Chúng ta có cô độc trong vũ trụ?

Loài người chỉ xuất hiện trên Trái đất bắt đầu cách đây khoảng triệu năm, và tuổi của Trái đất và hệ Mặt trời khoảng 4.5 tỷ năm nên so với tuổi của vũ trụ (13,7 tỷ năm), Trái đất như một cậu thanh niên, do đó khả năng tồn tại của các nền văn minh phát triển hơn loài người trong vũ trụ bao la là điều mà khó có thể bác bỏ.

Hình 2: Phân bố của các hành tinh ngoài hệ Mặt trời trên giải đồ nhiệt độ và cường độ bức xạ của sao. Vùng màu xanh biểu diễn vùng có đủ điều kiện cho sự sống phức tạp phát triển và duy trì. Nguồn ảnh: Wikipedia.

Vậy các nhà khoa học nỗ lực như thế nào, bằng cách gì để tìm kiếm sự sống trong vũ trụ bao la này? Thông thường, ngoài hai phương thức quen thuộc là nghiên cứu về các hành tinh ngoài hệ Mặt trời và tìm kiếm sự hiện diện của các phân tử hữu cơ – yếu tố cơ bản của sự sống, thời gian gần đây, với việc áp dụng những công nghệ tiên tiến, phương thức thứ ba là tìm kiếm các nền văn minh phát triển.

Nghiên cứu các hành tinh ngoài hệ Mặt trời

Trái đất mà chúng ta đang sống chỉ là một trong 8 hành tinh trong hệ Mặt trời, trong khi đó thiên hà của chúng ta lại có khoảng vài trăm tỷ ngôi sao, có nghĩa là có khoảng vài trăm tỷ hành tinh. Trong toàn vũ trụ mà ta có thể quan sát được có khoảng một đến hai trăm tỷ thiên hà.

Vậy tại sao là các hành tinh? Chúng chính là cái nôi của sự sống. Dù ở dạng thế nào, chúng ta phải thống nhất với nhau rằng sự sống mà chúng ta tìm kiếm trước hết phải gần giống với sự sống trên Trái đất, nghĩa là nó tồn tại trên một hành tinh có điều kiện nhiệt độ và khí quyển giống Trái đất.

Cho đến nay, chúng ta đã phát hiện hơn 4.000 hành tinh. Chỉ hơn 9 năm trên quỹ đạo (2009-2018), kính thiên văn không gian Kepler đã phát hiện ra hơn 2.600 hành tinh ngoài hệ Mặt trời, trong đó có tới hơn 100 hành tinh có kích thước và khối lượng gần giống Trái đất. Trong vài năm nữa, các kính thiên văn không gian hiện đại hơn như James Webb Space Telescope (JWST) hay Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) sẽ khám phá ra ngày càng nhiều các hành tinh ngoài hệ Mặt trời. Công việc tiếp theo của các nhà nghiên cứu là phân tích các thành phần hóa học của khí quyển để tìm kiếm các yếu tố khởi nguồn của sự sống.

Năm 2016, lần đầu tiên các nhà thiên văn học phát hiện ra hành tinh gần giống với Trái đất ở ngay trong hệ sao Proxima Centauri, hệ sao gần chúng ta nhất ở khoảng cách gần 4,2 năm ánh sáng hoặc 40 nghìn tỷ km. Hành tinh được đặt tên Proxima b quay quanh một ngôi sao lùn đỏ (red dwarf Proxima Centauri B). Điều đặc biệt là hành tinh Proxima b này có kích thước và vị trí gần giống với Trái đất và nằm trong vùng có đủ điều kiện để duy trì sự sống. Các nhà thiên văn dự đoán, hành tinh Proxima B có thể chứa nước và đại dương, một yếu tố cần thiết cho sự sống.

Ngày 22/2/2017, các nhà thiên văn công bố phát hiện một hệ hành tinh quay quanh sao TRAPPIST-1 chỉ cách chúng ta khoảng 40 năm ánh sáng. Điểm đáng lưu ý là hệ Mặt trời TRAPPIST-1 có tới 7 hành tinh rắn và có điều kiện gần giống với hệ Mặt trời của chúng ta. Ngày 31/8/2017, các nhà thiên văn sử dụng kính thiên văn không gian Hubble đã công bố sự tồn tại của nước trên một trong các hành tinh này.

Tìm dấu vết khởi nguồn của sự sống

Sự sống được bắt nguồn từ các phân tử đơn giản, thành axít amin, rồi phát triển thành protein, các tế bào, và đến DNA. Nước và các phân tử hữu cơ chính là mầm mống của sự sống, và sự có mặt của các phân tử này trong vũ trụ là tín hiệu đầu tiên để hình thành nên sự sống đơn giản nhất trong vũ trụ.

Các phân tử trong vũ trụ hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng xác định, chủ yếu ở vùng sóng hồng ngoại và vô tuyến. Phân tử nước hấp thụ rất mạnh ở vùng sóng hồng ngoại do dao động của phân tử. Ngoài ra, các phân tử cũng phát xạ ở vùng bước sóng dài từ mm tới cm do chuyển động quay của các phân tử xung quanh trục của chúng. Dựa vào các vạch phổ hấp thụ và phát xạ quan sát được, các nhà thiên văn đối chiếu với số liệu thực nghiệm trên Trái đất để định danh phân tử quan sát được.

Các nhà thiên văn học sử dụng các kính thiên văn hoạt động trong vùng sóng vô tuyến đã phát hiện được hơn 200 phân tử ở trong vũ trụ. Đặc biệt, có hơn 70 phân tử hữu cơ phức tạp chẳng hạn như methanol (CH₃OH) và rượu- ethanol (C₂H₅OH).

Con đường hình thành nước và các phân tử hữu cơ được bắt đầu từ các đám mây lạnh trong môi trường liên sao. Khi nhiệt độ đủ thấp cỡ -260⁰C (10 độ Kelvin), các phân tử H và Oxy va chạm với hạt bụi và ở lại đó, thi thoảng chúng kết hợp với nhau thành phân tử nước. Qua thời gian, một lớp đá được hình thành trên bề mặt hạt bụi. Khi các ngôi sao mới được sinh ra, chúng phát ra bức xạ mạnh làm cho bề mặt bụi đá ấm dần lên. Các phân tử đơn giản như CO sẽ trở nên linh động hơn và phản ứng với phân tử khác sinh ra methanol, ethanol và các phân tử phức tạp hơn. Khi lớp bụi đá được hun nóng lên đến 100 độ K, các phân tử nước và hữu cơ sẽ bay hơi, trở thành cách phân tử tự do. Tuy nhiên, một cơ chế mới được chúng tôi đề xuất dựa trên tác dụng của lực ly tâm tỏ ra hiệu nghiệm hơn cả bời vì các cơ chế này chỉ cần dùng một lượng bức xạ thấp hơn cỡ hàng nghìn lần so với cơ chế truyền thống.

Lắng nghe tín hiệu từ các nền văn minh khác

Việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất hướng vào phát hiện các tín hiệu thông minh được bắt đầu từ những năm 1970 với nỗ lực của Viện nghiên cứu SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence). Người đi đầu trong việc cổ vũ việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất là nhà thiên văn học Carl Sagan, người được công chúng biết đến qua hoạt động phổ biến kiến thức thiên văn học.

Năm 2015, Yuri Milner, một tỷ phú người Nga tại Silicon Valley, cùng với các cộng sự đã khởi động một loạt dự án để nghiên cứu sự sống văn minh. Đầu tiên là dự án Breakthrough Listen. Mục tiêu của dự án này là dùng các kính thiên văn vô tuyến có đường kính lớn, hướng lên bầu trời để phát hiện các tín hiệu lạ.

Hình 3: Bên trái ảnh biểu diễn chớp tín hiệu đến từ nền văn minh ngoài Trái đất mà các nhà thiên văn đang tìm kiếm trong dự án SETI. Bên phải biểu hiện việc quan sát phát hiện các tín hiệu sinh hoạt như ánh sáng đô thị của các hành tinh cũng cho ta biết hoạt động của sự sống. Nguồn ảnh: National geographic.

Cho đến bây giờ, việc tìm kiếm văn minh ngoài Trái đất đều tập trung vào việc phát hiện tín hiệu vô tuyến trên bầu trời. Với sức mạnh tính toán ngày càng tăng và các kính thiên văn nhạy hơn, các nhà nghiên cứu đang mở rộng tìm kiếm phát xạ quang và hồng ngoại, nhắm mục tiêu vào các công nghệ kỹ thuật của các nền văn minh tiên tiến. Chúng có thể bao gồm các xung laser, khí gây ô nhiễm hoặc các siêu vật liệu được xây dựng xung quanh một ngôi sao gần đó để khai thác năng lượng của nó (xem hình 3).

Năm 2016, Yurin Milner cùng với nhà vật lý nổi tiếng Stephan Hawking đã khởi động một hướng tìm kiếm mới và tham vọng hơn nhiều, Breakthrough Starshot (dự án bắn sao), nhằm chủ động thăm dò các hành tinh ngoài hệ Mặt trời thông qua các siêu phi thuyền có kích thước vài cm và di chuyển với tốc độ cực lớn đến 1/5 vận tốc ánh sáng (khoảng 60,000 km/giây- nhanh hơn máy bay nhanh nhất hiện nay khoảng 100 nghìn lần). Người ta đang nghiên cứu sử dụng hệ laser có công suất khoảng 100 GW (tương đương cố suất từ 100 lò phản ứng hạt nhân hiện tại) để gia tốc phi thuyền lên vận tốc trên. Được trang bị các thiệt bí điện tử tinh vi như camera, các siêu phi thuyền này sẽ chụp ảnh ở cự ly gần các hành tinh và bầu khí quyển của chúng. Sau đó dữ liệu sẽ được truyền về Trái đất để xử lý và giải mã.

Thành công của dự án Breakthrough Starshot sẽ tạo nên một cuộc cách mạng mới trong công cuộc chinh phục không gian của loài người, vì lần đầu tiên loài người có thể phóng phi thuyền ra hệ Mặt trời để chinh phục một ngôi sao khác. Tuy nhiên, dự án gặp phải các thách thức vô cùng to lớn. Đầu tiên là làm thế nào để có thể tăng tốc các phi thuyền lên vận tốc 1/5 lần vận tốc ánh sáng? Rồi việc thu nhỏ các thiết bị điện tử như camera vào kích thước chỉ vài cm? Cuối cùng và quan trọng nhất làm sao để bảo vệ các phi thuyển này khi chúng bay trong môi trường liên sao và các vật thể như hạt bụi phá hủy.

Các vị khách đến từ ngoài hệ Mặt trời

Trong khi loài người còn đang tìm cách phóng các phi thuyền để khám phá một vì sao bên cạnh, thìvào ngày 19/10/2017, thông qua kính thiên văn Pan-STARRS đặt tại Hawai, nhà thiên văn học người Canada, Robert Weryk đã phát hiện một vật thể kỳ lạ, đang từ môi trường liên sao tiến về hệ Mặt trời theo quỹ đạo là một đường hyperbol với tốc độ lên tới 56 km/s. Đây chính là vật thể đầu tiên đến từ ngoài hệ Mặt trời và được đặt tên là ‘Oumuamua theo tiếng Hawaii. Dựa vào số liệu trắc quang, các nhà thiên văn học ước đoán vật thể này có dạng rất dài như một điếu thuốc lá xì gà, với chiều dài từ 100-1000 m và chiểu ngang chỉ từ 35-167 m. Nhìn hình dạng kỳ dị này, nhiều người liên tưởng ‘Oumuamua như một phi thuyền của người ngoài hành tinh. Điều may mắn là chúng ta không phát hiện được tín hiệu điện từ nào từ ‘Oumuama, do đó khả năng cao đây chỉ là một thiên thạch đến từ hệ Mặt trời khác mà thôi.

Ngày 16/8/2019, một nhà thiên văn nghiệp dư vùng Crimea đã phát hiện ra vật thể thứ hai, có thể là sao chổi. Vật thể này được đặt tên là Borisov/2019C. Với sự phát triển nhanh của kỹ thuật và công nghệ quan sát, các nhà thiên văn dự đoán rằng khả năng chúng ta phát hiện ra các vật thể đến từ môi trường liên sao sẽ ngày càng tăng. Liệu một ngày không xa chúng ta có thể thực sự phát hiện ra các phi thuyền do nền văn minh ngoài Trái đất?

Đi tìm lời giải cho câu hỏi “Có tồn tại sự sóng ngoài vũ trụ hay không?” đòi hỏi sự tập trung nghiên cứu tìm kiếm sự sống theo nhiều cách khác nhau, từ mầm mống của sự sống đơn giản như nước và phân tử hữu cơ, tới cái nôi cho sự sống nảy nở và sinh sôi như các hành tinh và khí quyển của chúng, và cuối cùng là các dấu hiệu của các nền văn minh có thể tiến bộ hơn loài người chúng ta. Cả ba hướng nghiên cứu này đang rất sôi động trong cộng đồng các nhà thiên văn học. Sẽ thật tuyệt vời nếu một ngày chúng ta tìm được những người bạn của mình trong vũ trụ và sẽ không còn cô đơn nữa.□

------

Tham khảo:

^1. Bourrier, Vincent; de Wit, Julien; Jäger, Mathias (31 August 2017).“Hubble delivers first hints of possible water content of TRAPPIST-1 planets”.SpaceTelescope.org. Retrieved4 September2017.

² https://www.nationalgeographic.com/magazine/2019/03/extraterrestrial-life-probably-exists-how-do-we-search-for-aliens/

³ The Interaction of Relativistic Spacecrafts with the Interstellar Medium, Hoang,Thiem;Lazarian, A; Burkhart,Blakesley; Loeb,Abraham, The Astrophysical Journal, Volume 837, 201

⁴ Chemistry on Rotating Grain Surface: Ro-Thermal Desorption of Molecules from Ice Mantles, Hoang Thiem, Tung Nguyen, The Astrophysical Journal, in press

Theo Tiasang