Sự sống trên Trái Đất đã gây ra thay đổi rất lớn đối với thành phần hoá học trên hành tinh. Các nhà thiên văn học sẽ đo ánh sáng phản xạ lại từ những hành tinh xa xôi để tìm kiếm những manh mối về sự sống.
Những thành phần tạo nên sự sống trải rộng khắp vũ trụ. Khi mà Trái Đất là nơi duy nhất được biết đến trong vũ trụ có sự sống, việc phát hiện sự sống ngoài Trái Đất là mục tiêu chính của ngành thiên văn học hiện đại và khoa học hành tinh.
Chúng tôi là hai nhà khoa học nghiên cứu về ngoại hành tinh và sinh học vũ trụ. Đa phần là nhờ vào những kính thiên văn thế hệ sau như James Webb, các nhà nghiên cứu như chúng tôi sẽ sớm có thể đo được thành phần hoá học của bầu khí quyển trên những hành tinh quay quanh các ngôi sao khác. Hy vọng rằng một hoặc nhiều hơn trong những hành tinh này sẽ có dấu hiệu của sự sống về mặt hoá học.
Ngoại hành tinh sống được
Sự sống có thể tồn tại trong Hệ Mặt Trời ở nơi mà nước tồn tại ở thể lỏng, như là tầng chứa nước bên dưới bề mặt của Sao Hoả hay là bên trong những đại dương của Europa - một vệ tinh của Sao Mộc. Tuy nhiên, việc tìm kiếm sự sống ở những nơi này là vô cùng khó khăn, vì chúng rất khó tiếp cận trong khi việc tìm kiếm sự sống lại đòi hỏi cần phải đưa một thiết bị thăm dò đến để mang những mẫu vật chất về.
Nhiều nhà thiên văn học tin rằng nhiều khả năng sự sống có tồn tại trên các hành tinh quay quanh những ngôi sao khác, và có thể đó là nơi đầu tiên tìm thấy được sự sống.
Những tính toán về mặt lý thuyết cho thấy rằng, có khoảng 300 triệu hành tinh có thể sống được chỉ riêng trong Milky Way, và có vài hành tinh sống được có kích thước như Trái Đất chỉ cách Trái Đất 30 năm ánh sáng - về cơ bản thì đó là những hàng xóm trong thiên hà. Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã phát hiện ra hơn 5.000 ngoại hành tinh, trong đó có hàng trăm các hành tinh có tiềm năng sống được, sử dụng những phương pháp gián tiếp đo xem hành tinh đó tác động đến ngôi sao cạnh nó như thế nào. Những phép đo này có thể cung cấp cho các nhà thiên văn học khối lượng và kích thước của một ngoại hành tinh, nhưng không có nhiều những thông tin khác.
Tìm kiếm những dấu vết sinh học
Để phát hiện được sự sống trên một hành tinh xa xôi, các nhà sinh học thiên văn sẽ nghiên cứu xem ánh sáng từ ngôi sao tương tác như thế nào với bề mặt hoặc bầu khí quyển của hành tinh đó. Nếu bầu khí quyển hay bề mặt bị biến đổi do sự sống, ánh sáng có thể sẽ mang một manh mối, gọi là “dấu vết sinh học”.
Trong nửa thời gian đầu tồn tại, Trái Đất không có khí oxy trong khí quyển, mặc dù nó có sự sống đơn bào đơn giản. Những dấu vết sinh học của Trái Đất rất mờ nhạt trong thời kỳ đầu này. Điều này đã thay đổi đột ngột, vào thời điểm cách đây 2,4 tỷ năm, khi một họ tảo mới bắt đầu tiến hoá. Loài tảo này đã sử dụng quá trình quang hợp để tạo ra oxy dạng tự do - oxy không có liên kết hoá học với bất kỳ nguyên tố nào khác. Kể từ thời điểm đó, bầu khí quyển Trái Đất chứa đầy oxy và đã để lại những dấu vết sinh học mạnh mẽ, dễ phát hiện nhờ ánh sáng đi xuyên qua nó.
Khi mà ánh sáng dội ngược ra khỏi bề mặt vật chất hoặc đi qua chất khí, ánh sáng tại một số bước sóng nhất định sẽ bị giữ lại ở trong khí hay bề mặt vật chất nhiều hơn so với những bước sóng khác. Việc giữ lại ánh sáng tại những bước sóng có chọn lọc này là lý do khiến các vật thể có màu sắc khác nhau. Lá cây có màu xanh lục vì chất diệp lục hấp thụ phần lớn ánh sáng ở bước sóng xanh lam và đỏ. Khi mà ánh sáng chiếu vào lá cây, ánh sáng ở bước sóng xanh lam và đỏ bị hấp thụ, còn lại phần lớn là ánh sáng xanh lục sẽ dội ngược lại vào mắt.
Những thành phần cụ thể của vật chất khi mà tương tác với ánh sáng sẽ tạo ra những kiểu mất ánh sáng. Nhờ vào đó, các nhà thiên văn học có thể tìm hiểu được một vài điều về thành phần bầu khí quyển hay bề mặt của ngoại hành tinh, thực chất là đo màu sắc đặc trưng của ánh sáng phát ra từ hành tinh đó.
Phương pháp này có thể được sử dụng để nhận biết sự hiện diện của một số khí trong khí quyển liên quan đến sự sống - chẳng hạn như khí oxy hoặc khí methane - bởi vì những khí này để lại những dấu vết rất đặc trưng trong ánh sáng. Nó cũng được sử dụng để phát hiện màu sắc riêng biệt trên bề mặt hành tinh. Ví dụ, ở trên Trái Đất, chất diệp lục và những sắc tố khác do cây và tảo sử dụng để quang hợp sẽ tạo nên ánh sáng có bước sóng cụ thể. Những sắc tố này tạo ra màu sắc đặc trưng có thể phát hiện được khi sử dụng một máy ảnh hồng ngoại nhạy bén. Nếu bạn nhìn thấy màu sắc này phản chiếu từ bề mặt của một hành tinh xa xôi, đó có thể có sự xuất hiện của diệp lục.
Những kính thiên văn trong không gian và trên Trái Đất
Cần phải có một chiếc kính thiên văn vô cùng mạnh mới có thể phát hiện được những thay đổi khó thấy này trong ánh sáng từ những ngoại hành tinh có tiềm năng sống được. Hiện nay, kính thiên văn duy nhất có thể làm được những điều như vậy là Kính thiên văn Không gian James Webb. Khi mới bắt đầu hoạt động vào tháng 7 năm 2022, James Webb đã đọc được quang phổ của ngoại hành tinh khí khổng lồ WASP-96b. Quang phổ này cho thấy sự có mặt của nước và những đám mây, nhưng một hành tinh lớn và nóng như WASP-96b khó có thể có sự sống.
Tuy nhiên, những dữ liệu ban đầu này cho thấy rằng James Webb có khả năng phát hiện được những dấu vết về mặt hoá học mờ nhạt bên trong ánh sáng từ các ngoại hành tinh. Trong những tháng tới đây, Webb sẽ hướng những chiếc gương của nó về phía TRAPPIST-1e, một hành tinh có thể sống được với kích thước tương tự Trái Đất, và cách Trái Đất chỉ 39 năm ánh sáng.
Webb có thể tìm kiếm những dấu vết sinh học bằng việc phân tích những hành tinh khi chúng đi ngang qua đằng trước ngôi sao chủ và chụp lại được ánh sáng của ngôi sao khi đã đi qua bầu khí quyển của hành tinh đó. Nhưng Webb không được thiết kế để tìm kiếm sự sống, vì vậy chiếc kính thiên văn này chỉ có thể quan sát kỹ được một vài thế giới có thể sống được ở gần. Nó cũng chỉ có thể phát hiện được sự thay đổi nồng độ khí carbonic, methane và hơi nước trong khí quyển. Mặc dù tổ hợp của những khí này có thể gợi ý về sự sống, nhưng Webb không thể phát hiện được sự có mặt của oxy tự do, là dấu hiệu rõ nhất về sự sống.
Những ý tưởng chủ đạo cho tương lai, cùng với việc kính thiên văn không gian trở nên mạnh mẽ hơn, là kế hoạch chặn ánh sáng chói của sao chủ để thấy được ánh sáng phản xạ lại từ hành tinh. Ý tưởng này giống như là việc dùng tay che ánh nắng Mặt Trời để có thể nhìn một thứ gì đó rõ hơn ở xa. Những chiếc kính thiên văn không gian trong tương lai có thể sử dụng các miếng che nhỏ ở bên trong hoặc những thiết bị không gian to, giống chiếc ô đặt bên ngoài để làm được điều đó. Một khi ánh sáng từ ngôi sao bị chặn lại, sẽ dễ dàng hơn khi nghiên cứu về ánh sáng dội ngược lại từ hành tinh.
Ngoài ra còn có 3 kính thiên văn khổng lồ trên mặt đất đang được xây dựng để có thể tìm kiếm những dấu vết sinh học: Giant Magellan Telescope (Kính thiên văn Magellan khổng lồ), Thirty Meter Telescope (Kính thiên văn 30m), European Extremely Large Telescope (Kính thiên văn cực lớn châu Âu). Cả 3 chiếc kính này đều mạnh hơn nhiều so với những chiếc kính thiên văn hiện có trên Trái Đất, mặc dù điểm bất lợi là khí quyển của Trái Đất sẽ làm biến dạng ánh sáng từ ngôi sao, những chiếc kính thiên văn này vẫn có thể thăm dò được bầu khí quyển của những thế giới gần nhất để tìm kiếm oxy.
Đây là sinh học hay địa chất học?
Ngay cả khi sử dụng những chiếc kính thiên văn mạnh nhất trong những thập kỷ sắp tới, các nhà sinh học vũ trụ chỉ có thể phát hiện được những dấu vết sinh học rõ ràng được tạo ra trên những thế giới bị biến đổi hoàn toàn bởi sự sống.
Thật không may, hầu hết những khí được thải ra bởi sự sống trên mặt đất đều có thể được sản sinh bởi những quá trình phi sinh học - bò và núi lửa đều thải ra khí methane. Quá trình quang hợp tạo ra oxy, nhưng ánh sáng Mặt Trời cũng có thể làm được vậy, đó là khi nó phân tách những phân tử nước thành oxy và hydro. Nhiều khả năng rằng các nhà thiên văn học sẽ tìm thấy những trường hợp dương tính giả khi tìm kiếm sự sống ở xa. Để giúp loại bỏ việc dương tính giả, các nhà thiên văn học sẽ cần hiểu rõ về hành tinh để biết được rằng trong địa chất hoặc khí quyển có xảy ra những quá trình giống với dấu vết sinh học hay không.
Những nghiên cứu về ngoại hành tinh trong những thế hệ tiếp theo sẽ có thể có những bằng chứng phi thường, vượt xa hơn ngưỡng cần thiết để chứng minh sự tồn tại của sự sống. Những dữ liệu đầu tiên từ Kính thiên văn Không gian James Webb sẽ cho chúng ta hiểu rõ hơn về hành trình thú vị sắp tới.
Vũ Dũng
Dịch từ bài của Chris Impey (giáo sư Thiên văn học) và Daniel Apai (giáo sư thiên văn và hành tinh học) ở Đại học Arizona, đăng trên The Conversation.
