Một hành tinh xa xôi có thể nằm đúng ở quỹ đạo lý tưởng cho sự sống, với nhiệt độ phù hợp để nước tồn tại ở dạng lỏng. Nhưng nếu thế giới đó quá khô cằn, nó vẫn có thể hoàn toàn không thể sinh sống được. Nghiên cứu mới cho thấy nhiều “hành tinh sa mạc” thực tế kém triển vọng hơn nhiều so với những gì các nhà khoa học từng nghĩ.

Một nghiên cứu từ Đại học Washington phát hiện rằng một hành tinh có kích thước tương đương Trái Đất cần một lượng nước lớn đáng ngạc nhiên — ít nhất từ 20% đến 50% thể tích đại dương của Trái Đất — để duy trì khả năng sinh sống lâu dài trên bề mặt.

Các nhà thiên văn học đã xác nhận hơn 6.000 ngoại hành tinh, và người ta tin rằng còn hàng tỷ hành tinh khác tồn tại trong thiên hà. Nhiều trong số đó nằm trong “vùng có thể sinh sống” (habitable zone), nơi nhiệt độ cho phép nước lỏng tồn tại. Nhưng việc ở đúng vị trí chỉ là một phần của câu chuyện. Một hành tinh còn cần có hệ thống điều hòa khí hậu ổn định, và điều đó phụ thuộc rất lớn vào cách nước tương tác với địa chất và khí quyển của nó.

“Khi tìm kiếm sự sống trong không gian rộng lớn của vũ trụ với nguồn lực hạn chế, chúng ta buộc phải loại bỏ một số hành tinh,” tác giả chính Haskelle White-Gianella, nghiên cứu sinh tiến sĩ ngành khoa học Trái Đất và không gian tại Đại học Washington, cho biết.

Chỉ có nước thôi vẫn chưa đủ

Dù nước là yếu tố thiết yếu, nó không tự động khiến một hành tinh trở nên có thể sinh sống được. Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học tập trung xem xét những hành tinh chỉ có lượng nước rất nhỏ để đánh giá khả năng hỗ trợ sự sống của chúng.

“Chúng tôi quan tâm đến các hành tinh khô cằn với lượng nước bề mặt cực kỳ hạn chế — ít hơn rất nhiều so với một đại dương của Trái Đất. Nhiều hành tinh như vậy nằm trong vùng có thể sinh sống của ngôi sao chủ, nhưng chúng tôi chưa biết liệu chúng có thực sự có thể sinh sống được hay không,” White-Gianella nói.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Planetary Science Journal, cho thấy khả năng sinh sống phụ thuộc vào chu trình carbon địa chất — một hệ thống do nước vận hành, giúp vận chuyển carbon giữa khí quyển và phần bên trong hành tinh trong hàng triệu năm, từ đó điều hòa nhiệt độ bề mặt.

Trên Trái Đất, khí carbon dioxide do núi lửa thải ra tích tụ trong khí quyển trước khi hòa tan vào nước mưa. Nước mưa sau đó phản ứng với đá trên bề mặt, và dòng chảy mang carbon xuống đại dương, nơi nó lắng đọng dưới đáy biển. Kiến tạo mảng tiếp tục đẩy lớp vỏ đại dương giàu carbon xuống bên dưới các lục địa. Qua thời gian dài, lượng carbon này lại quay trở về bề mặt khi núi non hình thành.

Nếu một hành tinh không có đủ nước để duy trì mưa, chu trình này sẽ bị phá vỡ. Quá trình loại bỏ carbon thông qua phong hóa chậm lại, trong khi núi lửa vẫn tiếp tục thải khí. Kết quả là carbon dioxide tích tụ trong khí quyển và giữ nhiệt. Nhiệt độ tăng khiến lượng nước còn lại bốc hơi, tạo nên vòng xoáy nóng lên liên tục và cuối cùng khiến hành tinh quá nóng để sự sống tồn tại.

“Điều đó thật không may khiến các hành tinh khô cằn trong vùng có thể sinh sống khó trở thành ứng viên tốt cho sự sống,” White-Gianella cho biết.

Mô phỏng các ngoại hành tinh khô hạn

Dù các nhà khoa học có thể phát hiện dấu hiệu của nước trên bề mặt, việc quan sát trực tiếp các ngoại hành tinh dạng đá vẫn rất khó khăn. Để khắc phục điều này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các mô phỏng máy tính tiên tiến nhằm nghiên cứu cách nước vận hành trên những thế giới khô cằn giống sa mạc.

Các mô hình chu trình carbon trước đây chủ yếu tập trung vào những hành tinh lạnh và ẩm hơn. Chúng tính đến hiện tượng bốc hơi do ánh sáng Mặt Trời nhưng thường bỏ qua các yếu tố khác như gió. White-Gianella đã cải tiến các mô hình này để mô phỏng chính xác hơn môi trường khô hạn bằng cách tinh chỉnh các ước tính về bốc hơi và lượng mưa.

“Những mô hình cơ chế phức tạp về chu trình carbon này xuất hiện từ nỗ lực của con người nhằm hiểu cách ‘bộ điều nhiệt’ của Trái Đất đã — hoặc không — điều chỉnh nhiệt độ qua thời gian,” đồng tác giả Joshua Krissanen-Totton, phó giáo sư ngành khoa học Trái Đất và không gian tại Đại học Washington, cho biết.

Nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng chu trình carbon trên các hành tinh khô hạn vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Kết quả cho thấy ngay cả những hành tinh ban đầu có nước bề mặt cũng có thể mất nước theo thời gian, chuyển từ trạng thái có thể sinh sống sang không thể sinh sống khi chu trình carbon trở nên mất ổn định.

Sao Kim – ví dụ gần ngay bên cạnh

Một ví dụ gần gũi có thể chính là sao Kim. Hành tinh này có kích thước tương tự Trái Đất, có khả năng hình thành cùng thời kỳ và có thể từng sở hữu lượng nước tương đương.

Tuy nhiên ngày nay, nhiệt độ bề mặt sao Kim nóng tương đương lò nướng pizza đốt củi. White-Gianella cho biết nếu đứng trên đó, con người sẽ có cảm giác như bị 10 con cá voi xanh đè lên cơ thể.

Các nhà khoa học từ lâu đã tranh luận vì sao Trái Đất và sao Kim lại tiến hóa khác nhau đến vậy. White-Gianella và Krissanen-Totton cho rằng vì ở gần Mặt Trời hơn, sao Kim có thể đã bắt đầu với lượng nước ít hơn đôi chút so với Trái Đất. Sự khác biệt nhỏ này có thể đã làm gián đoạn chu trình carbon của hành tinh. Khi carbon dioxide tích tụ trong khí quyển, nhiệt độ tăng lên, dẫn tới việc mất nước và tiêu diệt mọi khả năng tồn tại sự sống.

Các sứ mệnh tương lai tới sao Kim nhằm tìm hiểu điều gì đã xảy ra với hành tinh này và liệu nó từng hỗ trợ sự sống hay chưa. Những phát hiện đó cũng có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các ngoại hành tinh xa xôi.

“Rất khó có khả năng trong suốt cuộc đời chúng ta, con người có thể đưa thiết bị đáp xuống bề mặt một ngoại hành tinh. Nhưng sao Kim — người hàng xóm sát bên của Trái Đất — được xem là mô hình ngoại hành tinh tương đồng tốt nhất,” White-Gianella nói.

Nhóm nghiên cứu hy vọng dữ liệu từ các sứ mệnh sắp tới sẽ giúp xác nhận các mô hình của họ.

“Điều này có ý nghĩa đối với rất nhiều khu vực có tiềm năng tồn tại sự sống ngoài kia,” Krissanen-Totton cho biết.