Trong những năm gần đây, số lượng các hành tinh ngoài mặt trời được phát hiện xung quanh loại M gần đó (sao lùn đỏ) đã tăng lên đáng kể. Trong nhiều trường hợp, những hành tinh được xác nhận này đã giống như Trái đất, có nghĩa là chúng có mặt đất (hay còn gọi là đá) và có kích thước tương đương Trái đất. Những phát hiện này đặc biệt thú vị vì các ngôi sao lùn đỏ là phổ biến nhất trong Vũ trụ - chiếm 85% số sao trong Dải Ngân hà một mình.
Thật không may, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành muộn cho thấy những hành tinh này có thể không có điều kiện cần thiết để hỗ trợ sự sống. Lần gần đây nhất đến từ Đại học Harvard, nơi nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Manasvi Lingam và Giáo sư Abraham Loeb chứng minh rằng các hành tinh xung quanh các ngôi sao loại M có thể không nhận đủ bức xạ từ các ngôi sao của chúng để quang hợp xảy ra.
Nói một cách đơn giản, sự sống trên Trái đất được cho là đã xuất hiện từ 3,7 đến 4,1 tỷ năm trước (vào cuối thời Hadean hoặc đầu Archean Eon), vào thời điểm bầu khí quyển hành tinh có thể độc hại với cuộc sống ngày nay. Giữa 2,9 đến 3 tỷ năm trước, vi khuẩn quang hợp bắt đầu xuất hiện và bắt đầu làm phong phú bầu không khí bằng khí oxy.
Kết quả là, Trái đất đã trải nghiệm cái được gọi là Sự kiện oxy hóa vĩ đại, khoảng 2,3 tỷ năm trước. Trong thời gian này, các sinh vật quang hợp đã dần dần chuyển đổi bầu khí quyển Trái đất từ một thành phần chủ yếu là carbon dioxide và metan thành một loại được tạo thành từ khí nitơ và oxy (lần lượt là ~ 78% và 21%).
Thật thú vị, các hình thức quang hợp khác được cho là đã xuất hiện thậm chí sớm hơn so với quang hợp diệp lục. Chúng bao gồm quang hợp võng mạc, nổi lên ca. 2,5 đến 3,7 tỷ năm trước và vẫn còn tồn tại trong môi trường thích hợp hạn chế ngày nay. Như tên cho thấy, quá trình này dựa vào võng mạc (một loại sắc tố màu tím) để hấp thụ năng lượng mặt trời ở phần màu vàng lục của quang phổ nhìn thấy (400 đến 500nm).
Ngoài ra còn có quá trình quang hợp anoxygenic (trong đó carbon dioxide và hai phân tử nước được xử lý để tạo ra formaldehyd, nước và khí oxy), được cho là có khả năng quang hợp oxy hoàn toàn. Làm thế nào và khi các loại quang hợp khác nhau xuất hiện là chìa khóa để hiểu khi sự sống trên Trái đất bắt đầu. Như giáo sư Loeb đã giải thích với Tạp chí Vũ trụ qua email:
Hoàng tử ‘Quang hợp có nghĩa là‘ ghép lại với nhau (tổng hợp) bằng ánh sáng (ảnh). Đó là một quá trình được sử dụng bởi thực vật, tảo hoặc vi khuẩn để chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học cung cấp năng lượng cho các hoạt động của chúng. Năng lượng hóa học được lưu trữ trong các phân tử dựa trên carbon, được tổng hợp từ carbon dioxide và nước. Quá trình này thường giải phóng oxy dưới dạng sản phẩm, cần thiết cho sự tồn tại của chúng ta. Nhìn chung, quang hợp cung cấp tất cả các hợp chất hữu cơ và hầu hết năng lượng cần thiết cho sự sống như chúng ta biết trên hành tinh Trái đất. Quang hợp phát sinh tương đối sớm trong lịch sử tiến hóa của Trái đất.
Các nghiên cứu như thế này, xem xét vai trò của quang hợp, không chỉ quan trọng vì chúng giúp chúng ta hiểu được sự sống xuất hiện trên Trái đất như thế nào. Ngoài ra, họ cũng có thể giúp thông báo cho sự hiểu biết của chúng ta về việc liệu sự sống có thể xuất hiện trên các hành tinh ngoài mặt trời hay không, và trong những điều kiện nào điều này có thể xảy ra.
Nghiên cứu của họ, có tiêu đề Quang hợp trên các hành tinh có thể ở được xung quanh các ngôi sao có khối lượng thấp, gần đây đã xuất hiện trực tuyến và đã được gửi tới Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia. Vì lợi ích của nghiên cứu, Lingam và Loeb đã tìm cách hạn chế dòng photon của các ngôi sao loại M để xác định xem có khả năng quang hợp trên các hành tinh trên mặt đất quay quanh các ngôi sao lùn đỏ hay không. Như Loeb đã nêu:
Trong bài báo của chúng tôi, chúng tôi đã nghiên cứu xem liệu quang hợp có thể xảy ra trên các hành tinh trong vùng có thể ở được xung quanh các ngôi sao có khối lượng thấp hay không. Vùng này được định nghĩa là phạm vi khoảng cách từ ngôi sao nơi nhiệt độ bề mặt của hành tinh cho phép tồn tại nước lỏng và hóa học của sự sống như chúng ta biết. Đối với các hành tinh trong khu vực đó, chúng tôi đã tính toán dòng tia cực tím (UV) chiếu sáng bề mặt của chúng như là một hàm của khối lượng của ngôi sao chủ của chúng. Các ngôi sao có khối lượng thấp thì mát hơn và tạo ra ít photon UV hơn cho mỗi lượng bức xạ.
Phù hợp với những phát hiện gần đây liên quan đến các ngôi sao lùn đỏ, nghiên cứu của họ tập trung vào các chất tương tự Trái đất, các hành tinh có các thông số vật lý cơ bản giống như Trái đất - tức là bán kính, khối lượng, thành phần, nhiệt độ hiệu quả, albedo, v.v. Vì giới hạn lý thuyết của quang hợp xung quanh các ngôi sao khác không được hiểu rõ, chúng cũng hoạt động với các giới hạn tương tự như các sao trên Trái đất - trong khoảng từ 400 đến 750nm.
Từ đó, Lingam và Loeb tính toán rằng các ngôi sao loại M có khối lượng thấp sẽ không thể vượt quá dòng UV tối thiểu cần thiết để đảm bảo một sinh quyển tương tự như Trái đất. Như Loeb đã minh họa:
Điều này ngụ ý rằng các hành tinh có thể ở được phát hiện trong vài năm qua xung quanh các ngôi sao lùn gần đó, Proxima Centauri (ngôi sao gần nhất với Mặt trời, cách xa 4 năm ánh sáng, khối lượng mặt trời 0,12, với một hành tinh có thể ở được, Proxima b) và TRAPPIST-1 ( Cách xa 40 năm ánh sáng, 0,09 khối lượng mặt trời, với ba hành tinh có thể ở được TRAPPIST-1e, f, g), có lẽ không có sinh quyển giống Trái đất. Tổng quát hơn, các nghiên cứu quang phổ về thành phần khí quyển của các hành tinh truyền qua các ngôi sao của chúng (như TRAPPIST-1) không thể tìm thấy dấu ấn sinh học, như oxy hoặc ozone, ở mức độ có thể phát hiện được. Nếu oxy được tìm thấy, nguồn gốc của nó có thể là phi sinh học.
Đương nhiên, có giới hạn cho loại phân tích này. Như đã lưu ý trước đó, Lingam và Loeb chỉ ra rằng giới hạn lý thuyết của quang hợp xung quanh các ngôi sao khác không được biết đến nhiều. Cho đến khi chúng ta tìm hiểu thêm về các điều kiện hành tinh và môi trường bức xạ xung quanh các ngôi sao loại M, các nhà khoa học sẽ buộc phải sử dụng các số liệu dựa trên hành tinh của chúng ta.
Thứ hai, có một thực tế là các ngôi sao loại M có thể thay đổi và không ổn định so với Mặt trời của chúng ta và trải qua các đợt bùng phát định kỳ. Trích dẫn các nghiên cứu khác, Lingam và Loeb chỉ ra rằng những điều này có thể có cả tác động tích cực và tiêu cực đến một sinh quyển hành tinh. Nói tóm lại, pháo sáng sao có thể cung cấp thêm bức xạ UV giúp kích hoạt hóa học prebiotic, nhưng cũng có thể gây bất lợi cho bầu khí quyển hành tinh.
Tuy nhiên, việc cấm các nghiên cứu chuyên sâu hơn về các hành tinh ngoài hệ mặt trời quay quanh các ngôi sao lùn đỏ, nhà khoa học buộc phải dựa vào các đánh giá lý thuyết về khả năng sự sống của các hành tinh này. Đối với những phát hiện được trình bày trong nghiên cứu này, chúng là một dấu hiệu khác cho thấy các hệ sao lùn đỏ có thể không phải là nơi có khả năng nhất để tìm thấy các thế giới có thể ở được.
Nếu đúng, những phát hiện này cũng có thể có ý nghĩa quyết liệt trong Tìm kiếm Trí thông minh ngoài Trái đất (SETI). Loeb Vì oxy được tạo ra bởi quá trình quang hợp là điều kiện tiên quyết cho cuộc sống phức tạp như con người trên Trái đất, nên cũng cần có trí thông minh công nghệ để phát triển, Loeb nói. Đến lượt mình, sự xuất hiện của cái sau mở ra khả năng tìm thấy sự sống thông qua các chữ ký công nghệ như tín hiệu vô tuyến hoặc các đồ tạo tác khổng lồ.
Cho đến nay, việc tìm kiếm các hành tinh có thể ở được và cuộc sống tiếp tục được thông báo bởi các mô hình lý thuyết cho chúng ta biết những gì cần chú ý. Đồng thời, các mô hình này tiếp tục dựa trên cuộc sống của người Do Thái như chúng ta biết nó - tức là sử dụng các chất tương tự Trái đất và các loài sống trên cạn làm ví dụ. May mắn thay, các nhà thiên văn học mong đợi sẽ học được nhiều hơn trong những năm tới nhờ sự phát triển của các công cụ thế hệ tiếp theo.
Chúng ta càng tìm hiểu về các hệ thống ngoại hành tinh, chúng ta càng có nhiều khả năng xác định liệu chúng có thể ở được hay không. Nhưng cuối cùng, chúng tôi đã giành chiến thắng để biết những gì chúng ta nên tìm kiếm cho đến khi chúng ta thực sự tìm thấy nó. Đó là nghịch lý lớn khi nói đến Tìm kiếm Trí thông minh ngoài Trái đất, chưa kể đến nghịch lý vĩ đại khác (hãy tìm kiếm nó!).
