Chỉ riêng ở bề mặt, Trái Đất và vệ tinh Titan của Sao Thổ đã khác nhau một cách rõ rệt. Trái Đất ôn hòa và được Mặt Trời sưởi ấm, nước lỏng chảy trên bề mặt, và sự sống bao phủ toàn bộ sinh quyển phong phú của nó. Trong khi đó, Titan nằm ngoài tầm ảnh hưởng của hơi ấm Mặt Trời, lạnh giá và không có sự sống, quay quanh một hành tinh khí khổng lồ cũng không có sự sống.
Tuy nhiên, cả hai đều là những thế giới rắn có khí quyển dày, và là hai thiên thể duy nhất trong Hệ Mặt Trời có chất lỏng chảy trên bề mặt. Trường hợp của Titan, chất lỏng này là các hydrocarbon lạnh giá chứ không phải nước, mặc dù bên dưới có thể tồn tại một đại dương nước-amonia. Một số nhà nghiên cứu đã đặt câu hỏi liệu có dạng sống nào đó có thể tồn tại trên Titan, nơi các hydrocarbon lỏng đảm nhận vai trò của nước trong việc thực hiện các chức năng của tế bào hay không.
Các nhà khoa học quan tâm đến Titan lạnh giá vì lý do hóa học. Hóa học của vệ tinh này, với khí quyển dày chứa chủ yếu nitrogen (N₂) và methane (CH₄), tương tự với khí quyển của Trái Đất thời kỳ sơ khai. Điều đó có nghĩa là Titan có thể đóng vai trò như một mô hình tương tự cho Trái Đất thuở ban đầu, và việc nghiên cứu nó có thể tiết lộ cách Trái Đất đã từng như thế nào hàng tỷ năm trước, qua đó cung cấp manh mối về sự xuất hiện của sự sống.
Một nghiên cứu mới được công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences đã phát hiện một cách thức mới mà một số chất có thể kết hợp ở cấp độ phân tử trong điều kiện khắc nghiệt của Titan. Bài báo do Martin Rahm - Phó giáo sư tại Khoa Hóa học và Kỹ thuật Hóa học của Đại học Công nghệ Chalmers (Thụy Điển) - làm tác giả chính.
Hình ảnh radar của tàu không gian Cassini cho thấy các hồ, biển và nhánh sông hydrocarbon lỏng trên Titan. Đây là thế giới duy nhất ngoài Trái Đất có chất lỏng chảy trên bề mặt. Nguồn ảnh: NASA / JPL-Caltech / Agenzia Spaziale Italiana / USGS.
“Công trình này khám phá sự pha trộn đầy bất ngờ ở trạng thái rắn giữa các hydrocarbon không phân cực - như methane và ethane - với hydrogen cyanide (HCN), một hợp chất có độ phân cực cao hơn cả nước,,” các tác giả viết. Phát hiện này thách thức quan niệm hóa học truyền thống và có thể mở rộng hiểu biết của chúng ta về hóa học trong Hệ Mặt Trời. “Nó gợi ý những cách tiếp cận mới trong việc xem xét tương tác hóa học của HCN ở nhiệt độ thấp, có khả năng thay đổi nhận thức của chúng ta về các quá trình trong những môi trường đa dạng trong khắp Hệ Mặt Trời,” họ giải thích.
Độ phân cực là một đặc tính cơ bản trong hóa học. Các hợp chất phân cực có xu hướng hút lẫn nhau, và liên kết giữa các phân tử phân cực và không phân cực thường hiếm gặp.
“Đây là những phát hiện rất thú vị, có thể giúp chúng ta hiểu một điều gì đó ở quy mô rất lớn - một vệ tinh lớn ngang với Sao Thủy,” Rahm nói trong một thông cáo báo chí.
Đặc điểm hóa học của Titan được định hình bởi lượng lớn các hydrocarbon ethane và methane, cùng với hydrogen cyanide (HCN) - một chất cực kỳ độc. Nghiên cứu này cho thấy các hóa chất đó có thể tương tác theo những cách mà các nhà khoa học trước đây cho là không thể. HCN có độ phân cực cao, và nhóm nghiên cứu phát hiện rằng nó có thể tạo tinh thể với ethane và methane trong điều kiện lạnh giá của Titan.
“Công trình này tiết lộ một ngoại lệ đáng chú ý đối với quy luật cơ bản trong hóa học rằng các hợp chất phân cực và không phân cực không tự trộn lẫn: methane, ethane và các hydrocarbon nhỏ khác có thể xen vào mạng tinh thể của hydrogen cyanide (HCN), một phân tử có độ phân cực cao,” các tác giả giải thích. Phát hiện này có thể liên quan đến sự xuất hiện của sự sống, bởi HCN đóng vai trò trong việc hình thành các khối kiến tạo của sự sống, chẳng hạn các amino acid, được tạo ra khi HCN tương tác với amonia và nước.
“Khám phá ra tương tác bất ngờ giữa các chất này có thể ảnh hưởng đến cách chúng ta hiểu về địa chất của Titan và những cảnh quan kỳ lạ của nó - gồm các hồ, biển và đụn cát. Ngoài ra, hydrogen cyanide có thể đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành (bằng cách) phi sinh học của nhiều hợp chất nền tảng của sự sống, như amino acid và các nucleobase (các bazơ ni-tơ) cho mã di truyền. Vì vậy, công trình của chúng tôi cũng mang lại những hiểu biết mới về hóa học trước khi sự sống xuất hiện, và cách nó có thể diễn ra trong những môi trường khắc nghiệt,” Rahm nói thêm.
Hình ảnh Cassini về Titan đã trở nên mang tính biểu tượng. Khí quyển dày chứa hợp chất hữu cơ của vệ tinh này chặn ánh sáng khả kiến, khiến việc nghiên cứu hóa học bề mặt trở nên khó khăn. Nguồn ảnh: NASA / JPL-Caltech / SSI / Kevin M. Gill.
Càng quan sát sâu vào không gian và các hệ sao cùng ngoại hành tinh khác, chúng ta càng đối mặt với vô số môi trường cực đoan. Đối với phần lớn các thế giới này, sự sống gần như chắc chắn không thể tồn tại. Nhưng một số thì ít khắc nghiệt hơn. Liệu có thể tồn tại những con đường khác dẫn đến sự sống trong các thế giới không giống Trái Đất? Có lẽ đặc tính hóa học và những điều kiện khác của Titan có thể giúp chúng ta hiểu điều đó.
Một câu hỏi chưa có lời giải đóng vai trò quan trọng trong phát hiện này.
Các nhà khoa học biết rằng HCN được hình thành trong khí quyển Titan nhờ quá trình quang hóa. Methane (CH₄) và nitrogen (N₂) là hai thành phần chủ yếu trong khí quyển Titan. Khi tia tử ngoại Mặt Trời và tia vũ trụ va chạm với CH₄ và N₂, các phân tử bị phá vỡ, và các mảnh vụn tái kết hợp thành HCN cùng nhiều sản phẩm khác.
Nhưng điều gì xảy ra với toàn bộ lượng HCN đó? Liệu nó có tích tụ trên bề mặt vệ tinh không? Một nhóm nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA đã tiến hành các thí nghiệm trong phòng, trộn HCN với methane và ethane ở khoảng -118°C. Ở nhiệt độ đó, HCN ở dạng tinh thể còn các hydrocarbon ở dạng lỏng - giống như trên Titan. Khi kiểm tra kết quả, các phân tử vẫn nguyên vẹn, nhưng có điều gì đó đã thay đổi. Vì nhóm của Rahm tại Đại học Chalmers đã nghiên cứu sâu về HCN, họ được mời hợp tác.
“Điều đó dẫn đến một sự hợp tác lý thuyết và thực nghiệm thú vị giữa Chalmers và NASA,” Rahm cho biết. “Câu hỏi mà chúng tôi đặt ra nghe có vẻ điên rồ: Liệu kết quả đo có thể được giải thích bằng cấu trúc tinh thể trong đó methane hoặc ethane trộn lẫn với hydrogen cyanide? Điều này đi ngược lại quy tắc ‘chất giống nhau hòa tan nhau’ trong hóa học, tức là về cơ bản, không thể kết hợp các chất phân cực và không phân cực.”
Rahm và các đồng nghiệp đã sử dụng mô phỏng để tìm câu trả lời. Họ thử hàng nghìn cách khác nhau mà methane, ethane và HCN có thể tương tác, và phát hiện rằng các hydrocarbon có thể xen vào mạng tinh thể của HCN, tạo thành những cấu trúc ổn định mới gọi là cocrystal, một ví dụ của cấu trúc hóa học chủ-khách (host-guest chemistry).
“Điều này có thể xảy ra ở nhiệt độ cực thấp như trên Titan. Các phép tính của chúng tôi không chỉ dự đoán rằng hỗn hợp bất ngờ này ổn định trong điều kiện của Titan, mà còn cho ra phổ ánh sáng trùng khớp với dữ liệu đo của NASA,” Rahm nói.
Khám phá này không phủ nhận các quy luật về phân cực trong hóa học, mà mở rộng chúng. “Tôi xem đây là một ví dụ điển hình cho việc ranh giới của hóa học được mở rộng, và rằng một quy tắc tưởng như phổ quát đôi khi không còn đúng,” Rahm nói.
Những khám phá khác gần đây cũng cho thấy những cách thức hóa học mới trên những thế giới khác. Ví dụ, các nhà khoa học đã phát hiện phosphine trong những lớp mây của Sao Kim. Không có cách thức phi sinh học nào đã biết có thể tạo ra phosphine, nên nếu không có sự sống ẩn giấu, hẳn phải tồn tại một quá trình hóa học khác mà chúng ta chưa biết.
Kính James Webb (JWST) cũng đã phát hiện dimethyl sulfide (DMS) trên ngoại hành tinh K2-18b, một hợp chất được xem là dấu hiệu sinh học, vốn do sinh vật trên Trái Đất tạo ra. Tuy nhiên, vào năm 2024, DMS cũng được tìm thấy trên sao chổi 67P/Churyumov-Gerasimenko, chứng tỏ vẫn có những cách khác tạo ra nó mà chúng ta chưa hiểu rõ. Tất cả cho thấy hiểu biết của con người vẫn còn hạn chế.
Rất may, hiểu biết của chúng ta về Titan sắp có bước tiến lớn. Nhiệm vụ Dragonfly của NASA dự kiến phóng năm 2028 và đến Titan vào năm 2034. Khí quyển dày của Titan che khuất phần lớn tín hiệu hóa học từ bề mặt, khiến chúng ta chưa biết rõ về thành phần hóa học ở đó. Dragonfly sẽ đo đạc chi tiết thành phần vật chất trên bề mặt vệ tinh này, giúp chúng ta hiểu được quá trình hóa học tiền sinh học có thể tiến xa đến đâu.
“Hydrogen cyanide được tìm thấy ở nhiều nơi trong vũ trụ, chẳng hạn trong các đám mây bụi khổng lồ, trong khí quyển các hành tinh và trong sao chổi. Phát hiện của chúng tôi có thể giúp hiểu rõ điều gì xảy ra trong những môi trường lạnh khác trong không gian,” Rahm nói. “Chúng tôi cũng có thể tìm ra liệu các phân tử không phân cực khác có thể xâm nhập vào tinh thể HCN hay không, và nếu có, điều đó có ý nghĩa gì đối với hóa học trước khi sự sống xuất hiện.”
“Vì methane, ethane và HCN là những thành phần chính trong khí quyển và bề mặt của vệ tinh Titan của Sao Thổ - nơi chúng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành đặc tính hóa học, thời tiết và địa hình, phát hiện của chúng tôi có thể có ý nghĩa then chốt trong việc giải thích sự tiến hóa hóa học và địa chất của Titan,” nhóm nghiên cứu kết luận.
Lyr
Theo Universetoday
