[비즈한국] Những ngày này, khi mùa xuân qua đi và mùa hè đang đến, chòm sao Sư Tử (Leo) đã xuất hiện trên bầu trời đêm. Nó trông có vẻ chỉ là một chòm sao bình thường, nhưng sau đêm nay, có lẽ bạn sẽ nhìn nó bằng một ánh mắt hoàn toàn khác. Đó là bởi gần đây, một tín hiệu nghi vấn là bằng chứng rõ ràng nhất về sự sống ngoài hành tinh đã được phát hiện tại nơi này. Theo những gì chúng ta biết, ít nhất là trên Trái đất, hai thành phần được phát hiện với nồng độ rất cao ở đây không thể được giải thích bằng bất cứ điều gì khác ngoài các hoạt động sinh học. Trừ khi có một loại phản ứng hóa học hoàn toàn khác mà chúng ta chưa từng biết đến đang diễn ra, nếu không thì rất có khả năng các sinh vật ngoài hành tinh đang thực sự "ủ mưu" ở nơi đó.
Đáng tiếc là trong bài nghiên cứu lần này, dù chưa đạt đến ngưỡng 5-sigma – tiêu chuẩn "không thể bàn cãi" trong khoa học – nhưng theo phân tích mới nhất, tín hiệu này đã vượt ngưỡng 3-sigma. Điều này có nghĩa là khả năng tín hiệu này chỉ là sự trùng hợp ngẫu nhiên hoặc sai số thống kê chỉ là 1/1000. Tất nhiên, vì chưa đạt đến mức 5-sigma nên khó có thể đưa ra kết luận vội vàng, nhưng đây là một kết quả vô cùng thú vị. Liệu tín hiệu được phát hiện ở đây có ý nghĩa gì? Liệu cuối cùng chúng ta có thể xác nhận sự tồn tại của những sinh vật ngoài hành tinh mà chúng ta hằng mong đợi?
Nhờ Kính thiên văn vũ trụ Kepler phóng lên không gian năm 2009 và người kế nhiệm TESS, chúng ta đã xác định được hơn 10.000 hành tinh ngoài hệ mặt trời và các ứng viên. Để sự sống có thể tồn tại trên một hành tinh ngoài hệ mặt trời, trước hết cần một nhiệt độ phù hợp, không quá nóng cũng không quá lạnh. Để làm được điều đó, hành tinh phải nằm trong quỹ đạo ở khoảng cách thích hợp với ngôi sao chủ, hay còn gọi là "vùng Goldilocks". Trong số các hành tinh ngoài hệ mặt trời được biết đến cho đến nay, chỉ có 1% vượt qua được bài kiểm tra khắt khe đầu tiên này.
K2-18b, hành tinh đang gây tranh cãi gần đây, là một trong số đó. Đây là hành tinh được phát hiện gần một ngôi sao cách xa 124 năm ánh sáng theo hướng chòm sao Sư Tử. K2 có nghĩa là nó được phát hiện trong nhiệm vụ thứ hai của Kepler. Ban đầu, Kepler chỉ nhắm vào một hướng cụ thể gần chòm sao Thiên Nga (Cygnus), nhưng vào năm 2013, khi hai trong số các bánh đà điều khiển tư thế gặp sự cố, đội ngũ buộc phải đưa ra chiến lược mới. Các nhà thiên văn học đã thử nghiệm chiến lược mới lạ là sử dụng gió mặt trời để cố định tư thế của kính thiên văn, và trong quá trình đó, Kepler đã thực hiện sứ mệnh K2, quét qua nhiều hướng thay vì chỉ nhìn về phía chòm sao Thiên Nga như trước. Chính trong quá trình đó, họ đã phát hiện ra hành tinh này ở hướng chòm sao Sư Tử.
Sao K2-18 là một ngôi sao lùn đỏ nhỏ hơn và mờ nhạt hơn nhiều, với khối lượng chỉ bằng khoảng 49,5% khối lượng Mặt trời. Vì vậy, bản thân ngôi sao này cũng ấm áp hơn nhiều so với Mặt trời. Nó là một ngôi sao lùn đỏ phát ra nhiều ánh sáng hồng ngoại hơn. Kepler đã săn tìm hành tinh bằng hiện tượng quá cảnh (transit), tức là khi hành tinh lượn quanh ngôi sao và che khuất ngôi sao định kỳ, độ sáng của sao sẽ giảm nhẹ. K2-18b cũng được phát hiện bằng phương pháp này. Chu kỳ quỹ đạo của hành tinh này là khoảng 33 ngày, tức là một tháng. Nếu định nghĩa 1 năm ở hành tinh này là thời gian để nó quay quanh ngôi sao chủ một vòng, thì 1 năm chỉ vỏn vẹn 33 ngày. Nếu ở Trái đất chúng ta ăn canh bánh gạo (tteokguk) một lần vào dịp Tết, thì ở đây chúng ta sẽ phải ăn tới mười lần.
Trên thực tế, hành tinh K2-18b từng gây tranh cãi giữa các nhà thiên văn học từ trước đó dưới một khía cạnh khác. Khối lượng của hành tinh này gấp khoảng 8,6 lần Trái đất và đường kính gấp 2,6 lần. Mật độ của hành tinh này nhẹ hơn so với các hành tinh hoàn toàn làm từ đá. Do đó, có vẻ như hành tinh này không cấu tạo hoàn toàn từ đá. Có ba mô hình chính có thể giải thích điều này. Đầu tiên là khả năng nó là một "tiểu Hải Vương tinh". Tuy kích thước nhỏ hơn một chút so với sao Hải Vương, nhưng nó có thể có lõi đá ở trung tâm và được bao quanh bởi một lớp băng bị nén dưới áp suất mạnh. Thứ hai, có khả năng xung quanh lõi đá không có băng mà được bao phủ bởi một bầu khí quyển dày đặc toàn hydro. Cuối cùng, có một khả năng đặc biệt hơn: lõi đá được bao quanh bởi một đại dương khổng lồ và phía trên là một lớp khí quyển hydro mỏng. Bạn có thể hình dung nó giống như một lớp manti chỉ toàn nước. Những hành tinh như vậy, bao gồm đại dương và bầu khí quyển hydro mỏng, được gọi là "hành tinh Hycean".
Cho đến thời điểm đó, hành tinh Hycean chỉ là một trong vô số giả thuyết, chưa bao giờ được xác nhận sự tồn tại trong thực tế. Vậy làm thế nào để chúng ta biết K2-18b là loại thế giới nào? Các nhà thiên văn học nhận thấy rằng tùy theo từng kịch bản, các thành phần hóa học được phát hiện trong bầu khí quyển của hành tinh phải có sự khác biệt lớn. Nếu đó là một thế giới chỉ có khí quyển hydro dày mà không có đại dương, thì thành phần khí quyển phải tương tự như sao Hải Vương: giàu mêtan và amoniac, thậm chí có thể phát hiện nồng độ carbon monoxide rất cao. Ngược lại, nếu toàn bộ hành tinh được bao phủ bởi đại dương, sẽ có sự khác biệt lớn. Vì nước hòa tan các thành phần hóa học này một cách hiệu quả, nên thành phần hóa học của khí quyển cũng sẽ thay đổi đáng kể. Đặc biệt, amoniac và carbon monoxide trong khí quyển sẽ biến mất, trong khi mêtan và carbon dioxide sẽ được phát hiện với nồng độ cao.
Và vào năm ngoái, các quan sát của kính viễn vọng James Webb đã xác nhận tín hiệu khớp chính xác với mô hình này. Thông qua đó, các nhà thiên văn học đi đến kết luận rằng K2-18b có thể là hành tinh Hycean trong truyền thuyết, với bề mặt bao phủ toàn bộ bởi đại dương và được bao bọc bởi một lớp khí quyển hydro mỏng.
Hành tinh toàn đại dương ư? Các nhà nghiên cứu đã tiến thêm một bước nữa: Liệu có tồn tại một hệ sinh thái như sinh vật phù du sống trong đại dương đó không? Cách chắc chắn nhất để xác nhận liệu các hành tinh ngoài hệ mặt trời có thực sự tồn tại sự sống hay không là trực tiếp bay đến đó và chụp ảnh xác thực. Tuy nhiên, vì quá xa nên điều đó là không thể. Tất cả những gì chúng ta có thể làm là ngồi tại Trái đất, phân tích ánh sáng mờ nhạt từ các hành tinh xa xôi để kiểm tra xem có dấu vết của sự sống ẩn giấu bên trong hay không.
Phương pháp phổ biến nhất mà các nhà thiên văn học áp dụng là xác định các thành phần hóa học tồn tại trong bầu khí quyển của hành tinh ngoài hệ mặt trời. Trên thực tế, bằng cách này, kính viễn vọng James Webb đã xác nhận sự hiện diện rõ ràng của oxy, carbon dioxide và hơi nước trong bầu khí quyển của nhiều hành tinh ngoài hệ mặt trời. Tuy nhiên, điều này vẫn chưa đủ. Trên thực tế, oxy, carbon dioxide và hơi nước là những thành phần khá phổ biến trong không gian. Mặc dù tất cả đều được dùng làm nguyên liệu chính cho các hoạt động sống, nhưng sự hiện diện của chúng không đảm bảo 100% rằng có sự sống ở đó. Tuy nhiên, nếu xác nhận được những thành phần mà không thể giải thích bằng bất cứ điều gì ngoài hoạt động sinh học, thì câu chuyện sẽ khác. Và các nhà thiên văn học đã cố gắng tìm kiếm chính những thành phần đó trên K2-18b.
Năm ngoái, các nhà thiên văn học đã sử dụng các thiết bị phân tích quang phổ hồng ngoại như NIRSpec của James Webb để phân tích các thành phần hóa học. Thiết bị này có thể phân tích phổ trong phạm vi từ 0,6 đến 5,3μm. Thông qua đó, nghiên cứu thời điểm đó tuyên bố đã phát hiện tín hiệu của thành phần hóa học có tên là dimethyl sulfide (DMS). Đây là thành phần tiêu biểu được sinh vật phù du thực vật tạo ra thông qua các hoạt động sống. Thật ngạc nhiên khi phát hiện ra một thành phần chính do sinh vật phù du tạo ra trên một hành tinh ngoài hệ mặt trời được bao phủ bởi đại dương! Nếu điều này là sự thật, chúng ta có quyền hy vọng rằng mình đã phát hiện ra sinh vật phù du ngoài hành tinh.
Tuy nhiên, độ tin cậy của tín hiệu trong phân tích năm ngoái chỉ ở mức 2,4-sigma. Điều đó có nghĩa là về mặt thống kê, khả năng đó chỉ là sự trùng hợp ngẫu nhiên là khoảng 1/60. Đó là một tín hiệu không chắc chắn, thấp hơn nhiều so với tiêu chuẩn 5-sigma. Ngoài ra, vì kết quả thay đổi nhiều tùy thuộc vào cách phân tích phổ, nên kết quả này vẫn để lại nhiều nghi vấn.
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các quan sát bổ sung bằng một thiết bị khác của James Webb. Đó chính là kết quả vừa được công bố. Trong lần quan sát này, họ đã sử dụng thiết bị MIRI để quan sát phổ hồng ngoại trung với bước sóng dài hơn, trong phạm vi từ 6 đến 12μm. Kết quả là, lần này không chỉ DMS mà cả dimethyl disulfide (DMDS) cũng được phát hiện rõ ràng hơn. Cả hai phân tử này đều liên quan mật thiết đến các hoạt động sống trên Trái đất. DMS được tạo ra từ vi sinh vật biển và sinh vật phù du. DMDS thì đa dạng hơn, được tạo ra bởi nhiều sinh vật khác nhau như vi khuẩn, nấm, động thực vật. DMDS là phân tử tạo ra mùi tỏi và cũng được sử dụng trong hương liệu thực phẩm.
Theo quan sát bổ sung lần này, độ tin cậy của tín hiệu đạt mức 3-sigma. Chắc chắn nó rõ ràng hơn so với phân tích năm ngoái, nhưng vẫn có những hạn chế. Trong phạm vi quan sát của James Webb, đặc điểm mà DMS và DMDS để lại trên phổ rất giống nhau. Vì vậy, khó có thể phân định định lượng chính xác hàm lượng của cả hai.
Điều đáng kinh ngạc trong phát hiện lần này là hàm lượng của hai phân tử lại cao đến mức đáng kinh ngạc. Mặc dù trên Trái đất, DMS cũng tồn tại thông qua các hoạt động sinh học, nhưng nó rất không ổn định và phân hủy rất nhanh. Do đó, nồng độ DMS trong bầu khí quyển Trái đất không quá cao. Tuy nhiên, theo bài báo lần này, DMS được phát hiện trong bầu khí quyển của K2-18b cao hơn hàng nghìn lần so với Trái đất. Nếu tính đến việc DMS là một thành phần có độ phản ứng rất cao và nhanh chóng biến mất, chúng ta phải nghĩ rằng trên hành tinh K2-18b đang có một cơ chế nào đó liên tục bổ sung DMS không ngừng nghỉ.
Tuy nhiên, để duy trì mức DMS cao gấp hàng nghìn lần so với Trái đất, đại dương của hành tinh này phải chứa đầy sinh vật phù du đang sinh sôi nảy nở mạnh mẽ. Nếu có một nhà thiên văn học người ngoài hành tinh nào đó đang quan sát cả Trái đất của chúng ta và hành tinh K2-18b từ vũ trụ xa xôi, có lẽ họ sẽ thấy K2-18b có khả năng tồn tại sự sống cao hơn và chắc chắn hơn nhiều so với Trái đất. Ngược lại, vì Trái đất chỉ phát ra tín hiệu yếu hơn hàng nghìn lần, họ có thể hiểu lầm rằng đây là một nơi không có sự sống.
Sau quan sát đầu tiên, việc quan sát lần thứ hai này nâng độ tin cậy của tín hiệu lên 3-sigma là điều rất thú vị. Tuy nhiên, vẫn chưa thể chắc chắn 100%. Cuối cùng, phải có một tín hiệu mạnh hơn vượt ngưỡng 5-sigma thì mới được mọi người công nhận. Để làm được điều này, nhóm nghiên cứu có kế hoạch mượn thêm thời gian của James Webb. Họ cần tiến hành quan sát thông qua MIRI ở vùng hồng ngoại trung ít nhất từ 1 đến 3 lần nữa, với thời gian quan sát bổ sung gần hơn một ngày.
Tất nhiên, cũng có những ánh mắt hoài nghi về phát hiện này. Một số nhà thiên văn học đưa ra kết quả trước đây cho thấy DMS cũng được phát hiện trong sao chổi hoặc bụi liên sao. Điều này đi chệch khỏi quan điểm hiện tại rằng DMS chỉ có thể được tạo ra thông qua các hoạt động sống phức tạp cần vi sinh vật như trên Trái đất. Chắc chắn là khó có thể kỳ vọng vào các hoạt động sống ở nơi như sao chổi hoặc đám mây bụi.
Tuy nhiên, đáp lại những chỉ trích này, nhóm nghiên cứu tuyên bố rằng bề mặt sao chổi và đám mây bụi có môi trường khác hoàn toàn với các hành tinh đại dương ngay từ đầu, nên không thể coi là đối tượng so sánh công bằng. Vì bề mặt sao chổi và đám mây bụi liên sao là môi trường tiếp xúc trực tiếp với tia cực tím mạnh và bức xạ vũ trụ, nên chúng có thể tiếp xúc với ánh sáng năng lượng cao cực đoan hơn, và có khả năng xảy ra các phản ứng hóa học phi sinh học hoàn toàn khác so với đại dương của hành tinh ngoài hệ mặt trời. Ngược lại, đối với một hành tinh đại dương có trọng lực mạnh hơn Trái đất và được bao phủ bởi khí quyển hydro, việc kỳ vọng vào những phản ứng hóa học cực đoan như vậy có thể là khó xảy ra. Nhóm nghiên cứu lập luận rằng việc cho rằng DMS được lấp đầy bởi các hoạt động của sinh vật phù du ngoài hành tinh sẽ hợp lý hơn.
Ngoài ra, một số ý kiến chỉ ra rằng chính ngôi sao chủ mà hành tinh này quay quanh nhỏ và thấp bé hơn Mặt trời cũng có thể là một vấn đề. Để nhận được ánh sáng phù hợp từ một ngôi sao lùn như vậy, hành tinh phải nằm sát ngôi sao hơn. Đó là lý do chu kỳ quỹ đạo của hành tinh này chỉ vỏn vẹn 33 ngày. Tuy nhiên, nếu như vậy, hành tinh sẽ nằm quá gần ngôi sao và có nguy cơ cao tiếp xúc với các vụ nổ pháo sáng (flare) từ bề mặt ngôi sao. Đặc biệt, các ngôi sao có khối lượng nhỏ thường tiến hóa một cách dữ dội và ồn ào hơn nên càng nguy hiểm. Cuối cùng, chỉ cần một đợt pháo sáng là bầu khí quyển của hành tinh có thể bị thổi bay, vì vậy sự sống có thể khó tồn tại. Tuy nhiên, đối với điều này, nhóm nghiên cứu khẳng định rằng thông qua nhiều lần quan sát, hành tinh này đã được kiểm chứng là một hành tinh đại dương – hành tinh Hycean – sống sót trong môi trường khắt khe đó và được bao phủ bởi bầu khí quyển hydro phù hợp.
Nếu chỉ xét kết quả cho đến hiện tại, K2-18b dường như nằm trong "vùng Goldilocks" với khoảng cách thích hợp từ ngôi sao chủ và toàn bộ hành tinh được bao phủ bởi đại dương. Thậm chí, DMS và DMDS nồng độ rất cao đã được phát hiện trong bầu khí quyển. Theo những gì chúng ta biết cho đến nay, phương pháp duy nhất để tạo ra các phân tử này là hoạt động sống của vi sinh vật. Điều thú vị là oxy lại không được phát hiện trên hành tinh này, điều này có khả năng gợi ý rằng trạng thái của K2-18b rất giống với Trái đất hàng tỷ năm trước. Việc không có oxy có thể là do quá trình quang hợp vẫn chưa bắt đầu trên hành tinh này. Ngay cả trên Trái đất, rất lâu trước khi quá trình quang hợp của thực vật bắt đầu một cách thực sự, hầu như không có oxy và chỉ có DMS của vi sinh vật được giải phóng. Nói cách khác, K2-18b có thể đang trải qua giai đoạn cực kỳ sơ khai của quá trình hình thành sự sống, nơi sự sống chỉ mới bắt đầu nảy mầm mạnh mẽ.
Và chính ở điểm này, phát hiện lần này càng trở nên hấp dẫn hơn. Thông thường, khi nói đến việc phát hiện ra sự sống ngoài hành tinh, chúng ta kỳ vọng vào những hệ sinh thái phức tạp đã tiến hóa cao hơn nhân loại. Nhưng ngay cả khi chúng ta thực sự phát hiện ra sự sống ngoài hành tinh trong tương lai gần, khả năng phát hiện ra những sinh vật phức tạp như vậy là rất thấp. Thay vào đó, vũ trụ sẽ có nhiều sinh vật dừng lại ở mức độ đơn giản hơn nhiều. Trái đất của chúng ta cũng vậy.
Trên Trái đất, xét về số lượng, vi sinh vật chiếm đại đa số áp đảo so với con người. Nếu một nhà khoa học người ngoài hành tinh hạ cánh xuống bất kỳ nơi nào trên Trái đất và múc một muỗng vật chất, bên trong đó có lẽ chỉ có vi sinh vật. Người ngoài hành tinh có thể đánh giá rằng Trái đất là thế giới bị cai trị bởi vi sinh vật. Liệu lập luận tương tự có áp dụng cho vũ trụ không? Nếu chúng ta tình cờ múc một muỗng vật chất vũ trụ từ bất kỳ đâu trong vũ trụ mà vô tình bắt được sự sống, thì khả năng rất cao là nó sẽ ở dạng nguyên thủy như vi sinh vật. Nói cách khác, xét trên góc độ khoa học thuần túy, việc sinh vật đầu tiên chúng ta có khả năng gặp gỡ nhất là vi sinh vật, và phát hiện lần này dường như đang đi đúng lộ trình đó. Chính vì điểm này mà phát hiện lần này khiến chúng ta càng thêm phấn khích.
Lý do quan trọng nhất khiến chúng ta buộc phải để ngỏ khả năng về sự tồn tại của sự sống ngoài hành tinh cho đến nay là vì chưa có sự đồng thuận về tiêu chuẩn dựa trên cái gì để đánh giá sự tồn tại của sự sống. Chỉ khi xác định trước "dấu hiệu sinh học" (biosignature) – thứ có thể coi là chỉ số của hoạt động sống – thì sau đó mới có thể phân tích xem liệu các hành tinh ngoài hệ mặt trời thực sự có tín hiệu đó hay không. Và cuối cùng, chúng ta đã bước vào giai đoạn có thể thảo luận ý nghĩa về việc xác định cái gì là dấu hiệu sinh học. Cuối cùng, chúng ta đang bước vào kỷ nguyên của sinh học vũ trụ chính thống, nơi chúng ta có thể thảo luận về khả năng tồn tại sự sống ngoài hành tinh bằng dữ liệu khoa học, thay vì chỉ là những tưởng tượng khoa học viễn tưởng.
Tham khảo
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adc1c8
Tác giả Ji Woong-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Khi còn nhỏ, sau khi xem "Galaxy Express 999", anh đã nuôi ước mơ truyền tải vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện tại, anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ học tại Đại học Yonsei, đồng thời tham gia các hoạt động truyền thông khoa học đa dạng như giảng dạy và viết lách. Anh đã viết các cuốn sách như "Đài thiên văn hẹn hò", "Suy nghĩ về vũ trụ cả ngày", "Ngôi sao, khoa học của ánh sáng".