Tìm kiếm dấu vết sinh vật và những nền văn minh bên ngoài Hệ Mặt trời

Vũ trụ chứa hàng trăm tỷ thiên hà, mỗi thiên hà có hàng trăm tỷ ngôi sao, mỗi ngôi sao thường có các hành tinh đồng hành. Hệ Mặt trời trong đó có Trái đất cũng có ít nhất 8 hành tinh. Trong số những hành tinh diễu hành xung quanh mỗi ngôi sao, một số hành tinh có thể có những điều kiện thiên nhiên thích hợp với sự sống, kể cả sự sống có khả năng hiểu biết như loài người trên Trái đất. Nhà vật lý nổi tiếng Enrico Fermi trong chuyến thăm Trung tâm Nguyên tử Los Alamos (Bang New Mexico, Hoa Kỳ) đã đặt câu hỏi: “Vũ trụ có nhiều hành tinh như thế, ắt là đã phải có sinh vật sống trên đó, thậm chí cả những nền văn minh siêu việt có khả năng liên lạc với chúng ta. Họ có thể đã đến thăm hành tinh Trái đất. Vậy thì họ đang ẩn náu ở đâu?”. Câu chuyện thú vị này đã trở nên nổi tiếng và được gọi là “nghịch lý Fermi”.

Lò luyện kim trong vũ trụ

Vũ trụ là môi trường có những điều kiện lý – hóa đa dạng. Dựa trên kết quả quan sát bằng kính viễn vọng và những mô hình lý thuyết, các nhà thiên văn đã mô phỏng được quá trình tiến hoá của Vũ trụ tạo ra từ vụ nổ lớn Big Bang cách đây đã 13,8 tỷ năm. Thoạt vi thủy, Vũ trụ chỉ chứa những hạt nguyên tử nhẹ như hydro và heli. Những đám khí nhẹ này dần dần tập hợp với nhau và nóng đặc lên để tạo ra những ngôi sao và những thiên hà. Đến giai đoạn cuối của quá trình tiến hoá, những ngôi sao khổng lồ nóng đặc bùng nổ thành siêu tân tinh và tạo ra những nguyên tử nặng hơn như carbon, oxy, sắt cùng những phân tử hữu cơ phức tạp.

Tàn dư vụ sao nổ năm 1054 tạo ra tinh vân có hình con Cua. Những luồng khí bắn ra môi trường liên sao với tốc độ hàng nghìn km/giây. Vật chất trong tàn dư của vụ nổ lại được dùng để tạo ra những ngôi sao thế hệ sau. Nhân loại trên Trái đất có thể cũng là hậu duệ xa gần của những ngôi sao (ảnh: NASA, ESA , Hubble).

Quá trình quay và rung động làm phân tử phát ra những vạch phổ trên bước sóng vô tuyến. Các nhà thiên văn sử dụng kính viễn vọng vô tuyến ngày càng lớn với độ phân giải cao để thu tín hiệu của phân tử.

Những vạch phổ của những phân tử hữu cơ phát hiện trên dải tần số vô tuyến milimet (~ 111.000 MHz) trong tinh vân Lạp hộ, nơi có nhiều phân tử. Phổ quan sát bằng kính viễn vọng vô tuyến 30 m đường kính của Viện Thiên văn vô tuyến Pháp – Đức IRAM đặt trên đỉnh núi Pico Veleta (Andalusia, Tây Ban Nha). Trục hoành chỉ tần số, trục tung chỉ cường độ. Những vạch phổ phân tử hữu cơ thông thường như cồn etylic (C₂H₅OH), axit formic (HCOOH) được phát hiện trong phổ. Tuy nhiên, glycine C₂H₅NO_2,, phân tử axit amin đơn giản nhất trong loại phân tử sinh học, không thấy xuất hiện (F.Combes, Nguyen Qg Rieu, G. Wlodarczak , Đài Thiên văn Paris-IRAM).

Săn tìm những phân tử hữu cơ sinh học liên quan đến sự sống

Những ngôi sao trong thiên hà là những phòng thí nghiệm lý – hóa – sinh phong phú. Axit amin là một loại phân tử hữu cơ sinh học và là thành phần cốt yếu trong cơ thể con người. Sinh vật có thể được coi là hậu duệ của những ngôi sao. Axit amin cũng tồn tại trong các mảnh vật chất tách ra từ những thiên thạch rơi xuống Trái đất. Các nhà thiên văn sử dụng kính viễn vọng vô tuyến nhằm phát hiện ra những vạch phổ đặc trưng của những phân tử hữu cơ sinh học. Những phân tử hữu cơ như cồn etylic, axit đã được tìm thấy trong Ngân hà. Tuy nhiên, sự tìm kiếm glycine – phân tử đơn giản nhất trong số 20 phân tử axit amin vẫn chưa đạt được kết quả. Axit amin là thành phần của chất đạm (protein) – một yếu tố cần thiết cho sự sống. Sự săn tìm axit amin trong Ngân hà tuy chưa có kết quả nhưng không có nghĩa là không có sinh vật và con người ở bên ngoài hành tinh Trái đất. Tuy nhiên, chất glycolaldehyde, một loại phân tử hữu cơ sinh học liên quan đến sự sống đã được phát hiện trong trung tâm Ngân hà.

Cấu trúc 3D của phân tử glycolaldehyde. Động tác quay và rung động làm phân tử phát ra những vạch xạ vô tuyến. Phân tử glycolaldehyde C₂H₄O₂ – một loại đường đã được phát hiện trong vùng trung tâm Ngân hà, bằng hệ kính vô tuyến ALMA (Jes K. Jørgensen và cộng sự).

Tìm kiếm những hành tinh bên ngoài Trái đất có khả năng có sinh vật
Hành tinh là những thiên thể quay xung quanh những ngôi sao và không tự phát ra ánh sáng mà chỉ phản chiếu bức xạ phát ra từ ngôi sao chủ. Do đó, hành tinh trong hệ sao bị ánh sáng chói lọi của ngôi sao chủ át đi, nên khó phát hiện được. Các nhà thiên văn phải dùng những kỹ thuật tinh vi để phát hiện gián tiếp những hành tinh đồng hành. Quan sát những hành tinh ở bên ngoài Hệ Mặt trời cũng là để tìm hiểu sự hình thành và sự tiến hoá của hành tinh Trái đất, nơi chúng ta sinh sống. Một trong những mục tiêu của các nhà thiên văn là sự phát hiện nước ở thể lỏng, một yếu tố cần thiết cho sự sống. Những vùng trên hành tinh chứa nước lỏng và có nhiệt độ ôn hòa được coi là những “vùng ở được” và có khả năng có sự sống.

Người ngoài hành tinh có thể cần phải uống những chất hoá học ở thể lỏng để tồn tại

Những cột nước phun ra từ trong lòng một số hành tinh đã được phát hiện. Một lớp nước đá cũng tồn tại dưới bề mặt hành tinh Hoả. Tuy nhiên, hành tinh cũng phải có bầu khí quyển, tuy không nhất thiết phải là oxy. Trên một hành tinh như Titan (vệ tinh của hành tinh Thổ) có bầu khí quyển và biển chứa mêtan hay amoniac thì cư dân trên đó, nếu có, có thể phải uống nước mêtan hay amoniac thay nước (H₂O) để giải khát.

Năm 1977, Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ NASA đã phóng hai con tàu thăm dò tự động Voyager 1 và 2 để quan sát những hành tinh xa xôi nhất trong Hệ Mặt trời, đặc biệt là hai hành tinh khổng lồ, Mộc và Thổ. Voyager đang trên con đường từ giã Hệ Mặt trời để phiêu lưu trong không gian liên sao rộng mênh mông. Con tàu mang theo một cái đĩa vàng thu nhạc cổ điển của Bethoven và khắc vị trí của Trái đất. Cấu trúc hoá học của nguyên tử hydro, phổ biến và đơn giản nhất trong Vũ trụ cũng được ghi trong một cái đĩa. Hydro gồm có một proton và một electron đơn độc quay xung quanh. Khi spin của electron thay đổi hướng quay thì nguyên tử hydro phát ra một vạch phổ trên bước sóng vô tuyến 21 cm. Vạch hydro có cường độ rất mạnh vì hydro rất phổ biến trong Vũ trụ. Những nền văn minh ngoài Trái đất hẳn phải có đủ kiến thức khoa học để phát hiện vạch phổ này trong các thiên hà và Ngân hà, cũng như ý thức được trình độ khoa học của nhân loại trên Trái đất.

Quan sát hành tinh trong những hệ sao

Hành tinh thường không quá nóng, do đó thân thiện với sự sống và có thể là nơi sinh sống của sinh vật. Sự phát hiện hành tinh trong những hệ sao là điều kiện tiên quyết cho sự săn tìm cư dân trên những thế giới khác. Đa số hành tinh được phát hiện trong dải Ngân hà là những hành tinh cỡ lớn ở thể khí. Những loại hành tinh này không được coi là nơi cư trú của sinh vật. Sự tìm kiếm hành tinh trong những hệ sao như trong Hệ Mặt trời vẫn được xúc tiến để phát hiện những hành tinh có vỏ rắn tương tự như Trái đất nằm trong những vùng có khả năng có nước ở thể lỏng, yếu tố cần thiết cho sự sống.

Lực hấp dẫn của hành tinh tuy yếu nhưng vẫn làm nhiễu phần nào quỹ đạo của ngôi sao chủ. Lực hấp dẫn làm ngôi sao xê dịch khi xa khi gần. Sự thay đổi tuần hoàn, tuy cực kỳ nhỏ của khoảng cách ngôi sao chủ, làm thay đổi tần số của những vạch phổ phát ra từ ngôi sao. Dựa trên định luật Doppler-Fizeau, các nhà thiên văn dùng phổ kế có độ phân giải cao đã đo được sự thay đổi tuần hoàn của vận tốc xuyên tâm (chiếu theo hướng quan sát) của ngôi sao chủ để phát hiện được sự hiện diện của hành tinh đồng hành. Năm 1995, hai nhà thiên văn Thụy Sỹ, Michel Mayor và Didier Queloz đã sử dụng một hệ phổ kế đặt trên kính thiên văn ở vùng Hautes Provences (miền Nam nước Pháp) và phát hiện được một hành tinh ở bên ngoài Hệ Mặt trời, lượn xung quanh ngôi sao 51 Pegase (trong chòm Thiên Mã), cách Trái đất 50 năm ánh sáng. Sự thay đổi vận tốc cực kỳ nhỏ vì hành tinh rất nhẹ so với ngôi sao nên sự phát hiện hành tinh rất phức tạp. Họ sử dụng một hệ phổ kế có độ phân giải cao để đo được sự thay đổi tần số và phát hiện được hành tinh đầu tiên ở bên ngoài ngoài Hệ Mặt trời. Hai nhà thiên văn Mayor và Queloz vừa mới được trao giải Nobel vật lý năm 2019.

Một phương pháp khác để phát hiện hành tinh là đo độ giảm ánh sáng của ngôi sao chủ. Nếu có hành tinh đồng hành thì khi “quá cảnh” qua trước mặt ngôi sao, ánh sáng của ngôi sao phải giảm đi. Chẳng hạn một hành tinh cỡ Trái đất khi lượn qua trước mặt Mặt trời cũng chỉ làm giảm ánh sáng Mặt trời khoảng 0,008%. Đo được độ giảm tuần hoàn ánh sáng của ngôi sao chủ tức là phát hiện được hành tinh đồng hành.

Các nhà thiên văn của NASA dùng vệ tinh TESS vừa mới phát hiện được một siêu địa cầu, được gọi là TOI 1338 b, nặng bằng 7 lần Trái đất và quay xung quanh một hệ sao đôi cách xa Trái đất 1.300 năm ánh sáng. Cho tới nay, các nhà thiên văn đã phát hiện được hơn 4.000 hành tinh bên ngoài Hệ Mặt trời. Đa số là những hành tinh khí khổng lồ và siêu Trái đất có vỏ rắn. Những thiên thể này có khối lượng tương đối lớn và trường hấp dẫn tương đối mạnh nên dễ làm nhiễu quỹ đạo của ngôi sao chủ và dễ làm thay đổi cường độ ánh sáng khi hành tinh “quá cảnh” trước ngôi sao.

Chiến dịch thu tín hiệu vô tuyến phát ra từ những nền văn minh ngoài Trái đất

Những nền văn minh tiên tiến trong Vũ trụ có thể sử dụng những phương tiện liên lạc với chúng ta bằng tín hiệu vô tuyến. Sóng vô tuyến truyền trong không gian nhanh như ánh sáng và ít bị hấp thụ bởi bụi trong Ngân hà. Tuy nhiên, tín hiệu vô tuyến của hệ sao gần nhất cũng phải mất khoảng 4 năm mới truyền tới Trái đất.

Kính viễn vọng vô tuyến có đường kính lớn 300 m đặt trên miệng một ngọn núi lửa đã tắt (Arecibo-Porto Rico) đã được dùng để phát hiện những nền văn minh ngoài Trái đất (National Astronomy and Ionosphere Center).

Sự tiến hoá từ trạng thái vi sinh vật đến động vật và loài người là một quá trình phức tạp và lâu dài. Sự hiện diện của sinh vật trên những hệ sao có thể là rất hiếm. Tuổi thọ của những nền văn minh tiên tiến trong Vũ trụ cũng có khả năng bị hạn chế bởi chiến tranh dùng những loại vũ khí có khả năng dẫn đến nạn diệt chủng. Thiên tai cũng là mối đe dọa tiềm tàng cho nhân loại. Sự tìm kiếm tín hiệu của những nền văn minh ngoài Trái đất, tuy chưa đạt được kết quả, nhưng không có nghĩa là chúng ta đơn độc trong Vũ trụ bao la.