Những siêu Trái đất nguội chậm sẽ không có sự sống

Những hành tinh ngoại đất đá với khối lượng từ 2 đến 10 lần khối lượng Trái đất có lẽ không có những thời kì hoạt động núi lửa kéo dài được cho là điều kiện thiết yếu cho sự sống tiến hóa. Đó là kết luận của một nghiên cứu mới của các nhà khoa học ở Mĩ và Đức khảo sát tốc độ nguội đi của những “siêu Trái đất” này. Nghiên cứu còn đề xuất rằng việc tìm hiểu hành trạng của phần lõi của một siêu hành tinh trên những khoảng thời gian dài có thể cung cấp thông tin quan trọng về các điều kiện trên bề mặt của nó.

Cho đến nay, các nhà thiên văn đã tìm thấy hơn 600 siêu Trái đất đang quay xung quanh những ngôi sao khác ngoài Mặt trời của chúng ta – và người ta trông đợi nhiều hành tinh hơn sẽ được phát hiện ra bởi kính thiên văn vũ trụ Kepler và những sứ mệnh khác trong tương lai. Các siêu Trái đất hiện mang đang mang lại cho các nhà thiên văn cơ hội tốt nhất để tìm kiếm những dấu hiệu của sự sống ngoài địa cầu vì với các kính thiên văn ngày nay chúng dễ tìm và dễ nghiên cứu hơn các hành tinh ngoại cỡ Trái đất.

Nếu một siêu Trái đất nằm trong vùng ở được của một ngôi sao – trên nguyên tắc, đó là nơi mà bề mặt của hành tinh có thể ở nhiệt độ vừa thích hợp để có nước lỏng – thì một hành tinh ngoại như vậy có thể duy trì sự sống. Tuy nhiên, chỉ riêng ở trong vùng ở được thôi thì chưa đủ vì điều kiện trên bề mặt của siêu Trái đất đó phải có lợi cho sự sống nữa.

Ảnh minh họa hệ hành tinh xung quanh sao lùn đỏ Gliese 581. Các nhà thiên văn học tin rằng hệ này có chứa vài siêu Trái đất. (Ảnh: Đài thiên văn Nam châu Âu)

Cần có núi lửa

Nghiên cứu mới đứng đầu là Vlada Stamenkovic thuộc Viện Công nghệ Massachusetts và các đồng sự thuộc Viện Nghiên cứu Hành tinh DLR ở Berlin. Nghiên cứu cho thấy các siêu Trái đất không có khả năng có những thời kì hoạt động núi lửa kéo dài mà người ta tin là giữ một vai trò quan trọng trong việc làm cho bề mặt của một hành tinh thích hợp cho sự xuất hiện của sự sống. Trong trường hợp hành tinh của chúng ta, nhiệt truyền từ sâu bên trong Trái đất thông qua sự đối lưu trong lớp bao làm cho các lục địa trôi giạt, đây là lí thuyết “kiến tạo mảng”. Sự trôi giạt này kích hoạt những khoảng thời gian hoạt động núi lửa kéo dài, phun ra nhiều CO₂ dẫn tới sự ấm lên do hiệu ứng nhà kính. Hiệu ứng này giữ cho bề mặt Trái đất ấm áp, với phần lớn lượng nước ở dạng lỏng thay vì bị đóng băng.

Cơ chế núi lửa tiếp diễn cũng giữ một vai trò quan trọng trong chu trình carbon địa chất, nhờ đó CO₂ chứa trong đá được núi lửa đưa vào khí quyển và sau đó lắng trở lại với lõi hành tinh qua sự phong hóa đất đá và hoạt động kiến tạo mảng. Người ta tin rằng chu trình này góp phần vào khí hậu tương đối ổn định của Trái đất, thành ra nó là cái thiết yếu cho sự sống.

Stamenkovic và các đồng sự đã khảo sát một số yếu tố khác nhau có thể ảnh hưởng đến các điều kiện trên bề mặt của một siêu Trái đất. Họ bắt đầu bằng cách xét độ nhớt của phần lõi của một siêu Trái đất, cái xác định nhiệt di chuyển nhanh bao nhiêu qua sự đối lưu từ lõi nóng của một hành tinh lên bề mặt nguội hơn nhiều của nó. Các hành tinh có lõi nhớt cao truyền nhiệt chậm hơn những hành tinh có lõi nhớt thấp.

Độ nhớt phụ thuộc áp suất

Cho đến nay, đa số các tính toán đều sử dụng một công thức cho độ nhớt chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc áp suất – một công thức thậm chí không hoạt động đối với Trái đất, theo lời Stamenkovic. Thay vậy, đội của ông cho rằng ở những áp suất lớn hơn tìm thấy ở các siêu Trái đất, công thức đúng cho độ nhớt cũng nên đưa thêm vào một số hạng là một hàm của áp suất. Kết quả là một độ nhớt cao hơn nhiều so với giá trị sử dụng trong các nghiên cứu trước đây của siêu Trái đất.

Sau đó, đội nghiên cứu đã khảo sát xem nhiệt độ bên trong một siêu Trái đất sẽ biến thiên như thế nào trong quãng đời của nó – vì cả nhiệt độ và áp suất đều xác định độ nhớt bên trong một hành tinh. Trước tiên họ tính cái sẽ xảy ra nếu các siêu Trái đất là “nguội” như những nghiên cứu trước đây thường dự đoán. Ở những nhiệt độ tương đối thấp này, Stamenkovic và các đồng sự dự đoán rằng sẽ không có sự đối lưu trong lớp bao dưới. Trong kịch bản “ứ đọng” này, hành tinh ngoại nguội đi từ từ.

Tuy nhiên, những nghiên cứu gần đây hơn cho biết các siêu Trái đất là nóng hơn nhiều khi chúng mới hình thành – có lẽ còn tan chảy nữa. Dưới kịch bản hình thành-nóng này, đội nghiên cứu tìm thấy sự đối lưu sẽ xảy ra, trừ là với một tốc độ chậm. Trong cả hai trường hợp, sự nguội đi của lớp bao và nhân sẽ là không đủ hiệu quả, theo lời Stamenkovic.

Nhắm đến sự hình thành này, đội nghiên cứu sau đó đã khảo sát những gợi ý của sự nguội đi chậm chạp này đối với tính ở được của một siêu Trái đất. Trong cả hai trường hợp, sự nguội đi chậm của nhân và lớp bao của một siêu Trái đất cho thấy sự kiến tạo mảng ít có khả năng xảy ra hơn. Tuy nhiên, Stamenkovic cho biết lượng nước có trong thạch quyển cũng giữ một vai trò quan trọng trong việc xác định sự kiến tạo mảng có xảy ra hay không, và có thể làm đảo ngược những xu hướng như thế.

Cần có những thí nghiệm trong phòng lab

Theo Stamenkovic, nghiên cứu mới này cho thấy tầm quan trọng của việc tìm hiểu sự tiến hóa của các siêu Trái đất, thay vì cố gắng xác định những tính chất ổn định của chúng. Để hiểu rõ hơn nhiệt được truyền như thế nào trong các siêu Trái đất, Stamenkovic cho biết cần làm thêm các thí nghiệm áp suất cao trong phòng thí nghiệm trên Trái đất và cần có thêm số liệu về tỉ trọng và khí quyển của các siêu Trái đất. Để thu thập những thông tin này, ông đề nghị một số kính thiên văn vũ trụ giá thành thấp, mỗi kính sẽ tập trung vào một siêu Trái đất ở gần, cần tìm kiếm trong những khoảng thời gian dài để có đủ số liệu. Một dự án như vậy đã được đề xuất bởi một đội tại MIT đứng đầu là Sara Seager và có tên là ExoplanetSat.

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp