lại rất gần nhau, đến mức chúng ngừng hoạt động như các nguyên tử trên Trái Đất. Bên trong Sao Mộc, chúng bước vào trạng thái lấp lửng, nằm giữa ngưỡng xảy ra phản ứng hóa học và phản ứng hạt nhân. Lúc này, ta có thể có kim cương to bằng Trái Đất và hydro dạng kim loại lỏng.

Khí hậu trên bề mặt Sao Mộc cũng tác động đáng kể tới các nguyên tố. Đây không phải là điều đáng ngạc nhiên trên một hành tinh có thể nuôi dưỡng Vết Đỏ Lớn (một cơn bão lớn gấp ba lần Trái Đất, vẫn tồn tại sau nhiều thế kỷ hình thành 1 ). Khí tượng sâu bên trong Sao Mộc thậm chí còn ngoạn mục hơn thế nữa. Vì gió mặt trời chỉ thổi các nguyên tố nhẹ nhất và dồi dào nhất tới Sao Mộc, nên nó hẳn có thành phần nguyên tố khá giống các sao thực sự: 90% hydro, 10% heli và còn có lượng nhỏ các nguyên tố khác, gồm cả neon. Nhưng các quan sát vệ tinh gần đây cho thấy 25% lượng heli và 90% lượng neon đang biến mất khỏi khí quyển Sao Mộc. Không phải ngẫu nhiên khi một lượng rất lớn các nguyên tố đó tồn tại ở nơi sâu hơn của hành tinh này. Điều gì đó đã bơm khí heli và neon từ điểm này sang điểm khác, và các nhà khoa học sớm nhận ra rằng một bản đồ thời tiết của Sao Mộc có thể cho họ lời giải đáp.

1 . Theo các quan sát gần đây của NASA thì Vết Đỏ Lớn đã co lại. Hiện đường kính của nó chỉ còn bằng khoảng 1,3 lần đường kính Trái Đất. (BTV) Xem tại: https://www.nasa.gov/image-feature/jpl/pia21774/jupiter-s-great-red-spot-swallows- earth

Ở một ngôi sao thực sự, năng lượng từ phản ứng hợp hạch trong lõi sẽ giúp chống lại lực hấp dẫn đang khiến nó co lại. Các điều kiện của Sao Mộc không đủ để khởi động “lò hợp hạch” trong lòng chính nó, nên khó mà ngăn được heli hay neon ở các lớp khí bên ngoài bị hút vào trong. Sau khi đi được khoảng một phần tư quãng đường từ bề mặt Sao Mộc tới lõi, những khí đó tiến gần lớp hydro dạng kim loại lỏng. Và dưới áp suất khí quyển cực mạnh, các khí này sẽ chuyển thành dạng lỏng. Chúng nhanh chóng tụ lại thành giọt.

Ngày nay, mọi người đều thấy heli và neon phát ra ánh sáng nhiều màu trong các ống thủy tinh được gọi là đèn neon. Khi “nhảy dù” xuống bề mặt Sao Mộc, các giọt lỏng có thể được ma sát kích thích và tiếp năng lượng giống như cách hành tinh này đã làm với các thiên thạch. Nếu chúng đủ lớn để rơi đủ nhanh và đủ xa, một người trôi nổi ngay gần lớp hydro kim loại lỏng trong Sao Mộc có thể (chỉ là giả định) nhìn lên bầu trời màu kem pha cam và thưởng thức màn trình diễn ánh sáng ngoạn mục nhất: màn pháo hoa trên bầu trời Sao Mộc với hàng ngàn tỷ vệt màu đỏ thẫm rực rỡ mà giới khoa học gọi là mưa neon.

Lịch sử các hành tinh đá trong Hệ Mặt Trời (Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và Sao Hỏa) thì khác và ít kịch tích hơn nhiều. Khi tinh hệ này bắt đầu hình thành, những hành tinh khí khổng lồ xuất hiện trước (chỉ trong một triệu năm), trong khi các nguyên tố nặng tập trung trong một vành đai thiên thể gần như nằm ở tâm quỹ đạo Trái Đất và bất động trong hàng triệu năm tiếp theo. Khi Trái Đất và các hành tinh lân cận cuối cùng cũng biến thành những quả cầu nóng chảy, các nguyên tố nặng được hòa trộn khá đồng đều trong thành phần của chúng. Mạn phép lấy ý thơ của William Blake, nắm đất trong tay bạn chứa toàn bộ vũ trụ và cả bảng tuần hoàn. Các nguyên tử bắt đầu kết hợp với những đồng vị và họ hàng về mặt hóa học của chúng, và mỗi nguyên tố tập trung tại một khu vực riêng với trữ lượng đáng kể sau quá trình gồm hàng tỷ lần hòa trộn. Chẳng hạn: sắt rắn chìm vào lõi mỗi hành tinh và ở đó đến tận ngày nay. (Không chịu thua kém Sao Mộc, lõi lỏng của Sao Thủy đôi khi cũng phun ra những “bông tuyết” sắt – không giống những bông tuyết sáu cạnh từ nước quen thuộc trên Trái Đất mà ở dạng những khối lập phương siêu nhỏ.*) Trái Đất hẳn đã chẳng có gì ngoài những tảng nhôm, urani và các nguyên tố khác nếu hành tinh này không nguội đi và rắn lại đến mức khiến quá trình hòa trộn ngừng lại. Vì vậy, các mỏ nguyên tố ngày nay phân tán đủ xa để không một quốc gia nào có thể độc quyền về nguồn cung, ngoại trừ vài trường hợp đặc biệt.

So với các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác, bốn hành tinh đá của chúng ta có trữ lượng từng nguyên tố khác nhau. Hầu hết các hệ mặt trời có khả năng đều hình thành từ vụ nổ siêu tân tinh; và tỷ lệ chính xác các nguyên tố trong mỗi hệ phụ thuộc vào năng lượng của vụ nổ siêu tân tinh dùng để tổng hợp nguyên tố và cả những gì tồn tại (như bụi vũ trụ) để trộn với mảnh vụn. Kết quả là mỗi hệ mặt trời có kiểu đặc trưng nguyên tố riêng. Khi học hóa ở trường phổ thông, hẳn bạn đã thấy mỗi nguyên tố trên bảng tuần hoàn đều có nguyên tử khối (tổng số proton và neutron) tương ứng. Ví dụ: cacbon có nguyên tử khối là 12,011 đơn vị. Thực ra, đó chỉ là giá trị trung bình. Hầu hết nguyên tử cacbon có nguyên tử khối là 12 đơn vị và 0,011 được gắn vào khi tính đến các nguyên tử cacbon rải rác có nguyên tử khối là 13 hoặc 14. Nhưng ở một thiên hà khác, nguyên tử khối trung bình của cacbon có thể cao hoặc thấp hơn một chút. Hơn nữa, siêu tân tinh tạo ra nhiều nguyên tố phóng xạ và chúng bắt đầu phân rã ngay sau vụ nổ. Khả năng hai hệ có cùng tỷ lệ nguyên tố phóng xạ-không phóng xạ là rất nhỏ, trừ khi hai hệ được sinh ra cùng lúc.

Với sự khác nhau giữa các hệ mặt trời cùng với việc chúng đã hình thành từ cách đây quá lâu, nhiều người lý trí sẽ hỏi tại sao giới khoa học có được ý tưởng về cách Trái Đất ra đời. Về cơ bản, các nhà khoa học đã phân tích số lượng và vị trí của các nguyên tố phổ biến, nguyên tố hiếm trong vỏ Trái Đất và suy luận xem chúng tồn tại ở đó bằng cách nào. Chẳng hạn: các nguyên tố phổ biến như chì và urani đã giúp xác định tuổi của hành tinh này thông qua một loạt thí nghiệm cực kỳ tỉ mỉ được một nghiên cứu sinh ở Chicago thực hiện vào những năm 1950.

Các nguyên tố nặng nhất có tính phóng xạ và hầu hết chúng (đặc biệt là urani) phân rã thành chì ở trạng thái bền. Vì khởi đầu sự nghiệp với Dự án Manhattan nên Clair Patterson biết tỷ lệ chính xác của các nguyên tử khi urani phân rã. Ông cũng biết rằng có ba loại đồng vị chì tồn tại trên Trái Đất với nguyên tử khối là 204, 206 và 207. Một số nguyên tử chì tồn tại từ khi vụ nổ siêu tân tinh xảy ra, nhưng một số lại do urani phân rã mà thành. Điều đáng chú ý là urani chỉ phân rã thành hai đồng vị Pb-206 và Pb-207. Số lượng nguyên tử Pb-204 là cố định vì không có nguyên tố nào phân rã thành nó. Mấu chốt là tỷ lệ Pb-206 và Pb-207 so với số lượng cố định của Pb-204 đã tăng với một tốc độ có thể dự đoán được, bởi urani vẫn tiếp tục tạo ra hai loại chì này. Nếu biết tỷ lệ đó hiện nay cao hơn thời điểm Trái Đất hình thành bao nhiêu lần thì Patterson có thể dùng tốc độ phân rã urani để ngoại suy ngược về mốc thời gian ban đầu.

Vấn đề là không có ai có mặt lúc Trái Đất hình thành để ghi lại tỷ lệ chì ban đầu, nên Patterson không biết khi nào nên dừng ngoại suy. Nhưng ông đã tìm ra một cách. Tất nhiên không phải tất cả bụi vũ trụ xung quanh Trái Đất đều bị các hành tinh hút vào mà chúng còn tạo thành các thiên thạch, tiểu hành tinh và sao chổi. Vì hình thành từ cùng một loại bụi và trôi nổi trong không gian suốt từ đó tới nay, nên chúng chính là những khối đất được bảo tồn theo thời gian của Trái Đất nguyên thủy. Hơn nữa, vì sắt nằm trên đỉnh của “kim tự tháp” hợp hạch trong lõi sao, nên lượng sắt trong vũ trụ sẽ nhiều hơn các nguyên tố khác. Thành phần của thiên thạch chủ yếu là sắt rắn. Urani và sắt không pha trộn với nhau về mặt hóa học, nhưng sắt và chì thì có. Đây là một tin tốt vì mật độ Pb-204 trong thiên thạch sẽ giống như Trái Đất thuở sơ khai (do trong thiên thạch không có urani để phân rã thành nguyên tử chì mới). Patterson hào hứng lấy về các mảnh thiên thạch từ Canyon Diablo ở Arizona để tiến hành nghiên cứu.

Nhưng nghiên cứu của ông gặp khó khăn bởi một vấn đề lớn hơn, phổ biến hơn: công nghiệp hóa. Từ xa xưa, con người đã sử dụng chì cho các dự án như ống nước đô thị vì tính mềm dẻo của vật liệu này. (Pb – ký hiệu của chì trên bảng tuần hoàn và “plumber” – thợ sửa ống nước đều xuất phát từ “plumbum” trong tiếng Latin.) Và từ khi sơn pha chì và xăng pha chì chống kích nổ sớm ra đời cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, lượng phát thải chì đã tăng giống hệt như lượng phát thải cacbon dioxit ngày nay. Điều này hủy hoại những nỗ lực phân tích thiên thạch của Patterson, khiến ông phải dùng những biện pháp quyết liệt hơn bao giờ hết như đun sôi thiết bị thí nghiệm trong axit sunfuric đặc để ngăn hơi chì do con người tạo ra bám vào các khối đá vũ trụ nguyên sơ của mình. Ông từng trả lời phỏng vấn: “Khi bước vào phòng thí nghiệm siêu sạch như của tôi, chì từ tóc bạn sẽ làm ô nhiễm hết cả”.

Sự cẩn trọng này sớm biến thành nỗi ám ảnh. Khi đọc bộ truyện tranh Peanuts , Patterson thấy nhân vật Pig-Pen lôi thôi chính là hình ảnh ví von về loài người (và đám bụi luôn bao quanh Pig-Pen chính là chì trong không khí). Nhưng việc cố định chì của Patterson đã dẫn đến hai hệ quả quan trọng. Đầu tiên, khi phòng thí nghiệm đủ sạch, ông đã đưa ra ước tính chính xác nhất (hiện vẫn đang được sử dụng) về tuổi Trái Đất: 4,55 tỷ năm. Thứ hai, nỗi kinh hoàng về ô nhiễm chì đã biến ông trở thành một nhà hoạt động xã hội. Chính nhờ ông mà trẻ em trong tương lai sẽ không bao giờ phải ăn khoai tây chiên nhiễm chì và các trạm xăng không cần quảng cáo về xăng “không chì” nữa. Nhờ cuộc vận động của Patterson, ngày nay mọi người đều đồng ý rằng sơn pha chì phải bị cấm còn xe cộ không nên phun hơi chì vào đầu tóc, mặt mũi chúng ta.

Patterson đã tìm ra thời khắc Trái Đất chào đời nhưng đó không phải là tất cả. Sao Kim, Sao Thủy và Sao Hỏa được hình thành đồng thời nhưng chúng hầu như không giống Trái Đất (ngoại trừ vài chi tiết vặt vãnh). Để tìm hiểu tỉ mỉ về lịch sử loài người, các nhà khoa học đã phải khám phá một số khu vực hoang vắng của bảng tuần hoàn.

Năm 1977, nhà vật lý Luis Walter Alvarez cùng con trai là nhà địa chất Walter Alvarez đang nghiên cứu các mỏ đá vôi ở Ý xuất hiện từ thời khủng long tuyệt chủng (khoảng 65 triệu năm trước). Giữa các lớp đá vôi đồng đều này là một lớp đất sét đỏ mịn khác biệt. Kỳ lạ thay, lớp đất sét này giàu iridi gấp 600 lần bình thường. Iridi là một nguyên tố ưa sắt*, nên phần lớn iridi đều nằm trong lõi sắt nóng chảy của Trái Đất. Nguồn iridi phổ biến duy nhất là các thiên thạch, tiểu hành tinh và sao chổi giàu sắt. Điều này khiến cha con Alvarez phải đắn đo suy nghĩ.

Những miệng hố khổng lồ trên bề mặt các thiên thể như Mặt Trăng là do bị oanh tạc từ xa xưa mà thành, và không lý gì Trái Đất lại trở thành ngoại lệ. Nếu một thiên thể to cỡ thành phố va vào Trái Đất 65 triệu năm trước, nó sẽ tạo ra một lớp bụi giàu iridi phủ khắp thế giới (giống như đám bụi quanh Pig-Pen vậy). Đám mây này sẽ che khuất Mặt Trời và khiến thực vật chết đi. Đây dường như là lời giải thích ngắn gọn về nguyên nhân giết chết tới 75% số loài và 99% số sinh vật (chứ không chỉ là khủng long) đang tồn tại lúc bấy giờ. Một số nhà khoa học chỉ bị thuyết phục khi có số lượng nghiên cứu đồ sộ, nhưng cha con nhà Alvarez đã sớm xác định rằng lớp iridi đó xuất hiện trên khắp thế giới, và loại trừ khả năng chúng bắt nguồn từ bụi vũ trụ do một vụ nổ siêu tân tinh gần Trái Đất thổi tới. Khi các nhà địa chất khác (làm việc cho một công ty dầu mỏ) phát hiện ra một miệng hố rộng hơn 150 km, sâu 19 km (hình thành từ 65 triệu năm trước) trên bán đảo Yucatán ở Mexico, lý thuyết về vụ tuyệt chủng do tiểu hành tinh chứa iridi gây ra dường như đã được chứng minh.

Nhưng lương tri khoa học của con người vẫn đôi chút hoài nghi. Tiểu hành tinh có thể đã tạo ra đám mây bụi che phủ bầu trời, mưa axit và sóng thần cao hàng kilomet nhưng Trái Đất rồi cũng sẽ ổn định lại, nhiều nhất là sau vài thập kỷ. Tuy nhiên, theo hồ sơ hóa thạch, sự tuyệt chủng của khủng long đã kéo dài suốt hàng trăm ngàn năm. Nhiều nhà địa chất ngày nay cho rằng những núi lửa khổng lồ ở Ấn Độ đã tình cờ phun trào ngay trước và sau vụ va chạm ở Yucatán, góp phần giết chết khủng long. Năm 1984, một số nhà cổ sinh vật học bắt đầu lập luận rằng khủng long tuyệt chủng nằm trong một quy luật lớn hơn: Trái Đất dường như sẽ trải qua một đợt tuyệt chủng hàng loạt sau mỗi 26 triệu năm. Có phải tiểu hành tinh kia chỉ tình cờ rơi xuống đúng vào lúc khủng long tuyệt chủng?

Các nhà địa chất bắt đầu khai quật các lớp đất sét mỏng giàu iridi khác. Chúng dường như có đặc điểm địa chất trùng khớp với các địa điểm xảy ra tuyệt chủng khác. Theo sau nghiên cứu của cha con nhà Alvarez, vài người đã kết luận rằng các tiểu hành tinh hoặc sao chổi đã gây ra mọi vụ đại tuyệt chủng trong lịch sử Trái Đất. Luis Alvarez thấy ý tưởng này rất mơ hồ, đặc biệt là khi không ai giải thích được phần quan trọng nhất và khó tin nhất của thuyết này: nguyên nhân của sự trùng hợp. Thật trùng hợp, điều đảo ngược hoàn toàn quan niệm của Alvarez chính là một nguyên tố hóa học khó nhận biết khác: reni.

Theo Richard Muller (đồng nghiệp của Luis Alvarez) thuật lại trong cuốn sách Nemesis thì vào thập niên 1980, Alvarez từng xông vào văn phòng ông, trên tay cầm một bài báo “lố bịch” và suy đoán về sự tuyệt chủng định kỳ mà mình phải bình duyệt. Alvarez lúc ấy đang giận tím mặt nhưng Muller lại quyết định đổ thêm dầu vào lửa. Họ tranh luận kịch liệt, không ai chịu nhường ai. Muller đã tóm tắt mấu chốt quan điểm của Alvarez trong cuộc cãi vã như sau: “Trái Đất chỉ là một hạt cát nhỏ bé trong vũ trụ bao la. Xác suất một tiểu hành tinh sượt qua Mặt Trời đâm vào Trái Đất chỉ lớn hơn một phần tỷ có chút xíu mà thôi. Vị trí các va chạm trong không gian là ngẫu nhiên, khoảng thời gian cũng không đều. Sao chúng có thể diễn ra theo chu kỳ chứ?”.

Mặc dù không có manh mối, Muller vẫn bảo vệ khả năng tồn tại một thứ gây ra các vụ oanh tạc định kỳ. Alvarez rốt cuộc đã chán ngấy những phỏng đoán và muốn biết đó là gì. Muller mô tả rằng trong một khoảnh khắc xuất thần, ông đã thốt lên: có thể Mặt Trời có một ngôi sao đồng hành lang thang mà Trái Đất quay quá chậm quanh nó nên con người không nhận ra được; và... và... và khi tới gần chúng ta, lực hấp dẫn của ngôi sao đó hút các tiểu hành tinh về phía Trái Đất. Thế đó !

Muller có thể không thực sự nghiêm túc khi nói đến ngôi sao đồng hành mà sau này được đặt tên là Nemesis* (theo tên nữ thần báo thù trong thần thoại Hy Lạp). Tuy nhiên, ý tưởng này đã làm Alvarez khựng lại, bởi nó giải thích một chi tiết trêu ngươi về reni. Hãy nhớ rằng mỗi hệ mặt trời đều có tỷ lệ đồng vị riêng và duy nhất. Dấu vết của reni đã được tìm thấy trong các lớp đất sét iridi. Và dựa trên tỷ lệ của hai loại reni (một loại có khả năng phóng xạ còn loại kia thì không), Alvarez biết rằng bất kỳ tiểu hành tinh nào có thể gây ra sự diệt vong trên Trái Đất đều phải xuất phát từ chính Hệ Mặt Trời vì tỷ lệ reni của nó giống như trên Trái Đất. Nếu Nemesis thực sự xuất hiện sau mỗi 26 triệu năm và ném vẫn thạch vào chúng ta thì các vẫn thạch ấy cũng sẽ có cùng tỷ lệ reni. Hơn hết, Nemesis có thể giải thích tại sao sự tuyệt chủng của khủng long lại kéo dài như vậy. Miệng hố ở Mexico có thể chỉ là vụ nổ lớn nhất trong cuộc oanh tạc dồn dập dài hàng ngàn năm khi Nemesis ở gần Trái Đất. Thứ đã chấm dứt thời đại nổi tiếng của loài thằn lằn khổng lồ hẳn không phải là một vết thương lớn mà là hàng ngàn hoặc hàng triệu vết đốt nhỏ.

Ngày đó, trong văn phòng của Muller, cơn giận của Alvarez đã tan biến ngay khi nhận ra rằng các tiểu hành tinh định kỳ va vào Trái Đất thực sự là khả dĩ. Ông ra về sau khi có đáp án vừa ý. Nhưng Muller không từ bỏ ý tưởng tình cờ ấy; và càng suy ngẫm, ông càng bị thuyết phục. Tại sao Nemesis không thể tồn tại? Ông bắt đầu nói chuyện với các nhà thiên văn học khác và xuất bản các bài báo về Nemesis. Muller thu thập bằng chứng và động lực để viết sách về nó. Trong vài năm huy hoàng giữa thập niên 1980, dường như Mặt Trời cuối cùng cũng có một bạn đồng hành, dù Sao Mộc chưa có đủ khối lượng để trở thành sao.

Thật không may, bằng chứng trực tiếp cho sự tồn tại của Nemesis không chỉ không đủ mạnh mà còn quá ít. Nếu thuyết về một vụ va chạm duy nhất ban đầu chỉ khiến các nhà phê bình nổ phát súng cảnh cáo, thì giả thuyết Nemesis lại khiến họ phản đối kịch liệt như lính áo đỏ xếp hàng khai hỏa trong cuộc Cách mạng Mỹ. Khó có chuyện giới thiên văn học bỏ lỡ một thiên thể trong suốt hàng ngàn năm quan sát bầu trời, ngay cả khi Nemesis ở điểm xa nhất đi nữa. Alpha Centauri (ngôi sao gần nhất đã biết) cách ta bốn năm ánh sáng, và nếu Nemesis muốn oanh tạc Trái Đất để “báo thù” thì sẽ phải nhích vào gần thêm nửa năm ánh sáng so với con số trên. Những kẻ bảo thủ và lãng mạn vẫn miệt mài lùng sục Nemesis trong vũ trụ, nhưng thời gian cứ trôi còn Nemesis vẫn bặt vô âm tín.

Tuy nhiên, đừng bao giờ đánh giá thấp khát khao tri thức của con người. Với ba sự thật: sự tuyệt chủng dường như theo chu kỳ; iridi ngụ ý về các vụ va chạm; và reni liên quan đến các vẫn thạch từ Hệ Mặt Trời, giới khoa học đang tiến đến gần thứ gì đó, ngay cả khi đó không phải là Nemesis. Họ săn lùng các chu kỳ gây tàn phá, và sớm thấy một ứng cử viên trong chuyển động của Mặt Trời.

Nhiều người cho rằng cuộc cách mạng thiên văn khởi nguồn từ Copernicus đã đặt Mặt Trời ở một vị trí cố định trong không-thời gian. Tuy nhiên, Hệ Mặt Trời lại bị kéo theo chuyển động của Dải Ngân Hà và nhấp nhô như đu quay ngựa trong công viên.* Một số nhà khoa học cho rằng sự nhấp nhô này đưa Hệ Mặt Trời lại đủ gần một đám mây sao chổi khổng lồ và các mảnh vụn không gian xung quanh: đám mây Oort. Toàn bộ thiên thể trong đám mây này đều bắt nguồn từ vụ nổ siêu tân tinh đã sinh ra chúng ta, và bất cứ khi nào Mặt Trời lên đỉnh hoặc xuống đáy (sau mỗi hai mươi mấy triệu năm), Mặt Trời có thể kéo những thiên thể nhỏ kém thân thiện lao ào ào xuống Trái Đất. Hầu hết chúng sẽ bị chệch hướng bởi lực hấp dẫn của Mặt Trời (hoặc của Sao Mộc như cách hành tinh này đã chịu cú đâm của sao chổi Shoemaker- Levy 9 thay cho chúng ta), nhưng vẫn đủ thiên thể vượt qua để oanh tạc liên hồi lên Trái Đất. Tuy chưa được chứng minh, nhưng nếu giả thuyết này đúng thì ta đang ở trong một trò đu quay chết chóc xuyên vũ trụ. Ít nhất nhân loại hãy hàm ơn iridi và reni vì đã cảnh báo rằng chúng ta tốt nhất là nên đi trốn (có lẽ sớm thôi).

Theo một nghĩa nào đó, bảng tuần hoàn không liên quan đến việc nghiên cứu lịch sử thiên văn của các nguyên tố. Mỗi ngôi sao hầu như không có gì ngoài hydro và heli, các hành tinh khí khổng lồ cũng vậy. Dù quan trọng với vũ trụ nhưng thực ra chu trình hydro- heli không khơi gợi trí tưởng tượng cho lắm. Chúng ta cần bảng tuần hoàn để đào sâu nghiên cứu những điều thú vị của tạo hóa, như vụ nổ siêu tân tinh và sự sống từ cacbon. Như triết gia-sử gia Eric Scerri viết: “Ngoài hydro và heli, mọi nguyên tố khác chỉ chiếm 0,04% vũ trụ. Chiếu theo quan điểm này thì bảng tuần hoàn dường như chẳng có ý nghĩa gì đáng kể. Nhưng sự thật là chúng ta vẫn sống trên Trái Đất… nơi mà trữ lượng tương đối của các nguyên tố khá khác nhau.”

Qủa đúng là vậy, dù nó không thi vị bằng cách nói của nhà vật lý thiên văn quá cố Carl Sagan. Nếu không có “lò hợp hạch” mà B 2 FH mô tả để “rèn” nên các nguyên tố như cacbon, oxy, nitơ và không có vụ nổ siêu tân tinh để gieo mầm những nơi hiếu khách như Trái Đất thì sự sống sẽ không bao giờ hình thành. Như Sagan đã nói một cách đầy trìu mến: “Chúng ta đều sinh ra từ bụi sao.”

Thật không may, “bụi sao” của Sagan đã không phân bố đồng đều trên hành tinh chúng ta. Bất chấp rằng vật chất từ siêu tân tinh bắn ra theo mọi hướng và Trái Đất thời tiền sinh nỗ lực khuấy đều chúng, một số vùng vẫn có trữ lượng khoáng chất hiếm cao hơn. Cũng có lúc điều này truyền cảm hứng cho các thiên tài khoa học (như ở Ytterby, Thụy Điển). Nhưng thường thì chúng lại khơi dậy lòng tham – nhất là những nguyên tố quý hiếm đem lại lợi ích về mặt thương mại hay chiến tranh, hoặc tệ hơn là cả hai cùng lúc.