Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Tận dụng hiện tượng nguyệt thực toàn phần, Hubble đã sử dụng Mặt trăng như một tấm gương để nghiên cứu ánh sáng mặt trời đã đi qua bầu khí quyển của Trái đất. Kết quả là, Hubble đã phát hiện ra “nhãn hiệu kem chống nắng” riêng của Trái đất – ozone – trong bầu khí quyển của chúng ta. Kỹ thuật này mô phỏng cách các nhà khoa học tìm kiếm bằng chứng về sự sống trên các hành tinh xung quanh các ngôi sao khác.
Tận dụng hiện tượng nguyệt thực toàn phần, các nhà thiên văn sử dụng Kính viễn vọng Không gian Hubble của NASA đã phát hiện ra “nhãn hiệu kem chống nắng” riêng của Trái đất – ozone – trong bầu khí quyển của chúng ta. Phương pháp này mô phỏng cách các nhà thiên văn học và các nhà nghiên cứu thiên văn học sẽ tìm kiếm bằng chứng về sự sống bên ngoài Trái đất bằng cách quan sát các “đặc điểm sinh học” tiềm năng trên các hành tinh ngoại (hành tinh xung quanh các ngôi sao khác).
Hubble không nhìn trực tiếp vào Trái đất. Thay vào đó, các nhà thiên văn học đã sử dụng Mặt trăng như một tấm gương phản chiếu ánh sáng mặt trời đi qua bầu khí quyển của Trái đất và sau đó phản xạ trở lại Hubble. Sử dụng kính viễn vọng không gian để quan sát nhật thực tái tạo các điều kiện mà kính thiên văn trong tương lai sẽ đo bầu khí quyển của các hành tinh ngoại lai. Các bầu khí quyển này có thể chứa các chất hóa học quan tâm đến sinh học thiên văn, nghiên cứu và tìm kiếm sự sống.
Mặc dù nhiều lần quan sát trên mặt đất kiểu này đã được thực hiện trước đây, nhưng đây là lần đầu tiên người ta chụp được nguyệt thực toàn phần ở bước sóng cực tím và từ kính viễn vọng không gian. Hubble đã phát hiện ra dấu vân tay phổ mạnh của ôzôn, ôzôn hấp thụ một phần ánh sáng mặt trời. Ozone rất quan trọng đối với sự sống vì nó là nguồn gốc của lá chắn bảo vệ trong bầu khí quyển của Trái đất.
Trên Trái đất, quá trình quang hợp kéo dài hàng tỷ năm là nguyên nhân dẫn đến lượng ôxy cao và tầng ôzôn dày của hành tinh chúng ta. Đó là một lý do tại sao các nhà khoa học cho rằng ôzôn hoặc ôxy có thể là dấu hiệu của sự sống trên hành tinh khác, và gọi chúng như là những hình dạng sinh học.
Allison Youngblood thuộc Phòng thí nghiệm Vật lý Không gian và Khí quyển ở Boulder, Colorado, trưởng nhóm nghiên cứu các quan sát của Hubble, giải thích: “Việc tìm ra ozone là rất quan trọng vì nó là một sản phẩm phụ quang hóa của oxy phân tử.”
Mặc dù ozone trong bầu khí quyển của Trái đất đã được phát hiện trong các quan sát trên mặt đất trước đây trong các lần nguyệt thực, nghiên cứu của Hubble cho thấy khả năng phát hiện phân tử này mạnh nhất cho đến nay vì ozone – được đo từ không gian mà không có sự can thiệp của các hóa chất khác trong khí quyển của Trái đất – hấp thụ tia cực tím rất mạnh.
Hubble đã ghi lại hình ảnh ôzôn hấp thụ một số bức xạ cực tím của Mặt trời đi qua rìa khí quyển của Trái đất trong nguyệt thực xảy ra vào ngày 20 đến ngày 21 tháng 1 năm 2019. Một số kính thiên văn trên mặt đất khác cũng thực hiện quan sát quang phổ ở các bước sóng khác trong quá trình nguyệt thực, tìm kiếm để biết thêm các thành phần trong khí quyển của Trái đất, chẳng hạn như oxy và mêtan.
Một trong những mục tiêu chính của NASA là xác định các hành tinh có thể hỗ trợ sự sống. Nhưng làm thế nào chúng ta biết được một hành tinh có thể sinh sống hay không có người ở nếu chúng ta nhìn thấy một hành tinh đó? Chúng sẽ trông như thế nào với các kỹ thuật mà các nhà thiên văn sử dụng để mô tả đặc điểm khí quyển của các hành tinh ngoài hành tinh? Đó là lý do tại sao điều quan trọng là phải phát triển các mô hình quang phổ của Trái đất như một mẫu để phân loại bầu khí quyển trên các hành tinh ngoài hệ mặt trời.
Bài báo của Youngblood có sẵn trực tuyến trên Tạp chí Thiên văn (The Astronomical Journal).
Tìm ra bầu khí quyển của hành tinh
Bầu khí quyển của một số hành tinh ngoài hệ mặt trời có thể được thăm dò nếu ngoại hành tinh đi ngang qua mặt của ngôi sao mẹ của nó, một sự kiện được gọi là quá cảnh. Trong quá trình di chuyển, ánh sáng sao lọc qua bầu khí quyển của ngoại hành tinh có đèn nền. (Nếu nhìn cận cảnh, hình bóng của hành tinh sẽ trông giống như nó có một “vầng hào quang” mỏng và phát sáng xung quanh nó do bầu khí quyển được chiếu sáng tạo ra, giống như Trái đất khi nhìn từ không gian.)
Các hóa chất trong khí quyển để lại dấu ấn ‘kể chuyện’ của chúng bằng cách lọc ra một số màu nhất định của ánh sao. Các nhà thiên văn sử dụng Hubble đã đi tiên phong trong kỹ thuật này để thăm dò các hành tinh ngoài hành tinh. Điều này đặc biệt đáng chú ý vì các hành tinh ngoài hệ mặt trời vẫn chưa được phát hiện khi Hubble được phóng vào năm 1990 và đài quan sát không gian ban đầu không được thiết kế cho các thí nghiệm như vậy.
Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã sử dụng Hubble để quan sát bầu khí quyển của các hành tinh khí khổng lồ và siêu Trái đất (những hành tinh có khối lượng gấp nhiều lần Trái đất) đi qua các ngôi sao của chúng. Nhưng các hành tinh trên cạn có kích thước bằng Trái đất là những vật thể nhỏ hơn nhiều và bầu khí quyển của chúng mỏng hơn, giống như vỏ trên quả táo. Do đó, việc tìm ra những dấu hiệu này từ các hành tinh ngoại cỡ Trái đất sẽ khó hơn nhiều.
Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu sẽ cần kính viễn vọng không gian lớn hơn nhiều so với Hubble để thu thập ánh sáng sao yếu ớt đi qua bầu khí quyển của các hành tinh nhỏ này trong quá trình di chuyển. Những kính thiên văn này sẽ cần quan sát các hành tinh trong một khoảng thời gian dài hơn, hàng chục giờ, để tạo ra tín hiệu mạnh.
Để chuẩn bị cho những kính thiên văn lớn hơn này, các nhà thiên văn đã quyết định tiến hành các thí nghiệm trên một hành tinh trên cạn gần hơn và duy nhất được biết đến: Trái đất. Sự liên kết hoàn hảo của hành tinh chúng ta với Mặt trời và Mặt trăng trong khi nguyệt thực toàn phần bắt chước hình dạng của một hành tinh trên cạn chuyển tiếp ngôi sao của nó.
Nhưng việc quan sát cũng gặp nhiều khó khăn vì Mặt trăng rất sáng, và bề mặt của nó không phải là vật phản xạ hoàn hảo vì nó có nhiều vùng sáng và tối. Mặt trăng cũng gần Trái đất đến mức Hubble phải cố gắng theo dõi ổn định một vùng được chọn, bất chấp chuyển động của Mặt trăng so với đài quan sát không gian. Vì vậy, nhóm của Youngblood đã phải tính đến sự trôi dạt của Mặt trăng trong phân tích của họ.
Ở đâu có ôzôn, ở đó có sự sống?
Việc tìm thấy ôzôn trên bầu trời của một hành tinh ngoài hệ mặt trời có đất liền không đảm bảo rằng sự sống tồn tại trên bề mặt. Youngblood nói: “Bạn sẽ cần các dấu hiệu quang phổ khác ngoài ôzôn để kết luận rằng có sự sống trên hành tinh và những dấu hiệu này không nhất thiết phải được nhìn thấy trong ánh sáng cực tím”.
Trên Trái đất, ôzôn được hình thành tự nhiên khi ôxy trong bầu khí quyển của Trái đất tiếp xúc với tia cực tím có nồng độ mạnh. Ozone tạo thành một tấm chăn bao quanh Trái đất, bảo vệ nó khỏi các tia cực tím khắc nghiệt.
Giada Arney thuộc Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland cho biết: “Quang hợp có thể là quá trình trao đổi chất hiệu quả nhất có thể phát triển trên bất kỳ hành tinh nào, bởi vì nó được cung cấp năng lượng từ ánh sáng sao và sử dụng các nguyên tố dồi dào trong vũ trụ như nước và carbon dioxide. Những thành phần cần thiết này nên phổ biến trên các hành tinh có thể sinh sống được.”
Sự thay đổi theo mùa trong ký hiệu ôzôn cũng có thể cho thấy quá trình sản xuất oxy sinh học theo mùa, giống như các mùa sinh trưởng của thực vật trên Trái đất.
Nhưng ozone cũng có thể được tạo ra mà không có sự sống khi nitơ và oxy tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Để tăng cường sự tin tưởng rằng một chữ ký sinh học nhất định thực sự được tạo ra bởi sự sống, các nhà thiên văn học phải tìm kiếm sự kết hợp của các dấu hiệu sinh học. Một chiến dịch đa bước sóng là cần thiết vì mỗi một trong số nhiều cấu trúc sinh học dễ được phát hiện hơn ở các bước sóng cụ thể cho các dấu hiệu đó.
“Các nhà thiên văn cũng sẽ phải tính đến giai đoạn phát triển của hành tinh khi xem xét các ngôi sao trẻ hơn với các hành tinh trẻ. Nếu bạn muốn phát hiện ôxy hoặc ôzôn từ một hành tinh tương tự như Trái đất sơ khai, khi bầu khí quyển của chúng ta có ít ôxy hơn, Arney giải thích các đặc điểm quang phổ trong ánh sáng quang học và hồng ngoại không đủ mạnh. “Chúng tôi nghĩ rằng Trái đất có nồng độ ôzôn thấp trước thời kỳ địa chất giữa Đại nguyên sinh (khoảng từ 2,0 tỷ đến 0,7 tỷ năm trước) khi quá trình quang hợp góp phần tạo ra ôxy và ôzôn trong khí quyển đến mức chúng ta thấy ngày nay. Nhưng bởi vì dấu hiệu tia cực tím của các tính năng ozone rất mạnh, bạn sẽ có hy vọng phát hiện một lượng nhỏ ozone.
NASA có một đài quan sát sắp ra mắt được gọi là Kính viễn vọng Không gian James Webb có thể thực hiện các phép đo tương tự trong ánh sáng hồng ngoại, với tiềm năng phát hiện khí mê-tan và oxy trong khí quyển ngoại hành tinh. Webb hiện được lên kế hoạch ra mắt vào năm 2021.
Video: https://www.youtube.com/watch?v=OHbiPO8bAts&feature=emb_logo
Nguồn truyện:
Tài liệu do NASA / Trung tâm bay vũ trụ Goddard cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :