Truy tìm chữ ký sinh học trên ngoại hành tinh

Các nhà khoa học đã phát hiện hàng nghìn ngoại hành tinh (hành tinh ngoài Hệ Mặt trời), trong đó hàng chục hành tinh dạng Trái đất quay trong khu vực có thể sống được, xung quanh các ngôi sao chủ.

Kính thiên văn cực lớn ELT.

Lối tiếp cận hứa hẹn để tìm kiếm dấu vết sự sống trong những thế giới như vậy là nghiên cứu khí quyển ngoại hành tinh dưới góc độ chữ ký sinh học.

Công việc khó khăn

Chữ ký sinh học (biosignature) là những gì đặc trưng cho dấu hiệu sự sống; hoặc nói cách khác là sản phẩm do sinh vật sống tạo ra.

Chẳng hạn, nhờ quang hợp mà khí quyển hành tinh chúng ta có gần 21% oxy. Đây là nồng độ khá cao nếu xét dưới góc độ thành phần Trái đất, quỹ đạo Trái đất và ngôi sao chủ (Mặt trời).

Tìm kiếm chữ ký sinh học không phải là công việc dễ dàng. Các nhà khoa học sử dụng dữ liệu liên quan đến việc khí quyển ngoại hành tinh tương tác với ánh sáng từ ngôi sao chủ, để tìm hiểu bản chất của khí quyển này.

Tuy nhiên các thông tin (quang phổ) do các kính viễn vọng mặt đất và kính viễn vọng không gian thu được, là rất hạn chế, nên không thể thực hiện các phép đo trực tiếp đối với khí quyển ngoại hành tinh hoặc phát hiện chữ ký sinh học của chúng.

Trong vòng 5 – 10 năm tới, chúng ta có thể có cơ hội đầu tiên để quan sát khí quyển các ngoại hành tinh dạng Trái đất. Đó là nhờ sự kiện các đài quan sát thiên văn mới được kết nối trực tuyến, trong đó có Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) và các đài quan sát thiên văn trên mặt đất, chẳng hạn như Kính thiên văn cực lớn (ELT).

Nhiều công trình nghiên cứu thiên văn tập trung vào mô phỏng hình dạng ngoại hành tinh dạng Trái đất qua lăng kính của JWST và các kính viễn vọng mặt đất. Qua đó, các nhà thiên văn học có thể hiểu được quang phổ do các kính viễn vọng thu nhận và dựa vào đó họ biết về khí quyển ngoại hành tinh.

Kính thiên văn không gian James Watt.

Một nhóm ngoại hành tinh (cách Trái đất khoảng 40 năm ánh sáng) quay xung quanh những ngôi sao chủ rất nhỏ và lạnh lẽo là mục tiêu của các nhà nghiên cứu. Để so sánh, sứ mệnh Kepler nhận dạng các ngoại hành tinh xung quanh những ngôi sao ở cách chúng ta hơn 1.000 năm ánh sáng.

Các ngôi sao chủ kích thước nhỏ hơn cung cấp các tín hiệu tốt hơn liên quan đến thành phần khí quyển các ngoại hành tinh, bởi vì lớp khí quyển mỏng của ngoại hành tinh có thể chặn nhiều hơn ánh sáng từ ngôi sao chủ kích thước nhỏ.

Các nhà nghiên cứu còn chú ý đến một vài ngoại hành tinh nhằm tìm kiếm dấu vết sự sống và khả năng có sự sống. Tất cả được xác định trong các nghiên cứu từ mặt đất, chẳng hạn như TRAPPIST và SPECULOOS, và cả trong khuôn khổ dự án MEarth do ĐH Harvard (Mỹ) thực hiện.

Những ngoại hành tinh được biết đến nhiều nhất trong nhóm này là 7 hành tinh quay xung quanh sao lùn TRAPPIST-1. Đây là sao lùn kiểu M – một trong những ngôi sao nhỏ nhất được biết đến. Ba trong 7 ngoại hành tinh của nó ở trong khu vực có thể sống được.

TRAPPIST-1 được xem như hệ thống tốt nhất cho nghiên cứu, bởi vì ngôi sao chủ rất nhỏ, đến mức chúng ta có thể lấy được khá nhiều thông tin mang theo tín hiệu từ khí quyển các ngoại hành tinh. Tất cả các ngoại hành tinh đều tương tự như Trái đất, nhưng có ngôi sao chủ hoàn toàn khác.

Mô phỏng qua kỹ thuật số.

Cần sự hợp tác của nhiều chuyên gia

Lúc bắt đầu hình thành, các sao lùn kiểu M còn là những thiên thể lớn và sáng chói; sau đó chúng giảm dần kích thước. Như vậy, các hành tinh của sao lùn kiểu M có thể bị phơi nhiễm bức xạ cường độ cao trong một thời gian dài, thậm chí có thể lên tới hàng tỷ năm.

Điều này có thể làm hành tinh mất đi bầu khí quyển, tuy nhiên hoạt động núi lửa cũng có thể bổ sung các thành phần khí quyển cho hành tinh.

Dựa vào mật độ vật chất các hành tinh của hệ TRAPPIST-1, chúng ta biết rằng chúng có trữ lượng các hợp chất có thể bổ sung vào khí quyển. Các kết quả nghiên cứu ban đầu của Kính thiên văn không gian JWST đối với TRAPPIST-1 sẽ là xác định hành tinh nào còn duy trì được khí quyển và đó là loại khí quyển gì.

Tín hiệu dễ nhất đối với JWST là sự hiện diện của carbon dioxide (CO2). Tuy nhiên có CO2 không có nghĩa là có dấu vết của sự sống. Cả sao Kim lẫn sao Hỏa có bầu khí quyển chứa nồng độ CO2 cao, tuy nhiên trên các hành tinh này không có sự sống.

Trong khí quyển Trái đất, nồng độ CO2 tăng giảm thích ứng đối với từng mùa trong năm. Vào mùa xuân, nồng độ CO2 giảm vì cây xanh phát triển và sử dụng nhiều CO2 từ khí quyển. Vào màu thu, cây thay lá và nồng độ CO2 trong khí quyển tăng lên. Thế nhưng, xác suất để Kính JWST có những quan sát theo mùa là khá thấp.

Thay vào đó, JWST có thể tìm kiếm chữ ký sinh học khác, đó là sự hiện diện của methane cùng với CO2. Thông thường, methane có “cuộc sống chung” ngắn ngủi với CO2. Vì thế, nếu chúng ta phát hiện methane và CO2 cùng nhau, thì có thể có một thứ gì đó đã sinh ra methane. Phần lớn methane trong khí quyển Trái đất là do sinh vật (sự sống) tạo ra.

Hệ thống TRAPPIST-1.

Bản thân oxy cũng chưa phải là chữ ký sinh học. Tất cả tùy thuộc vào nồng độ oxy và các thành phần khác trong khí quyển. Hành tinh có thể có khí quyển giàu oxy sau khi mất đại dương, chẳng hạn: Ánh sáng phân tách các phân tử nước thành oxy và hidro. Hidro sau đó thoát vào vũ trụ, còn oxy “đọng lại” trong khí quyển hành tinh.

Kính JWST có lẽ sẽ không phát hiện trực tiếp được oxy từ phản ứng quang hợp. Trong khi đó, Kính thiên văn cực lớn ELT và các đài quan sát thiên văn liên quan có thể làm được điều đó, bởi vì các quan sát được thực hiện trên bước sóng khác (nhờ đó có nhiều cơ hội phát hiện oxy hơn). Kính JWST phát hiện tốt hơn các sinh quyển giống như sinh quyển trên Trái đất hàng tỷ năm trước.

Giai đoạn sáng chói nhiều nhất của sao lùn dạng M có thể khiến hành tinh có khí quyển với hiệu ứng nóng lên không kiểm soát được. Hành tinh có thể không còn đại dương và có khí quyển giàu oxy. Khả năng tiếp theo là ngoại hành tinh có tình trạng giống như Trái đất.

Để hiểu được thế giới các ngoại hành tinh, các nhà khoa học phải xem xét quỹ đạo, thành phần khí quyển cùng ngôi sao chủ. Điều này đòi hỏi phải có sự hợp tác của nhiều nhà thiên văn học, địa chất học, các chuyên gia về khí quyển, các chuyên gia về sao và hành tinh…

Nhật Linh

Theo giaoducthoidai.vn