Mặc dù có hàng ngàn ngoại hành tinh đã được các nhà thiên văn học phát hiện trong những năm gần đây, việc xác định liệu có bất kỳ trong số chúng có thể ở được hay không là một thách thức lớn. Vì chúng ta không thể nghiên cứu trực tiếp các hành tinh này, các nhà khoa học buộc phải tìm kiếm các chỉ dẫn gián tiếp. Chúng được gọi là sinh trắc học, bao gồm các sản phẩm phụ hóa học mà chúng ta liên kết với cuộc sống hữu cơ xuất hiện trong bầu khí quyển hành tinh.
Một nghiên cứu mới của một nhóm các nhà khoa học NASA đề xuất một phương pháp mới để tìm kiếm các dấu hiệu tiềm năng của sự sống ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta. Chìa khóa, họ khuyến nghị, là tận dụng các cơn bão sao thường xuyên từ các ngôi sao lùn trẻ, mát mẻ. Những cơn bão này thổi bay những đám mây vật chất và bức xạ khổng lồ vào không gian, tương tác với khí quyển ngoại hành tinh và tạo ra các sinh trắc học có thể được phát hiện.
Nghiên cứu có tựa đề Beacons of Life of Life from Exoplanets Xung quanh G và K Stars, gần đây đã xuất hiện trong Báo cáo khoa học tự nhiên. Được dẫn dắt bởi Vladimir S. Airapetian, một nhà vật lý thiên văn cao cấp thuộc Khoa Khoa học Vật lý học (HSD) tại Trung tâm Hàng không Vũ trụ Goddard của NASA, nhóm nghiên cứu bao gồm các thành viên từ Trung tâm Nghiên cứu Langley của NASA, Hệ thống Khoa học và Ứng dụng Khoa học (SSAI) và Đại học Hoa Kỳ .
Theo truyền thống, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm các dấu hiệu của oxy và metan trong khí quyển ngoại hành tinh, vì đây là những sản phẩm phụ nổi tiếng của các quá trình hữu cơ. Theo thời gian, các khí này tích tụ, đạt đến số lượng có thể được phát hiện bằng phương pháp quang phổ. Tuy nhiên, phương pháp này tốn nhiều thời gian và đòi hỏi các nhà thiên văn phải mất nhiều ngày cố gắng quan sát quang phổ từ một hành tinh xa xôi.
Nhưng theo Airapetian và các đồng nghiệp của mình, có thể tìm kiếm chữ ký của kẻ phá hoại trên các thế giới có thể ở được. Cách tiếp cận này sẽ dựa vào công nghệ và tài nguyên hiện có và sẽ mất ít thời gian hơn. Như Airapetian đã giải thích trong thông cáo báo chí của NASA:
Chúng tôi tìm kiếm các phân tử được hình thành từ các điều kiện tiên quyết cơ bản đến sự sống - cụ thể là nitơ phân tử, chiếm 78% bầu khí quyển của chúng ta. Đây là những phân tử cơ bản thân thiện với sinh học và có sức mạnh phát ra hồng ngoại mạnh, làm tăng cơ hội phát hiện ra chúng.
Sử dụng sự sống trên Trái đất làm khuôn mẫu, Airapetian và nhóm của ông đã thiết kế một phương pháp mới để tìm kiếm hoặc các dấu hiệu của sản phẩm phụ hơi nước, nitơ và khí oxy trong khí quyển ngoại hành tinh. Tuy nhiên, mẹo thực sự là tận dụng các loại sự kiện thời tiết không gian khắc nghiệt xảy ra với các ngôi sao lùn hoạt động. Những sự kiện này, làm lộ ra bầu khí quyển hành tinh trước các vụ nổ bức xạ, gây ra các phản ứng hóa học mà các nhà thiên văn học có thể tiếp nhận.
Khi nói đến những ngôi sao như Mặt trời của chúng ta, sao lùn màu vàng loại G, những sự kiện thời tiết như vậy là phổ biến khi chúng vẫn còn trẻ. Tuy nhiên, các ngôi sao màu vàng và màu cam khác được biết là vẫn hoạt động trong hàng tỷ năm, tạo ra các cơn bão của các hạt tích điện, năng lượng. Và các ngôi sao loại M (sao lùn đỏ), loại phổ biến nhất trong Vũ trụ, vẫn hoạt động trong suốt cuộc đời dài của chúng, định kỳ khiến các hành tinh của chúng bị pháo sáng nhỏ.
Khi chúng đến một ngoại hành tinh, chúng phản ứng với khí quyển và gây ra sự phân ly hóa học của khí nitơ (N²) và oxy (O²) thành các nguyên tử đơn lẻ, và hơi nước thành hydro và oxy. Các nguyên tử nitơ và oxy bị phá vỡ sau đó gây ra một loạt các phản ứng hóa học tạo ra hydroxyl (OH), nhiều oxy phân tử (O) và oxit nitric (NO) - thứ mà các nhà khoa học gọi là đèn hiệu khí quyển.
Khi ánh sáng sao chiếu vào bầu khí quyển hành tinh, các phân tử đèn hiệu này sẽ hấp thụ năng lượng và phát ra bức xạ hồng ngoại. Bằng cách kiểm tra các bước sóng cụ thể của bức xạ này, các nhà khoa học có thể xác định được các nguyên tố hóa học nào có mặt. Cường độ tín hiệu của các phần tử này cũng là một dấu hiệu của áp suất khí quyển. Được kết hợp với nhau, những bài đọc này cho phép nhà khoa học Lốc xác định mật độ và thành phần của bầu khí quyển.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà thiên văn học cũng đã sử dụng một mô hình để tính toán làm thế nào ozone (O³) được hình thành trong bầu khí quyển Trái đất từ oxy tiếp xúc với bức xạ mặt trời. Sử dụng mô hình tương tự - và ghép nối nó với các sự kiện thời tiết không gian được mong đợi từ các ngôi sao hoạt động, mát mẻ - Airapetian và các đồng nghiệp của ông đã tìm cách tính toán bao nhiêu oxit nitric và hydroxyl sẽ hình thành trong bầu khí quyển giống như Trái đất và lượng ozone sẽ bị phá hủy .
Để thực hiện điều này, họ đã tham khảo dữ liệu từ sứ mệnh Động lực học tầng điện ly vũ trụ (TIMED) của NASA, đã nghiên cứu về sự hình thành của đèn hiệu trong bầu khí quyển Trái đất trong nhiều năm. Cụ thể, họ đã sử dụng dữ liệu từ Âm thanh khí quyển của nó bằng thiết bị đo phóng xạ phát xạ băng rộng (SABER), cho phép họ mô phỏng cách quan sát hồng ngoại của các đèn hiệu này có thể xuất hiện trong bầu khí quyển ngoại hành tinh.
Như Martin Mlynczak, điều tra viên chính của SABER tại Trung tâm nghiên cứu NASA Lang Langley và là đồng tác giả của bài báo, đã chỉ ra:
Lấy những gì chúng ta biết về bức xạ hồng ngoại phát ra từ bầu khí quyển Trái đất, ý tưởng là xem xét các ngoại hành tinh và xem loại tín hiệu nào chúng ta có thể phát hiện. Nếu chúng ta tìm thấy các tín hiệu ngoại hành tinh với tỷ lệ gần giống với Earth, chúng ta có thể nói rằng hành tinh này là một ứng cử viên tốt để tổ chức sự sống.
Những gì họ tìm thấy là tần số của các cơn bão sao mạnh liên quan trực tiếp đến cường độ của các tín hiệu nhiệt đến từ các đèn hiệu khí quyển. Càng nhiều cơn bão xảy ra, các phân tử đèn hiệu được tạo ra càng nhiều, tạo ra tín hiệu đủ mạnh để quan sát được từ Trái đất bằng kính viễn vọng không gian và dựa trên chỉ hai giờ thời gian quan sát.
Họ cũng phát hiện ra rằng phương pháp này có thể loại bỏ các ngoại hành tinh không có từ trường giống Trái đất, tương tác tự nhiên với các hạt tích điện từ Mặt trời. Sự hiện diện của một cánh đồng như vậy là điều đảm bảo rằng bầu khí quyển hành tinh không bị tước đi, và do đó rất cần thiết cho môi trường sống. Như Airapetian đã giải thích:
Một hành tinh cần một từ trường, nó che chắn bầu khí quyển và bảo vệ hành tinh khỏi những cơn bão sao và bức xạ. Nếu gió sao không cực mạnh đến mức nén một từ trường exoplanet phạm vi gần bề mặt của nó, thì từ trường sẽ ngăn không khí thoát ra, do đó có nhiều hạt trong khí quyển và tín hiệu hồng ngoại mạnh hơn.
Mô hình mới này rất có ý nghĩa vì nhiều lý do. Một mặt, nó cho thấy nghiên cứu đã cho phép các nghiên cứu chi tiết về bầu khí quyển Trái đất và cách nó tương tác với thời tiết không gian hiện đang được đưa vào nghiên cứu về các ngoại hành tinh. Điều này cũng rất thú vị vì nó có thể cho phép các nghiên cứu mới về khả năng cư trú của ngoại hành tinh xung quanh các loại sao nhất định - từ nhiều loại sao vàng và cam đến các ngôi sao lùn đỏ, mát mẻ.
Sao lùn đỏ là loại sao phổ biến nhất trong Vũ trụ, chiếm 70% số sao trong các thiên hà xoắn ốc và 90% trong các thiên hà hình elip. Hơn nữa, dựa trên những khám phá gần đây, các nhà thiên văn học ước tính rằng các ngôi sao lùn đỏ rất có khả năng có hệ thống các hành tinh đá. Nhóm nghiên cứu cũng dự đoán rằng các thiết bị không gian thế hệ tiếp theo như Kính viễn vọng Không gian James Webb sẽ tăng khả năng tìm thấy các hành tinh có thể ở được bằng mô hình này.
Như William Danchi, nhà vật lý thiên văn cao cấp Goddard và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết:
Những hiểu biết mới về tiềm năng sự sống trên các ngoại hành tinh phụ thuộc rất nhiều vào nghiên cứu liên ngành, trong đó dữ liệu, mô hình và kỹ thuật được sử dụng từ NASA Goddard, bốn bộ phận khoa học: vật lý học, vật lý thiên văn, khoa học hành tinh và trái đất. Hỗn hợp này tạo ra những con đường mới độc đáo và mạnh mẽ cho nghiên cứu ngoại hành tinh.
Cho đến thời điểm đó chúng ta có thể nghiên cứu ngoại hành tinh trực tiếp, bất kỳ sự phát triển nào làm cho sinh trắc học trở nên rõ ràng hơn và dễ dàng phát hiện hơn là vô cùng quý giá. Trong những năm tới, Project Blue và Đột phá Starshot đang hy vọng tiến hành các nghiên cứu trực tiếp đầu tiên về hệ thống Alpha Centauri. Nhưng trong khi đó, các mô hình cải tiến cho phép chúng ta khảo sát vô số ngôi sao khác để biết các ngoại hành tinh có thể ở được là vàng!
Họ sẽ không chỉ cải thiện đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về mức độ phổ biến của các hành tinh như vậy, mà họ còn có thể chỉ cho chúng ta theo hướng của một hoặc nhiều Trái đất 2.0!
