Khám phá ngoại hành tinh là một trong những lĩnh vực phát triển nhanh nhất của khoa học hiện đại và các nhà thiên văn học hiện đang bắt đầu mô tả tính chất hóa học của bầu khí quyển của chúng. Liệu chúng ta có thể tìm thấy dấu vết của sự sống ngoài trái đất trong thành phần khí của một ngoại hành tinh – một “dấu hiệu sinh học khí quyển”?
Đặc biệt, bầu khí quyển giàu oxy sẽ được coi là bằng chứng mạnh mẽ về sinh quyển, đặc biệt nếu khí mê-tan cũng được phát hiện trong không khí.
Điều này là do oxy tự do được giải phóng bởi quá trình quang hợp sinh học nhưng không được tạo ra bởi nhiều quá trình không sống.
Đó là một loại khí phản ứng (ví dụ như kết hợp với khí mê-tan để tạo ra carbon dioxide) nên nó phải nhanh chóng được loại bỏ khỏi bất kỳ bầu khí quyển nào nếu nó không được bổ sung.
Đọc thêm từ Lewis Dartnell:
Bầu khí quyển giàu oxy, nhuốm màu mê-tan của chúng ta đã bị đẩy xa khỏi ‘cân bằng hóa học’ mà bạn mong đợi từ các quá trình địa chất thuần túy, một trạng thái được gọi là mất cân bằng, biểu thị sinh quyển toàn cầu, đang hoạt động của Trái đất.
Nhưng mặc dù khả năng quang hợp đã được phát triển bởi sự sống trên Trái đất ít nhất 3 tỷ năm trước, hành tinh của chúng ta mới chỉ có dấu hiệu sinh học oxy có thể phát hiện mạnh mẽ trong nửa tỷ năm qua hoặc lâu hơn.
Cần có thời gian để oxy tích tụ trong bầu khí quyển của một hành tinh, ngay cả khi nó hỗ trợ sự sống dồi dào.
Vậy sự mất cân bằng khí quyển của Trái đất đã thay đổi như thế nào trong lịch sử của nó và chúng ta có thể tìm kiếm dấu hiệu sinh học nào khác trên các thế giới khác?
Nicholas Wogan và David Catling từ Đại học Washington đã xây dựng một mô hình máy tính đơn giản về bầu khí quyển và đại dương của Trái đất.
Mô phỏng cho thấy cân bằng khí quyển thay đổi như thế nào với núi lửa, ánh sáng mặt trời và quần thể vi sinh vật mô phỏng.
Họ đã sử dụng nó để nghiên cứu ba giai đoạn khác nhau trong lịch sử hành tinh của chúng ta: Trái đất trước khi có sự sống, khi chỉ có các quá trình địa chất ảnh hưởng đến thành phần của khí quyển; một Trái đất là nơi sinh sống của vi khuẩn, có thể cung cấp năng lượng cho các loại khí đơn giản như hydro và carbon monoxide; và thời đại hiện nay, với quá trình quang hợp phổ biến kiểm soát hóa học của hành tinh.
Trên một hành tinh giống Trái đất trước khi có sự sống lan rộng, bầu khí quyển cho thấy sự mất cân bằng hóa học khiêm tốn từ hỗn hợp hydro và carbon dioxide được giải phóng từ các nguồn địa chất.
Vì vậy, với sự lan rộng của sự sống nguyên thủy, sự mất cân bằng khí quyển thực sự giảm đi do các loại khí ‘ăn được’ như hydro đang được vi khuẩn tiêu thụ.
Mãi cho đến khi quá trình quang hợp phát triển và bổ sung oxy vào bầu khí quyển thì sự sống mới bộc lộ rõ ràng sự hiện diện của nó bằng cách thay đổi trạng thái mất cân bằng của khí quyển.
Quang phổ của các ngoại hành tinh trên mặt đất không chỉ tiết lộ bằng chứng mạnh mẽ về sự hiện diện của một sinh quyển toàn cầu, mà một số khí nhất định – chẳng hạn như carbon monoxide – cũng có thể được coi là một “chất kháng sinh” cho thấy sự vắng mặt của sự sống phổ biến, bởi vì chúng đại diện cho một bữa ăn trưa miễn phí hình như không ai ăn
Trong vòng vài năm tới, các nhà thiên văn học sẽ có thể tìm kiếm dấu hiệu sinh học trong khí quyển ở các ngoại hành tinh đang chuyển tiếp gần đó bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb, trong khi các phạm vi được lên kế hoạch cho thập kỷ tới sẽ có khả năng chọn ra ánh sáng phản xạ từ các ngoại hành tinh cỡ Trái đất.
Chúng ta sắp bước vào thời kỳ hoàng kim để mô tả đặc điểm của các thế giới lân cận.
Giáo sư Lewis Dartnell là nhà sinh vật học vũ trụ tại Đại học Westminster. Anh ấy đang đọc Khi nào thì sự mất cân bằng hóa học trong bầu khí quyển của các hành tinh giống Trái đất là dấu hiệu sinh học so với phản dấu hiệu sinh học? Mất cân bằng từ thế giới chết đến thế giới sống của Nicholas Wogan và David Catling. Đọc trực tuyến tại đây.
Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 2 năm 2020 của Tạp chí BBC Sky at Night .