Kim cương trong thiên thạch: lonsdaleite, ureilit và hạt nano tiền Mặt Trời

Kim cương không chỉ sinh trong lớp phủ Trái Đất: người ta đã tìm thấy kim cương trong thiên thạch sắt Canyon Diablo, trong nhóm thiên thạch ureilit, ở dạng hạt nano trong thiên thạch chondrit cacbon, và trong đá bị nung ép ở các hố va chạm lớn như Popigai (Siberia). Phần lớn chúng nhỏ từ vài nanomet đến vài trăm micromet, không có giá trị trang sức, nhưng lại là bằng chứng khoa học quý: có loại sinh ra trong cú va chạm, có loại có thể đã kết tinh bên trong một hành tinh phôi đã vỡ, có loại còn già hơn cả Hệ Mặt Trời.

Ba con đường sinh kim cương ngoài lớp phủ

Kim cương cần áp suất cao. Ngoài lòng sâu Trái Đất, có ba cách để đạt áp suất ấy hoặc "lách" qua nó:

Con đường thứ ba giống nguyên lý của phương pháp CVD trong phòng thí nghiệm: không cần áp suất cao, chỉ cần điều kiện động học thuận lợi. Vũ trụ đã làm việc đó từ trước khi có Trái Đất.

Canyon Diablo và lonsdaleite

Khoảng 50.000 năm trước, một thiên thạch sắt lao xuống vùng nay là bang Arizona (Mỹ), tạo ra hố Meteor Crater rộng hơn một kilomet. Những mảnh sắt còn lại quanh hố được gọi là thiên thạch Canyon Diablo. Năm 1891, các nhà khoa học đã ghi nhận những hạt cứng bất thường trong chúng, khiến việc cắt mẫu rất khó, và xác định đó là kim cương nhỏ.

Năm 1967, hai nhà khoáng vật học Clifford Frondel và Ursula Marvin mô tả trong mẫu Canyon Diablo một dạng cacbon có cấu trúc lục phương thay vì lập phương như kim cương thường, và đặt tên là lonsdaleite, để vinh danh nhà tinh thể học người Anh Kathleen Lonsdale. Cùng năm, một nhóm khác công bố đã tạo được dạng này trong phòng thí nghiệm bằng cách nén than chì.

Lonsdaleite được cho là hình thành khi sóng sốc nén than chì trong thiên thạch đủ nhanh để các tấm cacbon "sập" lại thành mạng ba chiều mà vẫn giữ thứ tự xếp chồng của than chì. Tuy vậy, nó vẫn là đề tài tranh luận: một số nghiên cứu từ thập niên 2010 cho rằng thứ gọi là lonsdaleite thực chất là kim cương lập phương chứa dày đặc lỗi xếp chồng và song tinh, chứ không phải một pha riêng. Câu hỏi "lonsdaleite có cứng hơn kim cương không", hay được nhắc trên mạng, dựa trên mô phỏng máy tính chứ chưa được đo trên mẫu tự nhiên đủ lớn.

Ureilit: kim cương từ một hành tinh đã mất?

Ureilit là một nhóm thiên thạch đá hiếm, chủ yếu gồm olivine và pyroxen, xen giữa là than chì và kim cương. Tên gọi lấy từ thiên thạch rơi ở Novo-Urei (Nga) năm 1886.

Thành viên nổi tiếng nhất là Almahata Sitta. Tháng 10 năm 2008, tiểu hành tinh nhỏ mang ký hiệu 2008 TC3 được phát hiện khoảng 20 giờ trước khi lao vào khí quyển trên sa mạc Nubia ở Sudan. Đây là lần đầu tiên con người phát hiện một tiểu hành tinh trước khi nó va vào Trái Đất. Các đoàn tìm kiếm sau đó thu được hàng trăm mảnh thiên thạch, phần lớn là ureilit.

Năm 2018, một nhóm nghiên cứu ở Thụy Sĩ công bố trên tạp chí Nature Communications rằng một số kim cương trong Almahata Sitta chứa bao thể cromit, phốt phát và sulfua sắt – niken, mà theo họ chỉ hình thành ở áp suất trên khoảng 20 gigapascal. Áp suất ấy chỉ có trong lòng một thiên thể cỡ từ Sao Thuỷ đến Sao Hoả. Từ đó họ đề xuất rằng ureilit là mảnh vỡ của một hành tinh phôi đã bị phá huỷ trong những va chạm thời sơ khai của Hệ Mặt Trời.

Giả thuyết này hấp dẫn nhưng không được đồng thuận hoàn toàn. Nhiều nhà nghiên cứu khác giải thích kim cương ureilit bằng sốc va chạm, và năm 2022 một nhóm khác báo cáo lonsdaleite trong ureilit, kết luận rằng nó hình thành trong quá trình giảm áp nhanh sau va chạm. Người đọc nên hiểu đây là cuộc tranh luận khoa học đang diễn ra.

Kim cương nano: những hạt bụi già hơn Mặt Trời

Năm 1987, nhóm của Roy Lewis (Đại học Chicago) hoà tan dần các mẫu thiên thạch chondrit cacbon như Allende bằng axit mạnh, cho tới khi chỉ còn lại phần bền nhất. Phần đó hoá ra là vô số hạt kim cương cực nhỏ, kích thước trung bình chỉ khoảng 2–3 nanomet, mỗi hạt vài nghìn nguyên tử cacbon.

Điều khiến phát hiện trở nên đặc biệt là khí xenon nhốt trong các hạt có tỷ lệ đồng vị bất thường, khác hẳn xenon của Hệ Mặt Trời. Kiểu tỷ lệ này được giải thích là sản phẩm của sao siêu mới. Nghĩa là ít nhất một phần các hạt kim cương nano đã hình thành quanh những ngôi sao chết trước khi Mặt Trời ra đời, rồi theo đám mây khí bụi vào vật liệu tạo nên tiểu hành tinh.

Vì mỗi hạt quá nhỏ, không đo riêng từng hạt được, nên hiện nay người ta cho rằng chỉ một phần trong số đó thật sự có nguồn gốc tiền Mặt Trời; phần còn lại có thể hình thành trong chính Hệ Mặt Trời sơ khai. Dù vậy, chúng vẫn là loại hạt bụi tiền Mặt Trời đầu tiên được tách ra từ thiên thạch.

Hố va chạm Popigai và kim cương va đập

Không chỉ thiên thạch chứa kim cương; chính cú va chạm cũng có thể biến đá Trái Đất thành kim cương. Hố Popigai ở bắc Siberia, đường kính khoảng 100 km, hình thành khoảng 35 triệu năm trước. Sóng sốc của cú va chạm đã biến than chì trong đá gơnai thành kim cương ngay tại chỗ, trong khoảnh khắc.

Kim cương va đập Popigai thường là khối đa tinh thể nhỏ, giữ nguyên hình dạng tấm của hạt than chì ban đầu, có khi lẫn lonsdaleite. Các nhà khoa học Liên Xô đã biết đến chúng từ thập niên 1970. Có những ước tính trữ lượng rất lớn được công bố, nhưng loại kim cương này nhỏ, cấu trúc đặc biệt, chưa được khai thác quy mô đáng kể. Hố Ries ở Đức cũng có kim cương va đập siêu nhỏ.

Cũng cần phân biệt với "mưa kim cương" trong lòng Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương: đó là giả thuyết về điều kiện bên trong hành tinh băng khổng lồ, thuộc về site thiên văn trong hệ.

Góc nhìn hôm nay: kim cương như một chiếc nhiệt kế vũ trụ

Kim cương thiên thạch không lấp lánh và không ai đeo chúng. Giá trị của chúng là thông tin: áp suất và nhiệt độ của một cú va chạm, kích thước của một hành tinh đã biến mất, dấu tích của những ngôi sao chết từ trước khi có Mặt Trời.

• Muốn xem thiên thạch thật, các bảo tàng lịch sử tự nhiên lớn có phòng thiên thạch; hố Meteor Crater ở Arizona mở cửa cho khách tham quan và có bảo tàng nhỏ.
• Muốn đọc thêm, Cơ sở dữ liệu Meteoritical Bulletin công khai thông tin từng thiên thạch đã được công nhận, kể cả Almahata Sitta và Canyon Diablo.
• Muốn hiểu nền tảng, tìm đọc về Kathleen Lonsdale, một trong hai người phụ nữ đầu tiên được bầu vào Hội Hoàng gia Anh, người đóng góp lớn cho tinh thể học tia X.