NewYork Paris Hà Nội Khách thứ :

NIỀM TIN TƯƠNG LAI

     

Săn tìm những Siêu Địa cầu - GS TS vật lý thiên văn Nguyễn Quang Riệu , Kiều bào Pháp

Vũ trụ có tới hàng trăm tỷ thiên hà, mỗi thiên hà có hàng chục tỷ ngôi sao, mỗi ngôi sao có khả năng có hành tinh và trên một số hành tinh có thể có điều kiện thích hợp với sự sống. Hiện nay, chỉ có bằng chứng là trên hành tinh Trái đất trong Hệ mặt trời có sinh vật. Các nhà khoa học đang khao khát tìm thấy dấu vết của sự sống trên những hành tinh khác, bởi vì điều kiện lý-hoá trên các hành tinh nói chung tương đối thích hợp với sự sống.

Sự sống trong Dải Ngân hà

Từ thời xa xưa, nhân loại trên Trái đất vẫn tự hỏi liệu trong Vũ trụ còn có những thế giới văn minh khác nữa không ? Câu hỏi này chưa có lời giải đáp thoả đáng về mặt khoa học và vẫn thuộc phạm vi siêu hình học. Văn hoá phương Đông coi con người là những tiểu vũ trụ của một đại vũ trụ, trong đó khái niệm âm dương và ngũ hành tạo ra vạn vật chi phối. Các giáo phái thời Trung cổ ở Châu Âu cho rằng loài người là độc nhất vô nhị. Theo quan điểm khoa học, sự nảy sinh ra sự sống và sự tiến hoá của vạn vật trên Trái đất là một quá trình vô cùng phức tạp và lâu dài. Hệ mặt trời được tạo ra từ ngót 5 tỷ năm nay, nhưng người nguyên thuỷ mới xuất hiện trên Trái đất cách đây khoảng 3 triệu năm và đã tuần tự phát triển đến loài người hiện đại. Vũ trụ có tới hàng trăm tỷ thiên hà, mỗi thiên hà có hàng chục tỷ ngôi sao, mỗi ngôi sao có khả năng có hành tinh và trên một số hành tinh có thể có điều kiện thích hợp với sự sống. Hiện nay, chỉ có bằng chứng là trên hành tinh Trái đất trong Hệ mặt trời có sinh vật. Các nhà khoa học đang khao khát tìm thấy dấu vết của sự sống trên những hành tinh khác, bởi vì điều kiện lý-hoá trên các hành tinh nói chung tương đối thích hợp với sự sống. Sinh vật không thể tồn tại trên bề mặt Mặt trời và các ngôi sao nóng hàng nghìn độ. Tuy nhiên, hành tinh cũng phải có khí quyển và nhiệt độ vừa phải như trên Trái đất, nghĩa là phải ở không quá gần hoặc quá xa ngôi sao mẹ, vùng mà các nhà thiên văn thường gọi là “vùng có thể ở được”.

Trong những thập niên gần đây, những trạm tự động (robot) được phóng lên những hành tinh trong Hệ mặt trời, chủ yếu là hành tinh Hoả (Mars) và Titan, vệ tinh lớn nhất của hành tinh Thổ (Saturn). Robot quan sát trực tiếp bề mặt thiên thể, nhằm phát hiện được sự sống. Hoả và Titan là những mục tiêu ưu tiên, vì có khí quyển bao phủ xung quanh và có kích thước tương tự như Trái đất. Năm 2003, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Mỹ, NASA, phóng hai robot mang tên Spirit và Opportunity để thám hiểm hành tinh Hoả. Kết quả về mặt địa chất cho thấy trên hành tinh Hoả có những tảng đá và khoáng vật có những đặc điểm khiến các nhà khoa học nghĩ rằng xưa kia nước đã từng chảy trên những con sông nay đã khô cạn. Vệ tinh Titan cũng có biển, nhưng không phải là nước mặn mà là methane ở dạng lỏng. Methane là một loại khí đốt, nhưng vì nhiệt độ trên Titan rất thấp (-180 độ C), nên methane tồn tại dưới dạng lỏng. Titan ở xa Mặt trời nên rất lạnh và vẫn giữ nguyên vẹn tính chất nguyên thuỷ. Thiên thể này dường như được ướp đông lạnh từ khi được hình thành trong ngót 5 tỷ năm nay, nên không bị biến chất. Trái đất cũng nằm trong Hệ mặt trời và được tạo ra cùng thời với Titan, nhưng vì ở gần Mặt trời hơn, nên có nhiệt độ cao và đã thay đổi nhiều. Quan sát Titan giúp các nhà khoa học đi ngược thời gian để tìm hiểu quá trình tiến hoá của Trái đất.

Nếu tầng khí quyển của hành tinh chứa oxy và trên bề mặt hành tinh có nước ở dạng lỏng thì sự sống có thể nảy sinh. Nước hoặc những chất lỏng nói chung là dung môi hoà tan những chất khác để tạo ra những hoá chất hữu cơ dùng trong quá trình hình thành sự sống. Tuy nhiên, cho đến nay chưa có bằng chứng nào chứng tỏ là có dấu vết của sự sống trên những thiên thể, trừ trên Trái đất, dù chỉ ở trạng thái vi sinh vật.

Các nhà thiên văn sử dụng kính thiên văn vô tuyến để phát hiện những vạch phổ phân tử. Họ đã tìm thấy trong Dải Ngân hà hơn một trăm hoá chất đủ loại dưới dạng khí, trong đó có nhiều phân tử hữu cơ, như methane, rượu, aldehyde v.v... Những phân tử này được điều chế trong tâm những ngôi sao, rồi được phun ra môi trường giữa những ngôi sao, trước khi ngôi sao biến đi vì đã tiêu thụ hết nhiên liệu hydro. Đáng chú ý là sự phát hiện những acid như formic acid (HCOOH) và amine như methylamine (CH3NH2). Những phân tử hữu cơ này là mẩu của amino-acid NH2CH2COOH, loại amino acid đơn giản nhất mang tên là glycine. Amino acid là thành phần cơ bản của chất đạm (protein) liên quan đến sự sống, nên sự phát hiện glycine trong Vũ trụ không những là một thành tích khoa học mà còn là một sự kiện quan trọng về mặt triết học. Các nhà thiên văn đã cố gắng săn tìm chất glycine trong dải Ngân hà, nhưng tới nay chưa đạt được kết quả.

Phát hiện những hành tinh ở ngoài Hệ mặt trời

Hành tinh không đủ điều kiện lý-hoá như Mặt trời và những ngôi sao để đốt nhiên liệu hydro qua quá trình phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, nên hành tinh không tự phát ra ánh sáng mà chỉ phản chiếu ánh sáng của ngôi sao ở trung tâm hệ sao. Do đó, hành tinh thường không quá nóng để sinh vật có thể sinh sôi nảy nở. Sự phát hiện những hành tinh ở hẳn bên ngoài Hệ mặt trời là điều kiện tiên quyết cho sự tìm kiếm sự sống trong Vũ trụ. Cho tới nay, sự tìm kiếm sự sống mới chỉ giới hạn trên những hành tinh trong Hệ mặt trời, vì những thiên thể này không xa Trái đất, nên quan sát được tương đối dễ dàng. Sự phát hiện những hành tinh ở ngoài Hệ mặt trời là vấn đề rất nan giải. Những ngôi sao có hành tinh quay xung quanh sáng gấp hàng tỷ lần những hành tinh đồng hành. Ánh sáng yếu ớt của hành tinh bị ánh sáng gay gắt của ngôi sao át đi. Một trở ngại nữa là đường kính biểu kiến của quỹ đạo của hành tinh quay xung quanh ngôi sao rất nhỏ (tùy theo khoảng cách), nên kính thiên văn phải có độ phân giải cao để phân biệt được hành tinh và ngôi sao. (Độ phân giải của kính là khả năng quan sát được những chi tiết rất nhỏ trên bầu trời, tức là khả năng phân biệt được hai điểm ở sát bên cạnh nhau). Để minh hoạ những khó khăn kỹ thuật, ta có thể hình dung là muốn phát hiện được hành tinh trong những hệ sao, dù chỉ là những hệ sao láng giềng của Hệ mặt trời, cũng tương tự như muốn đứng từ Vũng tàu và dùng kính thiên văn để nhìn thấy một con đom đóm bay sát cạnh một ngọn đèn biển sáng chói đặt tại cảng Hải Phòng !

Một phương pháp dùng để phát hiện hành tinh trong những hệ sao là đo độ giảm ánh sáng của ngôi sao. Hành tinh che một phần bề mặt ngôi sao mỗi khi quay qua trước mặt ngôi sao làm ngôi sao tối đi trong vài tiếng đồng hồ. Ánh sáng của ngôi sao chỉ giảm đi vài phần trăm, vì hành tinh rất nhỏ so với ngôi sao. Tuy nhiên, muốn quan sát được hiện tượng này bằng kính thiên văn đặt trên mặt đất, vị trí của Trái đất phải nằm trên mặt phẳng của quỹ đạo của hành tinh quay xung quanh ngôi sao. Tình huống này không xẩy ra thường xuyên. Ngày 27 tháng 12 năm 2006, Trung tâm Nghiên cứu Vũ trụ CNES (Pháp) và CNRS cộng tác với Cơ quan Vũ trụ Châu Âu ESA đã phóng vệ tinh COROT dành riêng để quan sát, từ không gian, những hiện tượng hành tinh che lấp ngôi sao. COROT có thiết bị quang học đủ nhạy để phát hiện được những biến đổi rất nhỏ của ánh sáng của những ngôi sao, nếu ngôi sao có hành tinh quay xung quanh. Bốn tháng sau, khi COROT hãy còn đang trong thời kỳ hoạt động thử nghiệm, các nhà thiên văn đã phát hiện được một hành tinh lớn như hành tinh Mộc. Trong Hệ mặt trời những hành tinh khổng lồ như Mộc và Thổ chỉ là những khối khí hydro, còn những hành tinh nhỏ như Trái đất, Kim (Venus) và Hỏa đều có vỏ đá rắn và một tầng khí quyển bao xung quanh. Trong tương lai, vệ tinh COROT sẽ quan sát hàng vạn khu vực trong Dải Ngân hà, nhằm tìm thấy những hành tinh cỡ nhỏ có vỏ đá rắn và có khả năng chứa sự sống.

Các nhà thiên văn cũng đã dùng một phương pháp khác để phát hiện gián tiếp hành tinh. Khi hành tinh quay xung quanh ngôi sao, trường hấp dẫn của hành tinh lôi kéo ngôi sao khi xa khi gần Trái đất và làm nhiễu tốc độ của ngôi sao theo chu kỳ. Vì ngôi sao nặng hơn hành tinh ít nhất hàng nghìn lần, nên sự biến đổi tuần hoàn của tốc độ ngôi sao chỉ nhỏ khoảng một chục kilomet/giờ. Độ biến đổi tốc độ nhỏ như thế rất khó phát hiện bằng những máy quang phổ thông thường. Các nhà thiên văn phải chế tạo ra những thiết bị quang phổ dùng riêng để đo được những biến đổi tốc độ của những ngôi sao. Phương pháp đo đạc này tỏ ra rất có hiệu quả để phát hiện hành tinh trong những hệ sao. Sau 12 năm kiên trì quan sát, cho tới nay họ đã phát hiện được hơn 200 hành tinh. Hành tinh càng nặng càng dễ làm nhiễu tốc độ của ngôi sao đồng hành. Do đó, đa số hành tinh phát hiện được từ trước tới nay là những hành tinh chứa toàn là khí và lớn ít nhất bằng hành tinh Mộc (Jupiter), nặng gấp ít nhất 300 lần Trái đất.

Tìm kiếm những “Siêu Địa cầu”

Những phổ kế ngày càng tinh vi có thể dùng để đo sự biến đổi cực kỳ nhỏ của tốc độ (dưới 10 kilomet/giờ) của những ngôi sao có những hành tinh đồng hành chỉ nhẹ như Trái đất. Một nhóm 11 nhà thiên văn Thụy Sỹ, Pháp và Bồ Đào Nha đã sử dụng một phổ kế mà họ chế tạo ra để trang bị kính thiên văn có đường kính 3,6 mét của Cộng đồng Châu Âu đặt tại Chi lê. Tháng tư năm 2007 vừa qua, họ công bố tìm thấy hai hành tinh chỉ nặng bằng 5 và 8 lần Trái đất. Đây là lần đầu tiên mà các nhà thiên văn phát hiện được những hành tinh nhẹ và nhỏ như thế. Hai hành tinh này thuộc hệ sao GI 581 cách Trái đất 20 năm ánh sáng. Hệ sao GI 581 có thể coi là láng giềng của Hệ mặt trời, bởi vì kích thước của Ngân hà rộng tới 100 nghìn năm ánh sáng. Cả hai thiên thể là những hành tinh mà họ cho là có vỏ rắn loại Trái đất, nên được gọi là “Siêu Địa cầu”. Những phương tiện truyền thông đại chúng đã phổ biến rộng rãi sự kiện này. Các nhà thiên văn cũng đã gửi bài công bố những khám phá của họ trong tạp chí chuyên ngành “Astronomy and Astrophysics” của châu Âu .

Ngôi sao ở trung tâm hệ sao GI 581 là một ngôi “sao lùn đỏ” chỉ nhẹ bằng 1/3 Mặt trời. Nhiệt độ trên bề mặt ngôi sao lùn đỏ, khoảng 3000 độ, cũng tương đối thấp so với nhiệt độ Mặt trời (6000 độ). Do đó, những hành tinh tương tự như Trái đất có thể tồn tại ở gần ngôi sao trung tâm mà không bị hun nóng như thiêu. Vì ngôi sao mẹ nhẹ và hành tinh lại quay gần ngôi sao, nên tốc độ ngôi sao dễ bị nhiễu làm cho những biến đổi tốc độ nằm trong khả năng đo đạc của phổ kế. Đây là những điều kiện thuận lợi cho công việc quan sát nhằm phát hiện được những “Siêu Địa cầu” trong hệ sao GI 581. Trong Dải Ngân hà có rất nhiều sao lùn đỏ và đa số sao láng giềng của Hệ mặt trời đều thuộc loại sao này. Những hệ sao lùn đỏ là mục tiêu chính của các nhà thiên văn trong công việc tìm kiếm hành tinh ở ngoài Hệ mặt trời.

Hệ sao GI 581 có tổng cộng 3 hành tinh quay xung quanh. Hành tinh lớn nhất GI 581b, cỡ hành tinh Hải Vương (Neptune), ở gần ngôi sao nhất và nặng gấp 16 lần Trái đất. Đáng chú ý là hai hành tinh GI 581c và GI 581d vừa mới được tìm thấy ở phía ngoài. Hành tinh GI 581c chỉ nặng gấp 5 lần Trái đất và cách ngôi sao trung tâm 11 triệu kilomet. Hành tinh GI 581d nặng gấp 8 lần Trái đất cách xa ngôi sao 37 triệu kilomet. Cả hai đều ở rất gần ngôi sao trung tâm, so với Trái đất trong Hệ mặt trời. (Trái đất cách xa Mặt trời 150 triệu kilomet). Tuy nhiên, hành tinh GI 581c và GI 581d đều nằm trong khu vực của hệ sao có nhiệt độ ôn hoà gọi là “vùng có thể ở được”, bởi vì ngôi sao GI 581 là một ngôi sao lùn đỏ không nóng như Mặt trời. Những mô hình lý thuyết dựa trên những kết quả quan sát cho thấy hành tinh GI 581c không lạnh dưới -3 độ C, mà cũng không nóng trên 40 độ C. Những điều kiện nhiệt độ và vị trí của hành tinh này có thể thích hợp với sự sống. Chu kỳ quay của hành tinh GI 581c xung quanh ngôi sao là 13 ngày. Một năm trên hành tinh GI 581c chỉ dài 13 ngày so với 365 ngày trên Trái đất.

Sự phát hiện ra những hành tinh cỡ Trái đất bằng kỹ thuật đo đạc sự biến đổi tốc độ hay ánh sáng của những ngôi sao là một sự kiện quan trọng trong công việc tìm kiếm những “Siêu Địa cầu” có khả năng có sự sống. Tuy nhiên, những kỹ thuật quan sát này, tuy rất tân tiến, nhưng vẫn chỉ là những phương pháp tìm kiếm gián tiếp hành tinh và không phát hiện được tầng khí quyển và thành phần khí có khả năng nuôi dưỡng sự sống. Sự tương phản giữa ánh sáng gay gắt của ngôi sao và ánh sáng yếu ớt của những hành tinh đồng hành là một trong những khó khăn cần phải được giải quyết. Quan sát trên những bước sóng hồng ngoại có thể làm giảm độ tương phản, bởi vì bức xạ hồng ngoại của ngôi sao yếu hơn ánh sáng của ngôi sao. Đồng thời bức xạ hồng ngoại của hành tinh lại mạnh hơn ánh sáng của hành tinh. Các nhà thiên văn cũng nghĩ ra phương pháp che hình của ngôi sao trong kính thiên văn và chỉ để lộ ra những hành tinh xung quanh.

Đề án quốc tế mang tên là Darwin dự kiến phóng lên không gian một hệ 6 kính thiên văn hồng ngoại. Hệ kính hoạt động theo phương thức giao thoa (interferometry) trong quang học. Những kính thiên văn bay theo đội hình như một tốp máy bay, có thể được sắp xếp trong không gian để thu rất ít ánh sáng của ngôi sao, nhưng vẫn để ánh sáng của hành tinh xung quanh lọt vào hệ kính. Theo biệt ngữ quang học, chỉ cần chỉnh pha (phase) để một vân giao thoa (interference fringe) tối hướng về phía ngôi sao nhằm che lấp ngôi sao, còn một vân giao thoa sáng hướng về phía hành tinh để hứng ánh sáng của hành tinh. Tuy nhiên, kỹ thuật giao thoa rất phức tạp và mới chỉ được dùng cho những hệ kính thiên văn đặt trên mặt đất. Hệ giao thoa Darwin không những có mục tiêu phát hiện những “Siêu Địa cầu”, mà còn có khả năng phân tích thành phần khí trong khí quyển của những hành tinh. Những thiên thể tương tự như những hành tinh trong hệ sao GI 581 sẽ là những mục tiêu lý tưởng để hệ kính Darwin tiếp tục nghiên cứu những điều kiện nảy sinh ra sự sống trong Dải Ngân hà.