Chúng ta vẫn chưa phát hiện sự sống ngoài trái đất — nhưng Kính vũ trụ James Webb có thể thay đổi điều đó

Nguyên liệu cho sự sống lan rộng khắp vũ trụ. Trong khi Trái đất là nơi duy nhất biết đến có sự sống, việc phát hiện sự sống ngoài Trái đất là mục tiêu chính của thiên văn hiện đại và khoa học hành tinh.

Chúng tôi là hai nhà khoa học nghiên cứu về hành tinh ngoại hành tinh và sinh học thiên văn. Nhờ lớn lao vào phần lớn vào các kính vũ trụ thế hệ mới như James Webb, những nhà nghiên cứu như chúng tôi sẽ sớm có khả năng đo lường thành phần hóa học của khí quyển các hành tinh xung quanh các ngôi sao khác. Hy vọng là một hoặc nhiều hành tinh này sẽ có dấu vết hóa học của sự sống.

Các hành tinh ngoại hành tinh có thể sinh sống

Sự sống có thể tồn tại trong hệ mặt trời nơi có nước lỏng – như dưới lòng đất trên Sao Hỏa hoặc trong đại dương của mặt trăng Europa của Sao Mộc. Tuy nhiên, việc tìm kiếm sự sống ở những nơi này rất khó khăn, vì chúng khó tiếp cận và phát hiện sự sống sẽ đòi hỏi việc gửi một tàu thăm để lấy mẫu vật lý.

Nhiều nhà thiên văn tin rằng có khả năng lớn rằng có sự sống trên các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác, và có thể đó là nơi mà sự sống sẽ được phát hiện đầu tiên.

Tính toán lý thuyết gợi ý rằng chỉ trong Dải Ngân Hà, có khoảng 300 triệu hành tinh có thể sống được và một số hành tinh có kích thước giống Trái Đất chỉ cách Trái Đất 30 năm ánh sáng – về cơ bản là hàng xóm của nhân loại trong Dải Ngân Hà. Đến nay, nhà thiên văn đã khám phá hơn 5,000 hành tinh ngoại hành tinh, trong đó có hàng trăm hành tinh có thể sống được, bằng phương pháp gián tiếp đo lường cách một hành tinh ảnh hưởng đến ngôi sao lân cận của nó. Những đo lường này có thể cung cấp thông tin về khối lượng và kích thước của một hành tinh ngoại hành tinh, nhưng không nhiều hơn thế.

Tìm kiếm dấu vết sinh học

Để phát hiện sự sống trên hành tinh xa xôi, nhà thiên văn học sẽ nghiên cứu ánh sáng sao mà đã tương tác với bề mặt hoặc khí quyển của một hành tinh. Nếu khí quyển hoặc bề mặt được biến đổi bởi sự sống, ánh sáng có thể mang theo một gợi ý, được gọi là “dấu vết sinh học”.

Trong nửa đầu thời kỳ tồn tại của nó, Trái Đất mang theo một khí quyển không có oxy, mặc dù nó có sự sống đơn giản, tế bào đơn. Dấu vết sinh học của Trái Đất rất nhạt trong giai đoạn đầu này. Điều này thay đổi đột ngột 2.4 tỷ năm trước khi một họ tảo mới đã tiến hóa. Tảo sử dụng quá trình quang hợp tạo oxy tự do – oxy không kết hợp hóa học với bất kỳ nguyên tố nào khác. Từ thời điểm đó, khí quyển có oxy của Trái Đất đã để lại một dấu vết sinh học mạnh mẽ và dễ dàng phát hiện trên ánh sáng đi qua nó.

Khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt của một vật liệu hoặc đi qua một khí, một số bước sóng của ánh sáng có khả năng bị giữ lại trong khí hoặc bề mặt của vật liệu hơn là những bước sóng khác. Sự giữ lại chọn lọc này của các bước sóng ánh sáng là lý do tại sao các vật thể có màu sắc khác nhau. Lá cây có màu xanh vì chlorophyll rất tốt trong việc hấp thụ ánh sáng trong bước sóng màu đỏ và xanh. Khi ánh sáng đánh vào một lá cây, các bước sóng màu đỏ và xanh được hấp thụ, chỉ còn ánh sáng màu xanh phản xạ lại vào mắt bạn.

Mô hình của ánh sáng bị thiếu được xác định bởi sự cấu trúc cụ thể của vật liệu mà ánh sáng tương tác với. Do đó, nhà thiên văn có thể tìm hiểu về thành phần của khí quyển hoặc bề mặt của hành tinh ngoại hành tinh bằng cách đo lường màu sắc cụ thể của ánh sáng từ hành tinh.

Phương pháp này có thể được sử dụng để nhận diện sự hiện diện của một số khí quyển nhất định liên quan đến sự sống – như ô nhiễm hoặc methane – vì những khí này để lại những dấu vết rất cụ thể trong ánh sáng. Nó cũng có thể được sử dụng để phát hiện các màu sắc đặc biệt trên bề mặt của hành tinh. Trên Trái Đất, ví dụ, chlorophyll và các pigments khác mà thực vật và tảo sử dụng để quang hợp bắt giữ các bước sóng cụ thể của ánh sáng. Những pigments này tạo ra màu sắc đặc trưng có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một máy ảnh hồng ngoại nhạy cảm. Nếu bạn nhìn thấy màu này phản chiếu từ bề mặt của một hành tinh xa xôi, có thể biểu hiện tiềm ẩn của chlorophyll.

Kính vũ trụ trên không và trên Trái Đất

Để phát hiện những biến đổi tinh tế này trong ánh sáng từ một hành tinh ngoại hành tinh có thể sống được, cần có một kính vũ trụ cực kỳ mạnh mẽ. Hiện tại, chỉ có Kính vũ trụ James Webb mới có khả năng như vậy. Khi nó bắt đầu hoạt động khoa học vào tháng 7 năm 2022, James Webb đã đọc dải phổ của hành tinh ngoại hành tinh khí khổng lồ WASP-96b. Dải phổ cho thấy sự hiện diện của nước và mây, nhưng một hành tinh lớn và nóng như WASP-96b ít khả năng chứa sự sống.

Tuy nhiên, dữ liệu ban đầu này cho thấy rằng James Webb có khả năng phát hiện những dấu vết hóa học nhạt nhòa trong ánh sáng từ hành tinh ngoại hành tinh. Trong những tháng tới, Webb sẽ hướng gương của mình vào TRAPPIST-1e, một hành tinh có kích thước giống Trái Đất có thể sống được chỉ cách Trái Đất 39 năm ánh sáng.

Webb có thể tìm kiếm dấu vết sinh học bằng cách nghiên cứu các hành tinh khi chúng chuyển qua phía trước của ngôi sao chủ và bắt ánh sáng lọc qua khí quyển của hành tinh. Nhưng Webb không được thiết kế để tìm kiếm sự sống, vì vậy kính vũ trụ chỉ có thể kiểm tra một số ít thế giới có thể sống được gần nhất. Nó cũng chỉ có thể phát hiện các thay đổi về mức độ carbon dioxide, methane và hơi nước. Mặc dù một số kết hợp của những chất khí này có thể gợi ý sự sống, Webb không thể phát hiện sự hiện diện của oxy không liên kết, đó là dấu hiệu mạnh mẽ nhất cho sự sống.

Các ý tưởng hàng đầu cho các kính vũ trụ mạnh mẽ hơn trong tương lai bao gồm kế hoạch chặn ánh sáng sáng của ngôi sao chủ của hành tinh để tiết lộ ánh sáng sao phản xạ từ hành tinh. Ý tưởng này tương tự như việc sử dụng tay để chặn ánh sáng mặt trời để nhìn rõ điều gì đó ở xa. Kính vũ trụ trong tương lai có thể sử dụng khẩu nạng nội tại nhỏ hoặc tàu vũ trụ bên ngoài lớn giống ô dù để thực hiện điều này. Một khi ánh sáng sao bị chặn, việc nghiên cứu ánh sáng phản xạ từ hành tinh trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Hiện có ba kính vũ trụ trên đất liền đang được xây dựng có thể tìm kiếm dấu vết sinh học: Giant Magellen Telescope, Thirty Meter Telescope và European Extremely Large Telescope. Mỗi cái mạnh mẽ hơn nhiều so với các kính vũ trụ hiện tại trên Trái Đất, và mặc dù có nhược điểm là khí quyển của Trái Đất làm méo mó ánh sáng sao, những kính vũ trụ này có thể khảo sát khí quyển của những thế giới gần nhất để tìm kiếm oxy.

Đó có phải là sinh học hay địa chất không?

Ngay cả khi sử dụng các kính vũ trụ mạnh mẽ nhất trong những thập kỷ tới, nhà thiên văn học chỉ có thể phát hiện dấu vết sinh học mạnh mẽ do thế giới đã được biến đổi hoàn toàn bởi sự sống.

Thật không may, hầu hết các khí được phát ra bởi sự sống trên Trái Đất cũng có thể được tạo ra bởi các quá trình không sinh lý – cả bò và núi lửa đều phát ra khí methane. Quá trình quang hợp tạo ra oxy, nhưng ánh sáng mặt trời cũng làm vậy khi nó phân tách phân tử nước thành oxy và hydrogen. Có một cơ hội tốt là nhà thiên văn sẽ phát hiện một số dương tính giả mạo khi tìm kiếm sự sống xa. Để loại trừ các dương tính giả mạo, nhà thiên văn cần hiểu đủ về hành tinh quan tâm để biết liệu quá trình địa chất hoặc khí quyển có thể mô phỏng một dấu vết sinh học.

Bài viết này của Chris Impey, Giáo sư Nổi tiếng của Khoa Thiên văn, Đại học Arizona, và Daniel Apai, Giáo sư Thiên văn học và Khoa học Hành tinh, Đại học Arizona được tái bản từ The Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.