Trong vài thập kỷ qua, hàng ngàn hành tinh ngoài mặt trời đã được phát hiện trong thiên hà của chúng ta. Tính đến ngày 28 tháng 7 năm 2018, tổng cộng 3.374 hành tinh ngoài mặt trời đã được xác nhận trong 2.814 hệ thống hành tinh. Trong khi phần lớn các hành tinh này là những người khổng lồ khí, một số lượng ngày càng tăng trên mặt đất (tức là đá) trong tự nhiên và được tìm thấy quay quanh các khu vực có thể ở được (HZ) của các ngôi sao của chúng.
Tuy nhiên, như trường hợp của Hệ mặt trời cho thấy, HZ không cần thiết có nghĩa là một hành tinh có thể hỗ trợ sự sống. Mặc dù Sao Kim và Sao Hỏa nằm ở rìa bên trong và bên ngoài của Mặt trời HZ (tương ứng), nhưng không có khả năng hỗ trợ sự sống trên bề mặt của nó. Và với các hành tinh có khả năng sinh sống cao hơn được phát hiện mọi lúc, một nghiên cứu mới cho thấy rằng có lẽ đã đến lúc tinh chỉnh định nghĩa của chúng ta về các khu vực có thể ở được.
Nghiên cứu có tiêu đề Một khu vực có thể ở được toàn diện hơn để tìm kiếm sự sống trên các hành tinh khác, gần đây đã xuất hiện trực tuyến. Nghiên cứu được tiến hành bởi Tiến sĩ Ramses M. Ramirez, một nhà khoa học nghiên cứu thuộc Viện Khoa học Sự sống Trái đất tại Viện Công nghệ Tokyo. Trong nhiều năm, Tiến sĩ Ramirez đã tham gia vào nghiên cứu về các thế giới có thể ở được và xây dựng các mô hình khí hậu để đánh giá các quá trình làm cho các hành tinh có thể ở được.
Như Tiến sĩ Ramirez đã chỉ ra trong nghiên cứu của mình, định nghĩa chung nhất về vùng có thể ở được là vùng tròn xung quanh một ngôi sao nơi nhiệt độ bề mặt trên cơ thể quỹ đạo sẽ đủ để duy trì nước ở trạng thái lỏng. Tuy nhiên, điều này một mình không có nghĩa là một hành tinh có thể ở được và cần phải xem xét thêm để xác định xem liệu sự sống có thực sự tồn tại ở đó hay không. Như Tiến sĩ Ramirez đã nói với Tạp chí Không gian qua email:
Đây là hóa thân phổ biến nhất của HZ là HZ cổ điển. Định nghĩa cổ điển này giả định rằng các khí nhà kính quan trọng nhất trong các hành tinh có thể ở được là carbon dioxide và hơi nước. Nó cũng giả định rằng khả năng cư trú trên các hành tinh như vậy được duy trì bởi chu trình carbonate-silicat, như trường hợp của Trái đất. Trên hành tinh của chúng ta, chu trình cacbonat-silicat được cung cấp bởi kiến tạo mảng.
Chu kỳ carbonate-silicate điều chỉnh sự chuyển carbon dioxide giữa khí quyển, bề mặt và bên trong Trái đất. Nó hoạt động như một bộ điều nhiệt hành tinh trong thời gian dài và đảm bảo rằng không có quá nhiều CO2 trong khí quyển (hành tinh trở nên quá nóng) hoặc quá ít (hành tinh trở nên quá lạnh). HZ cổ điển cũng (thường) giả định rằng các hành tinh có thể ở được có tổng trữ lượng nước (ví dụ: tổng lượng nước trong các đại dương và biển) có kích thước tương tự như trên Trái đất.
Đây là những gì có thể được gọi là phương pháp tiếp cận trái cây treo thấp, nơi các nhà khoa học đã tìm kiếm các dấu hiệu của môi trường sống dựa trên những gì chúng ta quen thuộc nhất với con người. Cho rằng ví dụ duy nhất chúng ta có về khả năng cư trú là hành tinh Trái đất, các nghiên cứu ngoại hành tinh đã tập trung vào việc tìm kiếm các hành tinh giống như Trái đất trong thành phần (nghĩa là đá), quỹ đạo và kích thước.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, định nghĩa này đã bị thách thức bởi các nghiên cứu mới hơn. Khi nghiên cứu ngoại hành tinh tránh khỏi việc chỉ phát hiện và xác nhận sự tồn tại của các cơ thể xung quanh các ngôi sao khác và chuyển sang đặc tính, các công thức mới hơn của HZ đã xuất hiện nhằm cố gắng nắm bắt sự đa dạng của các thế giới có thể ở được.
Như Tiến sĩ Ramirez đã giải thích, các công thức mới hơn này đã khen ngợi các quan niệm truyền thống về HZ bằng cách xem xét rằng các hành tinh có thể ở được có thể có các thành phần khí quyển khác nhau:
Ví dụ, họ xem xét ảnh hưởng của các loại khí nhà kính bổ sung, như CH4 và H2, cả hai đều được coi là quan trọng đối với các điều kiện ban đầu trên cả Trái đất và Sao Hỏa. Việc bổ sung các khí này làm cho vùng có thể ở được rộng hơn so với dự đoán của định nghĩa HZ cổ điển. Điều này thật tuyệt, vì các hành tinh được cho là nằm ngoài HZ, như TRAPPIST-1h, giờ đây có thể nằm trong đó. Người ta cũng tranh luận rằng các hành tinh có khí quyển CO2-CH4 dày đặc gần rìa ngoài của HZ của các ngôi sao nóng hơn có thể có người ở vì khó có thể duy trì bầu khí quyển như vậy nếu không có sự sống.
Một nghiên cứu như vậy được tiến hành bởi Tiến sĩ Ramirez và Lisa Kaltenegger, phó giáo sư của Viện Carl Sagan tại Đại học Cornell. Theo một bài báo họ sản xuất năm 2017, xuất hiện trong Tạp chí vật lý thiên văn,Những người săn bắn ngoài hành tinh có thể tìm thấy các hành tinh mà một ngày nào đó sẽ trở nên có thể ở được dựa trên sự hiện diện của hoạt động núi lửa - điều có thể nhận thấy thông qua sự hiện diện của khí hydro (H2) trong khí quyển của họ.
Giả thuyết này là một phần mở rộng tự nhiên của việc tìm kiếm các điều kiện giống như Trái đất, mà xem xét rằng bầu khí quyển Trái đất không phải lúc nào cũng như ngày nay. Về cơ bản, các nhà khoa học hành tinh đưa ra giả thuyết rằng hàng tỷ năm trước, bầu khí quyển sớm của Trái đất có nguồn cung cấp khí hydro dồi dào (H2) do sự phát triển của núi lửa và sự tương tác giữa các phân tử hydro và nitơ trong bầu khí quyển này là điều giữ cho Trái đất ấm đủ lâu để sự sống phát triển.
Trong trường hợp Trái đất, hydro này cuối cùng đã thoát ra ngoài không gian, được cho là trường hợp của tất cả các hành tinh trên mặt đất. Tuy nhiên, trên một hành tinh có đủ mức độ hoạt động của núi lửa, sự hiện diện của khí hydro trong khí quyển có thể được duy trì, do đó cho phép tạo hiệu ứng nhà kính giữ ấm bề mặt của chúng. Về mặt này, sự hiện diện của khí hydro trong bầu khí quyển hành tinh có thể mở rộng một ngôi sao LỚN.
Theo Ramirez, đó cũng là yếu tố thời gian, thường không được tính đến khi đánh giá HZ. Nói tóm lại, các ngôi sao tiến hóa theo thời gian và đưa ra các mức độ phóng xạ khác nhau dựa trên tuổi của chúng. Điều này có tác dụng thay đổi nơi một ngôi sao mà HZ đạt tới, có thể không bao gồm một hành tinh hiện đang được nghiên cứu. Như Ramirez đã giải thích:
Càng [tôi] đã chỉ ra rằng các sao lùn M (sao thực sự mát mẻ) rất sáng và nóng khi chúng hình thành nên chúng có thể hút ẩm bất kỳ hành tinh trẻ nào sau này được xác định là thuộc HZ cổ điển. Điều này nhấn mạnh quan điểm rằng chỉ vì một hành tinh hiện đang nằm trong khu vực có thể ở được, nó không có nghĩa là nó thực sự có thể ở được (chứ đừng nói là có người ở). Chúng ta có thể coi chừng những trường hợp này.
Cuối cùng, có vấn đề về những loại nhà thiên văn học hệ sao đã quan sát được trong cuộc săn tìm các ngoại hành tinh. Trong khi nhiều cuộc khảo sát đã kiểm tra ngôi sao lùn màu vàng loại G (đó là Mặt trời của chúng ta), nhiều nghiên cứu đã tập trung vào các ngôi sao loại M (sao lùn đỏ) muộn vì tuổi thọ của chúng và thực tế là chúng tin là nhất nơi có khả năng tìm thấy các hành tinh đá quay quanh HZ của các ngôi sao của họ.
Trong khi hầu hết các nghiên cứu trước đây tập trung vào các hệ sao đơn, nghiên cứu gần đây cho thấy các hành tinh có thể ở được có thể được tìm thấy trong các hệ sao nhị phân hoặc thậm chí các hệ lùn khổng lồ đỏ hoặc trắng, các hành tinh có thể ở được cũng có thể ở dạng thế giới sa mạc hoặc thậm chí là thế giới đại dương. ẩm ướt hơn nhiều so với Trái đất, Ramirez nói. Các công thức như vậy không chỉ mở rộng đáng kể không gian tham số của các hành tinh có thể ở được để tìm kiếm, mà chúng còn cho phép chúng ta lọc ra các thế giới có khả năng nhất (và ít nhất) có khả năng lưu trữ sự sống.
Cuối cùng, nghiên cứu này cho thấy HZ cổ điển không phải là công cụ duy nhất có thể được sử dụng để khẳng định khả năng sống ngoài Trái đất. Do đó, Ramirez khuyến nghị rằng trong tương lai, các nhà thiên văn học và thợ săn ngoại hành tinh nên bổ sung HZ cổ điển với những cân nhắc bổ sung được đưa ra bởi các công thức mới hơn này. Làm như vậy, họ có thể có thể tối đa hóa cơ hội tìm kiếm cuộc sống vào một ngày nào đó.
Tôi khuyên các nhà khoa học chú ý đặc biệt đến giai đoạn đầu của các hệ hành tinh bởi vì điều đó giúp xác định khả năng một hành tinh hiện đang nằm trong khu vực sinh sống ngày nay thực sự đáng để nghiên cứu thêm để có thêm bằng chứng về sự sống, ông nói. Tôi cũng khuyên rằng các định nghĩa HZ khác nhau được sử dụng cùng nhau để chúng ta có thể xác định tốt nhất hành tinh nào có khả năng lưu trữ sự sống nhất. Bằng cách đó, chúng ta có thể xếp hạng các hành tinh này và xác định những hành tinh nào sẽ dành phần lớn thời gian và năng lượng của kính thiên văn. Trên đường đi, chúng tôi cũng sẽ kiểm tra xem khái niệm HZ có giá trị như thế nào, bao gồm cả việc xác định mức độ phổ biến của chu trình cacbonat-silicat trên quy mô vũ trụ.
