Cuộc tìm kiếm các hành tinh có thể ở được ngoài Trái Đất là một chủ đề trung tâm trong thiên văn học và sinh học vũ trụ hiện đại.

Việc xác định điều gì khiến một hành tinh có khả năng nuôi dưỡng sự sống đòi hỏi sự hiểu biết tinh tế về hàng loạt yếu tố vật lý, hóa học và môi trường, vốn tương tác với nhau theo những cách vô cùng phức tạp.

Vùng ở được: Không chỉ là khoảng cách

Truyền thống lâu nay, khái niệm “vùng ở được quanh sao” (CHZ) bắt đầu với vùng không gian quanh một ngôi sao nơi nhiệt độ cho phép nước tồn tại ở dạng lỏng trên bề mặt hành tinh. Nước lỏng được công nhận rộng rãi là yếu tố thiết yếu cho sự sống, như ta đã biết trên Trái Đất, bởi vai trò của nó như dung môi và môi trường cho các phản ứng sinh hóa.

Tuy nhiên, vùng này không phải là một dải hẹp cố định, mà phụ thuộc mạnh mẽ vào loại sao, độ sáng và đặc tính phổ. Chẳng hạn, quanh các sao lùn đỏ mát hơn, vùng ở được nằm rất gần ngôi sao – nhưng điều này lại gây ra những thách thức như bùng nổ sao (stellar flare) hay hiện tượng khóa thủy triều. Ngược lại, quanh những ngôi sao nóng hơn, vùng ở được xa hơn nhưng thường tồn tại ngắn ngủi do vòng đời sao tiến hóa nhanh.

Thành phần và khả năng giữ khí quyển

Khí quyển của một hành tinh đóng nhiều vai trò then chốt trong việc duy trì khả năng ở được:

Điều hòa nhiệt độ:

Các khí nhà kính như carbon dioxide (CO₂) và hơi nước giữ nhiệt, ổn định điều kiện bề mặt. Thiếu khí quyển, hành tinh sẽ trải qua dao động nhiệt độ khắc nghiệt, bất lợi cho sự tồn tại của nước lỏng.

Bảo vệ khỏi bức xạ:

Một khí quyển dày có thể che chắn bề mặt khỏi bức xạ tử ngoại và tia vũ trụ, ngăn chặn sự hủy diệt hoặc biến đổi các phân tử hữu cơ.

Kho dự trữ hóa học:

Khí quyển cung cấp những loại khí thiết yếu cho quá trình sinh học và góp phần vào chu trình phong hóa, tái tạo dưỡng chất.

Từ trường: Lá chắn bảo vệ sự sống

Từ quyển, được tạo ra bởi lõi sắt lỏng hoặc cơ chế dynamo khác, là tấm lá chắn quan trọng chống lại các hạt mang điện từ ngôi sao chủ. Thiếu lớp bảo vệ này, gió sao có thể cuốn trôi khí quyển – như trường hợp của Sao Hỏa, mất phần lớn khí quyển sơ khai, hạn chế nghiêm trọng khả năng ở được trên bề mặt.

Từ trường không chỉ giữ lại khí quyển mà còn bảo tồn nước cùng các hợp chất dễ bay hơi – chìa khóa duy trì môi trường sống.

Hoạt động địa chất và sự tái chế hành tinh

Địa chất năng động ảnh hưởng sâu sắc đến khả năng ở được nhờ:

- Tái chế carbon qua hoạt động núi lửa và hút chìm, ổn định CO₂ trong khí quyển suốt hàng tỷ năm.

- Duy trì cơ chế dynamo từ đối lưu bên trong do nhiệt từ phân rã phóng xạ.

- Liên tục tái tạo bề mặt qua kiến tạo mảng hoặc các quá trình địa động lực khác, điều chỉnh khí hậu và cung cấp dưỡng chất cho hệ sinh thái.

Sự biến động và ổn định của ngôi sao

Ngôi sao không chỉ cung cấp năng lượng mà còn ảnh hưởng đến tính ở được của hành tinh thông qua hoạt động từ tính và bức xạ. Các vụ bùng nổ dữ dội cùng bức xạ tử ngoại có thể cuốn trôi khí quyển và hủy diệt sự sống trên bề mặt – đặc biệt đối với các hành tinh quay quanh sao lùn đỏ, vốn dễ bị khóa thủy triều.

Nước: Dung môi tối quan trọng

Sự hiện diện của nước lỏng trên hoặc dưới bề mặt vẫn là tiêu chí được chấp nhận rộng rãi nhất cho khả năng ở được. Nguồn gốc và chu trình của nước – đến từ sao chổi, thiên thạch hay còn sót lại từ quá trình hình thành hành tinh – quyết định tính lâu dài của môi trường sống. Các hành tinh với đại dương rộng lớn còn có khả năng điều hòa khí hậu nhờ quán tính nhiệt và hỗ trợ đa dạng con đường sinh hóa.

Nhà sinh học vũ trụ Sara Seager, một chuyên gia hàng đầu trong nghiên cứu ngoại hành tinh, đã tóm lược bản chất đa tầng của tính ở được: “Việc tìm thấy một hành tinh trong vùng ở được mới chỉ là bước đầu. Khả năng ở được thực sự đòi hỏi sự cân bằng tinh tế của hóa học khí quyển, điều kiện bề mặt và lớp bảo vệ từ trường. Đây là một thách thức đa chiều, vượt xa khái niệm khoảng cách quỹ đạo đơn thuần”.

Nhà khoa học hành tinh James Kasting, người tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu tính ở được, nhấn mạnh sự đan xen phức tạp của các yếu tố: “Khả năng ở được của một hành tinh không thể tách rời khỏi ngôi sao hay lịch sử địa chất của nó. Những tiến trình như kiến tạo mảng hay sự hình thành từ trường cũng quan trọng ngang với vị trí quỹ đạo trong việc định nghĩa tính ở được. Bỏ qua những yếu tố này là một sự đơn giản hóa quá mức”.

Tương lai nghiên cứu về tính ở được

Với sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ kính thiên văn, quang phổ và mô hình hành tinh, việc xác định và phân tích các thế giới có thể ở được đang ngày càng tinh vi hơn.

Các sứ mệnh như Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) và những dự án sắp tới như Kính viễn vọng Cực Lớn (ELT) đặt mục tiêu phân tích khí quyển ngoại hành tinh để tìm khí sinh học và điều kiện bề mặt gần giống với môi trường sống.

Tính ở được của hành tinh được hình thành từ sự hội tụ của nhiều yếu tố: tham số quỹ đạo, thành phần khí quyển, lớp chắn từ trường, hoạt động địa chất và môi trường sao chủ. Khái niệm giản đơn về “vùng ở được” đã tiến hóa thành một khung lý thuyết đa diện, kết hợp cả khoa học hành tinh và sao học.

Những đóng góp sâu sắc từ các chuyên gia cho thấy: đánh giá khả năng ở được đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện, bao gồm từ lõi hành tinh cho đến hành vi của ngôi sao chủ.