Con người chúng ta có một mối quan hệ kỳ lạ với sao chổi. Trong lịch sử, chúng được coi là điềm báo của những điều khủng khiếp sắp xảy ra và thậm chí ngày nay, chúng ta mô tả chúng trong các bộ phim phá hủy các thành phố và đe dọa loài người.
Nhưng khái niệm còn sót lại về sao chổi là điềm báo về sự hủy diệt không phải là toàn bộ bức tranh.
Nhiều dòng nghiên cứu khoa học đang củng cố giả thuyết rằng sao chổi đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành sự sống trên Trái đất.
Nhìn lên bầu trời đêm và nếu bạn có bầu trời tối, bạn sẽ không thấy gì ngoài màu đen như mực giữa các vì sao.
Chúng ta thích nghĩ về không gian như một khoảng không bao la, không có gì cả.
Nhưng thực tế là không gian giữa các vì sao chứa một lượng khí và bụi khổng lồ, và chính vật liệu này là chìa khóa để hiểu tại sao sao chổi lại rất hấp dẫn đối với các nhà sinh vật học nghiên cứu nguồn gốc sự sống.
Tiến sĩ Richard Mathies từ Đại học California, Berkeley cho biết: “Sao chổi là tập hợp của các hạt bụi giữa các vì sao.
“Đây không phải là loại bụi mà bạn tìm thấy trong nhà khi lắc một tờ giấy hoặc thứ gì đó tương tự. Đây là những hạt bụi tương đối sạch, là tập hợp của các phân tử nhỏ như carbon dioxide, nước, amoniac và hydrocarbon.”
Trong nhiều năm, các nhà thiên văn học đã biết rằng những phân tử này có thể được tìm thấy trong không gian và người ta cũng hiểu rằng việc chiếu xạ chúng có thể tạo ra axit amin, thường được gọi là “khối xây dựng của sự sống”.
“Câu hỏi thực sự là ‘điều gì xảy ra tiếp theo?” Mathies nói.
Cụ thể, Mathies và các đồng nghiệp của ông tại Berkeley và Đại học Hawaii, Manoa, muốn tìm hiểu những gì cần thiết để tạo ra polyme – chuỗi axit amin.
Mathies nói: “Cơ sở của sự sống là sự hình thành các polyme tổ hợp.
“Đó là cơ sở của peptide và protein, đó là cấu trúc cơ bản của axit nucleic (RNA và DNA) và đó là cấu trúc cơ bản của đường.
“Bạn lấy các phân tử đơn giản và bạn tạo ra các tổ hợp chuỗi tuyến tính khác nhau và điều này mang lại cho bạn một cách tạo ra độ phức tạp phân tử cực lớn.”
Để khám phá những gì có thể tạo ra các polyme, nhóm đã tiến hành tái tạo môi trường được tìm thấy trong không gian giữa các vì sao với sự trợ giúp của buồng chân không.
Bên trong buồng, nhóm nghiên cứu đặt một đĩa bạc nhỏ rộng khoảng 2cm và dày vài mm.
Bạc này sẽ là bề mặt mà nhóm nghiên cứu có thể tái tạo cùng một chất hóa học được cho là xảy ra trên các hạt bụi giữa các vì sao – và chính tại đây, họ sẽ tìm kiếm bí mật của sự hình thành polyme.
Khi không khí được bơm ra khỏi buồng để mô phỏng độ chân không của không gian, miếng bạc được làm lạnh đến khoảng –260ºC.
Sau đó, một hỗn hợp các thành phần được biết là có mặt trong các hạt bụi giữa các vì sao được bơm vào buồng ở dạng khí: hỗn hợp này bao gồm metan và etan (hydrocacbon) cũng như amoniac và carbon dioxide.
Mathies nói: “Trời lạnh đến mức khí ngưng tụ trên bạc rất nhanh và tạo thành một lớp màng – tổng hợp của tất cả những thứ này”.
“Giống như hơi nước ngưng tụ trên cửa sổ vào mùa đông và tạo thành một lớp băng giá. Đó chính xác là những gì đang diễn ra.”
Nhưng bộ phim chỉ mô phỏng những gì được tìm thấy trong chính các hạt bụi. Để hoàn thành thử nghiệm, nhóm cần một thứ khác.
Trong không gian, bụi sẽ bị bắn phá bởi các hạt năng lượng cao gọi là tia vũ trụ thiên hà.
Mathies giải thích rằng chúng đóng một vai trò quan trọng trong các phản ứng xảy ra trên các hạt bụi.
Ông nói: “Khi carbon dioxide, amoniac, nước và hydrocarbon bị các tia vũ trụ của thiên hà thổi bay, chúng sẽ được kích hoạt và có thể tạo ra các phân tử mới.
Để tái tạo lại vụ bắn phá cực mạnh này, nhóm nghiên cứu đã bắn các electron vào mẫu băng giá, sau đó phân tích nó để xem cái gì đã được tạo ra. Kết quả thật đáng chú ý.
Mathies cho biết: “Những gì chúng tôi đã chỉ ra là, một khi bạn tạo ra các axit amin trong những lớp băng này, thì sự chiếu xạ liên tục bằng các tia vũ trụ của thiên hà cũng dẫn đến sự hình thành các polyme đơn giản – bước đầu tiên trong quá trình tiến hóa của các phân tử phức tạp hơn”.
Trong không gian, những phân tử phức tạp đó có thể tìm đường vào sao chổi khi các hạt bụi kết tụ lại với nhau và cuối cùng, người ta cho rằng những sao chổi đó cuối cùng có thể đã va chạm với Trái đất non trẻ.
Trong khi công trình của Mathies và các đồng nghiệp vẽ nên một bức tranh đáng kinh ngạc về các phản ứng có khả năng xảy ra trên các hạt bụi giữa các vì sao, thì ý tưởng về một sao chổi đâm vào Trái đất chắc chắn sẽ gợi lên những hình ảnh đáng sợ về Armageddon đối với nhiều người.
Tuy nhiên, trong quá khứ xa xôi của hành tinh chúng ta, những vụ va chạm dữ dội này có thể là nguồn gốc của hóa học hấp dẫn hơn nữa.
Tiến sĩ Nir Goldman từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore và Giáo sư Isaac Tamblyn từ Viện Công nghệ Đại học Ontario xem xét những phản ứng nào có thể xảy ra ở trung tâm của một sao chổi khi nó lao vào Trái đất.
Goldman giải thích: “Sao chổi chứa rất nhiều nguyên liệu thô có thể hữu ích cho hóa học tiền sinh học – hóa học của các khối xây dựng sự sống – và tác động chứa rất nhiều năng lượng”.
Năng lượng này có thể thúc đẩy những thay đổi hóa học.
“Vật liệu tiền sinh học, chẳng hạn như axit amin, có rào cản năng lượng khá cao đối với sự hình thành của chúng. Nếu mọi thứ diễn ra đúng cách, nguyên liệu thô này chỉ nhận đủ năng lượng để đẩy nó vượt qua những rào cản này. Bạn bắt đầu với những thứ rất đơn giản và sau đó là tác động sự kiện mang nó lên một bước phức tạp hơn.”
Bản thân vụ va chạm đã tạo ra một làn sóng nén cực mạnh bên trong sao chổi, dẫn đến nhiệt độ và áp suất cực cao.
Tuy nhiên, các điều kiện khắc nghiệt như thế nào trong quá trình va chạm phụ thuộc phần lớn vào góc mà sao chổi tấn công, Goldman nói, và điều đó có ý nghĩa quan trọng đối với hóa học diễn ra bên trong nó.
“Nếu một sao chổi va chạm trực tiếp với một hành tinh, điều này có thể tạo ra nhiệt độ và áp suất cực cao [khoảng 10.000°C], và không rõ là có bất kỳ phản ứng hóa học thú vị nào có thể xảy ra do điều kiện quá khắc nghiệt hay không,” Goldman giải thích .
“Bây giờ nếu sao chổi đi tới ở một góc nông hơn, giả sử là 20º, thì các điều kiện sẽ dễ dàng hơn nhiều. Nhiệt độ có thể giống như 3.000°C, trong khi áp suất cao hơn gấp 300.000 lần áp suất khí quyển bình thường.
“Điều đó rất nóng và rất nén, thúc đẩy phản ứng, nhưng không nóng đến mức mọi thứ bị xóa sạch.”
Với sự trợ giúp của một siêu máy tính, Goldman và Tamblyn đã có thể lập mô hình các phản ứng hóa học dẫn đến một sao chổi trải qua nhiệt độ khắc nghiệt và áp suất nghiền nát này.
Goldman nói: “[Các mô phỏng của chúng tôi] tập trung vào một hạt băng giá nằm sâu bên trong sao chổi.
Các mô hình máy tính cho thấy một số vật liệu quan trọng về mặt sinh học có thể được hình thành trong sự hỗn loạn của một vụ va chạm sao chổi.
Goldman cho biết: “Chúng tôi thấy những thứ như tiền chất của axit amin, axit amin và hợp chất thơm chẳng hạn như cấu trúc vòng carbon, là những vòng phân tử carbon rất ổn định.
Kết quả mô phỏng của Goldman và Tamblyn có lẽ thú vị nhất khi chúng được xem xét trong bối cảnh những gì đang xảy ra trong sự hỗn loạn của Hệ Mặt trời sơ khai.
Goldman cho biết: “Có những giai đoạn bị bắn phá dữ dội, trong đó hàng nghìn tỷ tấn vật liệu hữu cơ có thể đã được chuyển đến Trái đất sơ khai mỗi năm.
“Đó là một điều thực sự hấp dẫn để suy ngẫm vì vật chất của sao chổi có khả năng đã va chạm với Trái đất ở mọi góc độ khác nhau – tạo ra nhiều áp suất và nhiệt độ va chạm khác nhau – mà cuối cùng có thể tạo ra một lượng lớn các loại hóa học khác nhau. “
Tuy nhiên, đối với tất cả những gì chúng ta đã tìm hiểu về hóa học sao chổi, câu hỏi về cách thức sự sống tự hình thành trên Trái đất vẫn còn đó.
Tiến sĩ Louisa Preston, nhà sinh vật học vũ trụ cho biết: “Có một lỗ hổng lớn trong kiến thức của chúng ta.
“Chúng tôi có hóa học và chúng tôi có được những gì cuộc sống cần nhưng thời điểm mà nó trở thành sinh học là gì?”
Về câu hỏi đó, giống như các sao chổi xuất hiện ở những vùng xa xôi của Hệ Mặt trời, chúng ta có thể ở trong bóng tối trong một thời gian sắp tới.
Bài viết này ban đầu xuất hiện trong số tháng 11 năm 2013 của Tạp chí BBC Sky at Night .