Quá trình khiến một hành tinh có thể cho phép sự sống được quyết định bởi sự hội tụ của nhiều yếu tố. Cho đến nay, các nghiên cứu của chúng ta về những thế giới có khả năng sống được ngoài Hệ Mặt Trời mới chỉ tập trung vào vị trí của chúng trong “vùng Goldilocks” của hệ sao - nơi nhiệt độ quyết định liệu nước lỏng có thể tồn tại trên bề mặt hay không - và gần đây hơn là thành phần khí quyển của chúng. Điều này phần nào xuất phát từ giới hạn kỹ thuật của các thiết bị quan sát hiện có. Ngay cả kính thiên văn không gian James Webb mạnh mẽ cũng chỉ có thể quan sát khí quyển của các hành tinh rất lớn và nằm tương đối gần.
Nhưng trong vài thập kỷ tới, chúng ta sẽ có các công cụ mới, như Đài quan sát những thế giới sống được (Habitable Worlds Observatory / HWO), được thiết kế chuyên biệt hơn để tìm kiếm các thế giới tiềm năng cho sự sống. Vậy chúng ta nên dùng chúng để tìm kiếm điều gì? Một bài báo mới ở dạng tiền công bố trên arXiv của Benjamin Farcy thuộc Đại học Maryland và các cộng sự cho rằng chúng ta nên xem xét cách một hành tinh được hình thành để hiểu khả năng cho phép sự sống của nó.
Cần làm rõ rằng HWO sẽ không thể “nhìn vào quá khứ” - khi xét tới việc ánh sáng không cần quá nhiều thời gian để đi từ những thế giới đó tới với chúng ta. Tuy nhiên, nó có thể rút ra những hiểu biết về quá trình hình thành hành tinh dựa trên các giá trị có thể đo được ở hiện tại. Tiến sĩ Farcy và các đồng tác giả mô tả bốn yếu tố của một hành tinh, được quyết định ngay từ sớm, có ảnh hưởng lớn đến khả năng nó có thể duy trì sự sống phức tạp về sau.
Yếu tố quan trọng đầu tiên là thành phần tổng thể - chủ yếu gồm bốn nguyên tố chiếm 93% khối lượng của các hành tinh dạng Trái Đất: magnesium (magiê), sắt, silicon (silic) và oxy. Tỷ lệ của các nguyên tố này quyết định liệu hành tinh có hoạt động kiến tạo mảng hay không - một yếu tố cần thiết để duy trì môi trường ổn định hàng triệu năm. Thuận lợi thay, cũng có thể xác định tỷ lệ này của hành tinh bằng cách đo tỷ lệ tương ứng trong sao mẹ - chúng phải tương đương nhau vì cả hai đều được hình thành từ cùng một đám mây vật chất.
Fraser trình bày về những kết quả tiềm năng khi tìm kiếm khí quyển bằng JWST, kính thiên văn hiện nay tốt nhất cho nhiệm vụ này.
Yếu tố thứ hai là lượng các "chất dễ bay hơi". Trong quá trình hình thành hành tinh, chất dễ bay hơi là bất kỳ nguyên tố nào thuộc dạng khí ở nhiệt độ ngưng tụ tương đối thấp - với ít nhất 50% chuyển thành khí. Ở dạng khí, chúng dễ bị gió Mặt Trời thổi bay, nên những hành tinh như Sao Thủy - hình thành ở vùng rất nóng - thiếu nhiều chất dễ bay hơi, trong khi Sao Hỏa - hình thành xa hơn - lại có nhiều. Vì các chất dễ bay hơi như carbon, hydro, nitrogen (ni-tơ), oxy, phosphorus (phốt-pho) và lưu huỳnh (thường được viết tắt theo ký hiệu hóa học là nhóm CHNOPS) là những thành phần thiết yếu cho sự sống, sự có mặt của chúng trên một hành tinh là yếu tố quyết định cho sự phát triển của sự sống.
Tuy nhiên, còn có một yếu tố lớn khác trong quá trình hình thành hành tinh có ảnh hưởng quan trọng đến khả năng sống được, được kiểm soát bởi một chất dễ bay hơi đặc biệt - oxy. Lượng oxy có sẵn đối với một hành tinh giai đoạn sớm quyết định giá trị gọi là “độ hoạt động oxy”. Giá trị này đóng vai trò quan trọng trong yếu tố thứ ba: kích thước lõi của hành tinh.
Sự cân bằng giữa sắt tinh khiết và sắt oxide (gỉ sắt) rất quan trọng trong quá trình hình thành lõi. Sắt tinh khiết chìm xuống tạo ra lõi lớn, trong khi sắt oxide kết thúc trong lớp phủ, làm giảm kích thước lõi. Lõi là một trong những yếu tố sống còn đối với khả năng sống được, vì nó kiểm soát một trong những cơ chế bảo vệ quan trọng nhất: từ trường của hành tinh. Lõi lớn tạo từ trường mạnh, bảo vệ các nguyên tố và sinh vật sống trên bề mặt khỏi bức xạ Mặt Trời; lõi nhỏ có thể tạo ra từ trường yếu, khiến gió Mặt Trời thổi bay các nguyên tố cần thiết và để bức xạ phá hủy bề mặt hành tinh.
Hai yếu tố cuối này tạo nên một dạng “vùng Goldilocks” mới: một hành tinh phải có lượng chất dễ bay hơi đủ thấp (đặc biệt là oxy) để hình thành lõi kim loại lớn và từ đó có địc động lực, nhưng cũng phải có đủ chất dễ bay hơi để sự sống có thể phát triển sau khi hành tinh ổn định.
Quá ít chất dễ bay hơi, hành tinh sẽ giống như Sao Thủy: lõi chiếm 85% kích thước và tạo từ trường mạnh, nhưng là một mảnh đất khô cằn. Quá nhiều chất dễ bay hơi, nó sẽ giống như Sao Hỏa: có nhiều chất dễ bay hơi, nhưng lõi quá nhỏ để duy trì từ trường, khiến bề mặt bị phơi trước gió Mặt Trời hàng tỷ năm, cuối cùng cũng trở thành đất khô cằn. Trái Đất, trong kịch bản này, có đúng lượng chất dễ bay hơi thích hợp - cho phép nó vừa có từ trường mạnh bảo vệ, vừa có đủ chất dễ bay hơi để phát triển sự sống suốt hàng tỷ năm.
Video NASA mô tả đài quan sát HWO. Bản quyền: Kênh Youtube NASA Goddard
Yếu tố cuối cùng quyết định khả năng sống được của một thế giới từ sớm là “động cơ nhiệt” của nó. Động cơ này hoạt động theo hai cách: bằng các nguyên tố phóng xạ trong lõi hành tinh, hoặc giống như một số vệ tinh trong Hệ Mặt Trời, nhờ nhiệt thủy triều uốn cong hành tinh đủ để làm nóng phần bên trong.
Ba nguyên tố chính tạo ra sự nung nóng phóng xạ của lớp phủ là potassium (kali), thorium và uranium - và may mắn thay, có thể xác định lượng của hai trong số ba nguyên tố này từ quang phổ của sao mẹ. Nguyên tố thứ ba, uranium, khó theo dõi hơn, nhưng có thể dùng europium để thay thế.
HWO sẽ có thể quan sát ba yếu tố giúp chúng ta hiểu giai đoạn phát triển sớm của các ngoại hành tinh mà nó nghiên cứu. Nó có thể xác định đặc trưng quang phổ của sao mẹ, qua đó giúp hiểu lượng chất dễ bay hơi và nguyên tố phóng xạ có sẵn. Nó có thể phát hiện sự hiện diện của từ trường bằng kỹ thuật phân cực quang phổ , theo dõi cách sóng ánh sáng bị xoắn bởi từ trường đó. Và nó cũng sẽ tìm dấu vết của khí núi lửa trong khí quyển (chủ yếu sulfur dioxide và hydrogen sulfide), dấu hiệu của núi lửa hoạt động và kiến tạo mảng trên bề mặt hành tinh. Sự kết hợp của các yếu tố này - thay vì chỉ xem hành tinh nằm ở đâu trong “vùng Goldilocks” - là cách toàn diện hơn nhiều để đánh giá khả năng ở được của nó.
Thật không may, điều này đồng nghĩa với việc chúng ta phải đợi đến những năm 2040 mới có được cái nhìn thực sự về lịch sử của các hành tinh này. HWO dự kiến được phóng vào thời điểm đó, dù nếu xem xét lịch sử của các đài quan sát lớn trước đây, thời gian này có lẽ đã là hơi lạc quan. Khi nhiều nghiên cứu hơn xác định những điều cần tìm kiếm, các kỹ sư và nhà thiết kế nhiệm vụ sẽ còn nhiều điều phải cân nhắc cho “thợ săn hành tinh” tốt nhất của tương lai.
Lyr
Theo Phys.org
