Thiên thạch sắt là những khối hợp kim sắt – niken rơi xuống Trái Đất từ không gian, phần lớn là mảnh vỡ của lõi kim loại trong các tiểu hành tinh từng nóng chảy rồi vỡ tung. Chúng chứa khoảng 5% tới hơn 20% niken, nặng, hút nam châm, và khi cắt, đánh bóng, khắc axit nhẹ trong phòng thí nghiệm sẽ lộ ra mạng vân đan chéo gọi là vân Widmanstätten. Trước khi biết luyện quặng, con người ở nhiều nơi đã dùng sắt thiên thạch làm đồ vật, vì đó là sắt kim loại có sẵn, không cần nấu.
Thiên thạch sắt từ đâu tới?
Khoảng 4,5 tỉ năm trước, khi hệ Mặt Trời còn trẻ, nhiều tiểu hành tinh lớn cỡ vài chục tới vài trăm kilômét được nung nóng từ bên trong. Nguồn nhiệt chính được cho là các đồng vị phóng xạ sống ngắn, nổi bật là nhôm-26. Ở những thiên thể đủ nóng, sắt và niken chảy ra, chìm xuống tâm thành một lõi kim loại, còn đá silicat nổi lên bao quanh. Đó là cùng một quá trình đã tạo ra lõi Trái Đất, chỉ ở quy mô nhỏ hơn rất nhiều.
Sau đó, va chạm giữa các tiểu hành tinh làm một số thiên thể vỡ tan, phơi lõi kim loại ra không gian. Mảnh vỡ trôi hàng trăm triệu năm, có mảnh bị lực hấp dẫn kéo về phía Trái Đất. Vì vậy, cầm một miếng thiên thạch sắt là cầm một phần ruột của một thế giới đã không còn tồn tại.
Trong các thiên thạch được thấy rơi rồi nhặt về, thiên thạch sắt chỉ chiếm khoảng 4–5%, phần lớn còn lại là thiên thạch đá. Nhưng trong các thiên thạch được tìm thấy sau này, tỉ lệ sắt cao hơn nhiều: sắt bền với thời tiết hơn đá, trông khác hẳn đá xung quanh, nặng và hút nam châm nên dễ được để ý. Những khối thiên thạch lớn nhất thế giới cũng đều là sắt, vì khối sắt đặc chịu được cú va với khí quyển tốt hơn đá.
Vân Widmanstätten là gì và vì sao không làm giả được?
Năm 1808, bá tước Alois von Beckh Widmanstätten ở Vienna nung một lát thiên thạch sắt và thấy các vùng trên mặt cắt đổi màu khác nhau, hiện ra một mạng vân. Vài năm trước đó, William Thomson, một người Anh làm việc ở Naples, đã quan sát hiện tượng tương tự khi xử lý thiên thạch bằng axit. Mạng vân này nay mang tên Widmanstätten, đôi khi gọi là cấu trúc Thomson.
Vân sinh ra do hai pha hợp kim sắt – niken cùng tồn tại trong thiên thạch:
- Kamacit: pha nghèo niken, thường dưới khoảng 7%, có mạng tinh thể lập phương tâm khối như sắt thường.
- Taenit: pha giàu niken hơn, mạng lập phương tâm mặt.
Khi khối kim loại nguội qua khoảng nhiệt độ chừng 700 °C tới 400 °C, kamacit tách dần ra khỏi taenit theo các mặt tinh thể nhất định, thành những dải đan chéo. Điều kiện để dải lớn tới cỡ milimét là nguội cực chậm: các ước tính dựa trên sự phân bố niken cho tốc độ cỡ vài độ tới vài trăm độ mỗi triệu năm. Chỉ lõi kim loại nằm sâu trong một tiểu hành tinh, được lớp đá dày bao bọc, mới nguội chậm như vậy.
Không lò nào trên Trái Đất giữ được tốc độ ấy. Vì vậy vân Widmanstätten rõ ràng là một dấu hiệu nhận diện mạnh của thiên thạch sắt. Người làm luyện kim cũng dùng tên "cấu trúc Widmanstätten" cho các dải kim loại hình kim trong thép và hợp kim titan, nhưng ở kích thước nhỏ hơn hẳn, phải nhìn qua kính hiển vi.
Thiên thạch sắt có mấy loại?
Cách chia truyền thống dựa vào hình ảnh mặt cắt, vốn phụ thuộc lượng niken:
| Nhóm | Niken (khoảng) | Mặt cắt sau khi khắc | Ví dụ nổi tiếng |
|---|---|---|---|
| Hexahedrit | dưới 6% | Gần như toàn kamacit, có các đường mảnh song song gọi là đường Neumann | Nhiều mẫu ở Bắc Mỹ |
| Octahedrit | khoảng 6–13% | Vân Widmanstätten đan chéo rõ, loại phổ biến nhất | Gibeon (Namibia), Cape York (Greenland), Sikhote-Alin (Nga) |
| Ataxit | trên khoảng 16% | Mịn, gần như không thấy vân bằng mắt thường | Hoba (Namibia) |
Ngày nay các nhà khoa học còn chia nhỏ theo hàm lượng vết của gali, gecmani, iridi, để lần ngược xem các mẫu có chung một "tiểu hành tinh mẹ" hay không. Kết quả cho thấy thiên thạch sắt trên Trái Đất đến từ hàng chục thiên thể khác nhau.
Những khối thiên thạch sắt nổi tiếng nào còn có thể tới xem?
Hoba: khối lớn nhất chưa từng bị di dời
Năm 1920, một người nông dân ở Namibia cày ruộng và vướng phải một khối kim loại dưới đất. Đó là thiên thạch Hoba, khối thiên thạch đơn lẻ lớn nhất từng được biết, ước khoảng 60 tấn, dạng tấm phẳng chừng 2,7 × 2,7 m. Hoba là loại ataxit giàu niken, khoảng 16%. Vì quá nặng, nó vẫn nằm tại chỗ, được công nhận là di tích quốc gia và có khu đón khách tham quan. Hình dạng phẳng có thể là lý do nó rơi xuống mà không đào một hố va chạm lớn.
Cape York: kho sắt của người Inuit
Ở tây bắc Greenland, nhiều mảnh lớn của thiên thạch Cape York đã nằm trên mặt đất hàng nghìn năm. Người Inuit ở vùng này, nơi gần như không có quặng hay nhiên liệu để luyện kim, đã đập lấy những mảnh sắt nhỏ, rèn nguội cho dẹt rồi gắn vào cán bằng xương, ngà làm dụng cụ cắt. Họ dùng nguồn sắt này trong nhiều thế kỷ, và đồ sắt còn được trao đổi đi xa.
Năm 1897, nhà thám hiểm Robert Peary chở ba mảnh lớn về New York; mảnh lớn nhất, tên Ahnighito, nặng khoảng 31 tấn, nay trưng bày ở Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên Hoa Kỳ. Việc mang các mảnh thiên thạch và cả một số người Inuit về Mỹ thời đó ngày nay bị nhìn nhận là một trang đáng tiếc về đạo đức trong lịch sử thám hiểm.
Sikhote-Alin: trận mưa sắt có nhân chứng
Sáng 12/2/1947, một thiên thạch sắt vỡ tung trên bầu trời vùng Viễn Đông nước Nga, rải hàng nghìn mảnh xuống rừng núi Sikhote-Alin, tạo hàng chục hố va chạm nhỏ. Tổng khối lượng thu được lên tới hàng chục tấn. Đây là một trong những vụ rơi thiên thạch sắt lớn nhất được ghi nhận trực tiếp. Nhiều mảnh còn mang vết lõm như vết ngón tay ấn vào, do bề mặt nóng chảy và bị gió khí quyển bào mòn khi lao xuống.
Người xưa dùng sắt thiên thạch như thế nào?
Những hạt chuỗi sắt tìm thấy ở nghĩa địa Gerzeh (Ai Cập), có niên đại khoảng 3.200 năm trước Công nguyên, và con dao găm trong lăng mộ Tutankhamun đều đã được xác định là sắt thiên thạch nhờ hàm lượng niken cao. Câu chuyện chuyển từ sắt thiên thạch sang sắt luyện từ quặng được kể trong bài về thời đại đồ sắt; ở đây chỉ cần nhớ một điểm kỹ thuật.
Người xưa không nấu chảy sắt thiên thạch. Sắt – niken chảy ở khoảng 1.400–1.500 °C, vượt xa lò nung thời đó. Họ đập, rèn nguội hoặc nung đỏ vừa phải rồi rèn. Đó là lý do đồ sắt thiên thạch cổ thường nhỏ: hạt chuỗi, lưỡi mỏng, đồ trang trí. Muốn có đồ sắt lớn, phổ biến, con người phải chờ tới khi biết khử quặng sắt bằng than trong lò.
Cũng nhờ niken mà khảo cổ học phân biệt được hai nguồn sắt. Sắt luyện từ quặng thời cổ hiếm khi có quá vài phần nghìn niken; sắt thiên thạch thì có vài phần trăm trở lên, kèm tỉ lệ niken – coban đặc trưng.
Làm sao nhận biết một cục đá có phải thiên thạch sắt?
Nhiều người nhặt được cục đá nặng, đen, hút nam châm và hy vọng đó là thiên thạch. Phần lớn trường hợp không phải. Các nhà nghiên cứu gọi vui những mẫu này là "thiên thạch nhầm". Thủ phạm hay gặp nhất lại chính là sản phẩm của nghề luyện kim:
- Xỉ lò: phần bã từ lò luyện, lò rèn, thường có nhiều lỗ bọt khí, mặt thô, đôi khi bóng như thuỷ tinh. Thiên thạch sắt đặc, gần như không có lỗ bọt.
- Quặng magnetit: hút nam châm mạnh, nhưng là ôxít sắt, vạch lên mặt sứ không tráng men để lại vệt đen.
- Quặng hematit: nặng, vạch để lại vệt nâu đỏ, thường hút nam châm rất yếu.
- Mẩu sắt thép công nghiệp: cục gang vỡ, phôi thép gỉ; không có niken đáng kể.
Dấu hiệu gợi ý một thiên thạch sắt: nặng hơn hẳn đá cùng cỡ, hút nam châm, bề mặt có lớp vỏ cháy mỏng màu sẫm hoặc gỉ nâu, có thể có các vết lõm nông như vết ngón tay. Chỉ phân tích thành phần mới khẳng định được: có niken ở mức vài phần trăm, có kamacit và taenit. Việc cắt và khắc axit để tìm vân nên để phòng thí nghiệm làm, vì axit dùng cho việc này ăn mòn da và sinh khói độc.
Nếu nghi mình có một mẫu, có thể chụp ảnh, ghi lại nơi tìm thấy và liên hệ khoa địa chất của các trường đại học hoặc các bảo tàng địa chất để được hướng dẫn. Đừng mài, đừng nung, đừng cắt: mọi thay đổi đều làm mất thông tin khoa học.
Câu hỏi thường gặp
Thiên thạch sắt được làm từ gì?
Chủ yếu là hợp kim sắt – niken, với niken khoảng 5% tới hơn 20%, kèm một ít coban, phốt pho, lưu huỳnh và các nguyên tố vết. Hai pha kim loại chính là kamacit nghèo niken và taenit giàu niken.
Vân Widmanstätten là gì?
Là mạng dải kim loại đan chéo hiện ra trên mặt cắt thiên thạch sắt sau khi đánh bóng và khắc axit nhẹ. Nó hình thành khi khối sắt – niken nguội cực chậm trong lõi tiểu hành tinh, chậm tới mức không lò nào trên Trái Đất mô phỏng được.
Thiên thạch sắt lớn nhất thế giới là khối nào?
Là thiên thạch Hoba ở Namibia, ước khoảng 60 tấn, được phát hiện năm 1920 và vẫn nằm tại chỗ. Mảnh Ahnighito của thiên thạch Cape York, khoảng 31 tấn, là một trong những khối lớn nhất đang trưng bày trong bảo tàng.
Người xưa có nấu chảy sắt thiên thạch không?
Không. Hợp kim sắt – niken chảy ở khoảng 1.400–1.500 °C, cao hơn khả năng của lò cổ. Người xưa rèn nguội hoặc nung đỏ rồi rèn các mảnh nhỏ, làm hạt chuỗi, lưỡi mỏng và dụng cụ cắt.
Cục đá hút nam châm có phải thiên thạch không?
Chưa chắc. Xỉ lò, quặng magnetit và mẩu sắt thép công nghiệp đều hút nam châm và hay bị nhầm. Thiên thạch sắt thật thường đặc, không lỗ bọt, và phải có niken khi phân tích; cần phòng thí nghiệm xác nhận.
