Liệu chúng ta có đơn độc trong vũ trụ?

In 1977, physicists began the Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI), attempting to detect radio messages from aliens. Since then, the quest to find extraterrestrial life has gained scientific traction. Astronomers have discovered numerous planets outside our solar system, expanding our understanding of potential habitats for life. The discovery of extremophile organisms on Earth, capable of surviving in extreme conditions, has also broadened the range of environments where life could exist. New technologies, such as machine learning and artificial intelligence, are being used to analyze the atmospheres of distant planets and search for chemical signatures of life. However, determining if a planet actually contains life is challenging. Future instruments, like NASA’s James Webb Space Telescope, may provide more insight. Despite the progress, the question of whether we are alone in the universe remains a philosophical one.

Năm 1977, Tạp chí New York Times đã đăng một bài viết mang tựa đề “Tìm kiếm sự cô đơn vũ trụ”, mô tả những nỗ lực của các nhà vật lý để bắt sóng radio từ người ngoài hành tinh. Dự án này, được gọi là Tìm kiếm Thông minh Ngoài Trái Đất (SETI), vẫn đang ở giai đoạn đầu và những người ủng hộ nỗ lực này đang đấu tranh để thuyết phục các đồng nghiệp và Quốc hội rằng ý tưởng này đáng được tài trợ.

Nhiệm vụ xác định xem có ai hoặc cái gì ở ngoài kia đã có vị thế khoa học lớn hơn trong gần một nửa thế kỷ kể từ khi bài viết đó được xuất bản. Lúc đó, nhà thiên văn học vẫn chưa tìm thấy một hành tinh nào ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Bây giờ chúng ta biết rằng thiên hà đang chứa đầy những hành tinh đa dạng. Đại dương của hành tinh chúng ta trước đây được coi là đặc biệt, trong khi bằng chứng ngày nay cho thấy rằng có nhiều mặt trăng ở ngoại vi hệ Mặt Trời có nước ngầm.

Nhận thức của chúng ta về phạm vi các môi trường mà sự sống có thể tồn tại cũng đã mở rộng nhờ vào việc phát hiện trên Trái Đất các loài vi sinh vật cực địa, có thể tồn tại trong những nơi nhiệt độ cao hơn, mặn hơn, axit hơn và phóng xạ hơn so với những gì trước đây được cho là có thể, bao gồm cả các sinh vật sống xung quanh các khe nhiệt dưới đáy biển.

Chúng ta đang ngày càng tiến gần hơn bao giờ hết đến việc tìm hiểu xem thế giới sống giống như chúng ta thực sự phổ biến như thế nào. Công cụ mới, bao gồm học máy và trí tuệ nhân tạo, có thể giúp các nhà khoa học nhìn xa hơn những quan niệm trước đó về điều gì tạo nên sự sống. Các công cụ tương lai sẽ kiểm tra không khí của các hành tinh xa xôi và quét mẫu từ hệ Mặt Trời gần nhằm xem chúng có chứa các chất hóa học đặc trưng trong tỷ lệ phù hợp để các sinh vật phát triển không.

“Tôi nghĩ trong suốt cuộc đời chúng ta, chúng ta sẽ có thể làm được điều đó,” Ravi Kopparapu, một nhà khoa học hành tinh học tại Trung tâm Bay vũ trụ Goddard của NASA tại Maryland, nói. “Chúng ta sẽ biết có sự sống trên các hành tinh khác không.”

Trong khi con người đã có một lịch sử dài về việc suy đoán về các thế giới xa xôi, trong phần lớn thời gian đó bằng chứng thực tế thì ít có sẵn. Các hành tinh đầu tiên xung quanh các ngôi sao khác – được gọi là hành tinh ngoài hệ Mặt Trời – được phát hiện vào đầu những năm 1990, nhưng phải đến khi kính viễn vọng không gian Kepler của NASA được phóng vào năm 2009, các nhà thiên văn mới hiểu được chúng phổ biến như thế nào. Kepler đã theo dõi cẩn thận hàng trăm nghìn ngôi sao, tìm kiếm những giảm nhỏ trong độ sáng của chúng có thể chỉ ra các hành tinh đi qua phía trước. Nhiệm vụ này đã giúp số lượng hành tinh ngoài hệ Mặt Trời được biết đến tăng từ một vài cái đến hơn 5.500 cái.

Kepler được xây dựng để giúp xác định sự phổ biến của các hành tinh giống Trái Đất xoay quanh các ngôi sao giống như Mặt Trời, ở khoảng cách phù hợp để có nước lỏng trên bề mặt của chúng (vùng thường được gọi là vùng Goldilocks). Mặc dù cho đến nay chưa có một thế giới ngoài Trái Đất nào hoàn hảo như chúng ta, nhưng các nhà nghiên cứu có thể sử dụng số lượng khám phá để đưa ra những phỏng đoán có căn cứ về số lượng có thể tồn tại. Ước tính tốt nhất hiện tại cho thấy từ 10% đến 50% số ngôi sao giống như Mặt Trời có hành tinh giống Trái Đất của chúng ta, dẫn đến những con số khiến các nhà thiên văn học ngạc nhiên.

“Nếu là 50%, thì đó là điều rất đáng ngạc nhiên, phải không?” Jessie Christiansen, một nhà vật lý thiên văn tại Caltech ở Pasadena, California, nói. “Trong thiên hà có hàng tỷ ngôi sao giống Mặt Trời, và nếu một nửa trong số chúng có hành tinh giống Trái Đất, có thể tồn tại hàng tỷ hành tinh đá có thể sinh sống.”

Có ai ở nhà không?

Xác định xem những hành tinh này thực sự chứa các hình thái sống không phải là một nhiệm vụ dễ dàng. Các nhà nghiên cứu phải thu giữ ánh sáng mờ từ một hành tinh ngoài hệ Mặt Trời và phân tán nó thành các bước sóng thành phần, quét tìm các dấu hiệu cho thấy sự hiện diện và lượng các loại hóa chất khác nhau. Mặc dù các nhà thiên văn muốn tập trung vào các ngôi sao giống như Mặt Trời, nhưng việc làm điều đó gặp khó khăn về mặt kỹ thuật. Kính viễn vọng không gian James Webb (JWST) mạnh mẽ của NASA hiện đang nhắm mục tiêu vào các hành tinh xung quanh các ngôi sao nhỏ hơn, lạnh hơn và đỏ hơn so với Mặt Trời của chúng ta, được gọi là M dwarf. Những nơi như vậy có thể thích hợp để sinh sống, nhưng hiện tại, chẳng ai chắc chắn.

Để có nước lỏng trên bề mặt của chúng, các hành tinh quanh ngôi sao M cần phải quỹ đạo gần với ngôi sao của chúng – những ngôi sao này thường hoạt động mạnh hơn Mặt Trời, phát ra các cú sét mạnh có thể làm mất các khí quyển và có thể để lại một mảnh đất khô cằn. JWST đã nghiên cứu Trappist-1, một M dwarf cách xa 40 năm ánh sáng với bảy hành tinh đá nhỏ, bốn trong số đó ở khoảng cách phù hợp để có nước lỏng. Hai hành tinh ngoại cùng đã được xác định không có khí quyển, nhưng các nhà khoa học đang háo hức chờ đợi kết quả quan sát JWST từ ba hành tinh tiếp theo. Họ muốn biết liệu ngay cả những hành tinh ở ngoài vùng sống được có thể có khí quyển hay không.

Có sự quan tâm đặc biệt trong việc tìm kiếm các hành tinh khác quanh các ngôi sao loại M, vì chúng phổ biến hơn rất nhiều so với ngôi sao cùng kích thước với Mặt Trời. “Nếu họ phát hiện rằng chúng giữ các khí quyển, điều đó tăng gấp trăm lần diện tích có thể sinh sống của thiên hà,” như Christiansen nói.

Sau khi chúng ta đã tìm thấy một hành tinh trông giống như Trái Đất, chúng ta sẽ muốn bắt đầu tìm kiếm những manh mối hóa học về sự sống trên bề mặt của nó. Kính viễn vọng James Webb không đủ nhạy để làm điều đó, nhưng các công cụ trên mặt đất trong tương lai như Kính viễn vọng Cực lớn, Kính viễn vọng Giant Magellan và Kính viễn vọng 30 Meter – dự kiến ​​sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu vào những năm 2030 – có thể phân tách các thành phần hóa học của những hành tinh trông giống Trái Đất gần đó. Thông tin từ các mục tiêu xa hơn sẽ phải chờ đến nhiệm vụ cờ hiệu tiếp theo của NASA, Đài quan sát Thế giới Sinh sống trên không gian, dự kiến ​​sẽ được phóng vào cuối những năm 2030 hoặc đầu những năm 2040. Kính viễn vọng này sẽ sử dụng một màn chắn ngôi sao bên ngoài hoặc một công cụ gọi là một coronagraph để chặn ánh sáng chói của ngôi sao và tập trung vào ánh sáng mờ hơn của hành tinh và các dấu vân hóa học tiềm năng của nó.

Các chất hóa học cụ thể mà các nhà thiên văn học nên tìm kiếm vẫn còn là một vấn đề đang tranh luận. Lý tưởng nhất, họ muốn tìm thấy những gì được gọi là dấu hiệu sống – các phân tử như nước, metan và carbon dioxide có mặt với số lượng tương tự như chúng ta thấy trên Trái Đất. Điều đó có nghĩa là trong thực tế không phải lúc nào cũng rõ ràng, vì Trái Đất của chúng ta đã trải qua nhiều giai đoạn khi có sự sống nhưng các hợp chất hóa học khác nhau đã thay đổi rất nhiều.

“Bạn có muốn nó phát hiện một Trái Đất thời kỳ Archaean, như 2 hoặc 3 tỷ năm trước?” Kopparapu hỏi. “Hoặc từ thời kỳ Neoproterozoic, khi có một Trái Đất bị đóng băng? Hoặc bạn muốn phát hiện Trái Đất hiện tại, khi có rất nhiều oxy tự do, ozone, nước và CO2?”

Gần đây, đã có rất nhiều sự phấn khích khi Kính viễn vọng James Webb phát hiện dimetyl sulfide, một phân tử chỉ được tạo ra bởi các sinh vật sống trên thế giới của chúng ta, trên một hành tinh ngoài hệ Mặt Trời gần 9 lần kích thước Trái Đất và cách xa 120 năm ánh sáng. Kết quả này, chưa được xác nhận, làm nổi bật tính phức tạp của các phương pháp như vậy. Nếu dimetyl sulfide thực sự có mặt trong khí quyển của hành tinh, ánh sáng sao cũng sẽ phá vỡ nó để tạo thành etan, một phân tử chưa được nhìn thấy. “Không có một khí duy nhất là dấu hiệu sống,” Kopparapu nói. “Bạn cần phải nhìn thấy một sự kết hợp của chúng.” Năm ngoái, anh và những người khác trong cộng đồng đã công bố một báo cáo nhấn mạnh rằng bất kỳ phát hiện cụ thể nào cần được đặt trong ngữ cảnh của môi trường sao và hành tinh của nó, vì có thể có nhiều kết quả có vẻ như chỉ trỏ đến sự sống nhưng có giải thích thay thế.

Tại sao được coi là sự sống?

Vấn đề này – làm thế nào để phân biệt một cách xác định giữa sự sống và sự không sống – là một vấn đề không bao giờ cũ, cho dù bạn đang nhìn vào các hành tinh xa xôi hay thậm chí là hiện tượng trên Trái Đất. Các nhà nghiên cứu có thể sớm nhận được sự giúp đỡ từ các kỹ thuật thuật toán có thể khám phá các mối liên hệ quá phức tạp để não bộ con người có thể hiểu. Trong các thử nghiệm gần đây, Robert Hazen và đồng nghiệp của ông đã lấy 134 mẫu sống và không sống (bao gồm dầu mỏ, thiên thạch giàu cacbon, hóa thạch cổ đại và một con ong đã bay vào phòng thí nghiệm của họ), bay hơi chúng và phân tán các thành phần hóa học của chúng. Khoảng 500.000 đặc điểm khác nhau đã được xác định trong cấu trúc phân tử của mỗi mẫu và được chạy qua một chương trình học máy.

“Khi chúng ta nhìn vào những 500.000 đặc điểm đó, có những mẫu riêng biệt của sinh vật sống và mẫu riêng biệt của các vật không sống,” Hazen, một nhà khoáng vật học và nhà sinh học vũ trụ tại Học viện Carnegie cho Khoa học, nói.

Sau khi phần mềm được huấn luyện trên 70% các mẫu, phương pháp đã có thể nhận ra với độ chính xác 90% mẫu còn lại có nguồn gốc sinh học. Thiết bị được sử dụng để phân tán các thành phần hóa học của các mẫu có độ dài khoảng bảy inch, nhỏ hơn đủ để được gửi đi trong các nhiệm vụ đến các thế giới đại dương gần như Europa của Sao Mộc hoặc Enceladus của Sao Thổ. Xe đổ bộ Perseverance của NASA mang theo một thiết bị tương tự lên sao Hỏa, vì vậy Hazen nghĩ rằng thuật toán học máy của nhóm ông có thể được điều chỉnh để lọc qua dữ liệu và đi săn các hình thái sống hoặc từng tồn tại ở đó. Và vì phương pháp này dựa trên mối quan hệ phân tử chứ không phải là phát hiện các hợp chất hữu cơ cụ thể như DNA hoặc amino axit, có thể không được sử dụng trong các môi trường sống khác, phương pháp này có thể cho phép các nhà khoa học tìm kiếm sự sống hoàn toàn khác với những gì chúng ta có trên Trái Đất.

Các ứng dụng học máy cũng đang bắt đầu được sử dụng trong SETI, mà trong những năm gần đây đã chuyển hướng tìm kiếm một loạt các bằng chứng rõ ràng hơn về những loài ngoài trái đất sử dụng công cụ so với trước đây. Hầu hết trong lĩnh vực này đang tìm kiếm những dấu vết công nghệ, được định nghĩa là “một dấu hiệu có thể phát hiện từ xa về công nghệ mà chúng ta có thể đặc trưng bằng các phương tiện thiết bị thiên văn”, theo Sofia Sheikh thuộc Viện SETI. Điều này có thể là tín hiệu radio, nhưng bằng chứng khác có thể bao gồm những thứ như xung laser quang học, dự án kỹ thuật trên không gian lớn, ô nhiễm không khí, hoặc thậm chí là các mẫu thăm dò nhân tạo đi vào hệ mặt trời của chúng ta.

Tại Cơ sở Zwicky Transient gần San Diego, California, nơi liên tục tìm kiếm toàn bộ bầu trời đêm để phát hiện những tia sáng ngắn đến từ các nguồn không xác định, các kỹ sư đang dạy trí tuệ nhân tạo nhận dạng các đặc điểm không được mong đợi từ hiện tượng tự nhiên. “Ở điểm đó, chúng ta có thể bắt đầu đặt câu hỏi,” Ashish Mahabal, một nhà thiên văn học và nhà khoa học dữ liệu tại Caltech nói. Các câu trả lời cho những câu hỏi đó có thể giúp khám phá các hiện tượng thiên văn mới lạ hoặc có thể, một ngôi sao được bao quanh bởi những tấm pin năng lượng khổng lồ cung cấp cho một xã hội ngoại hành tinh đòi hỏi năng lượng mạnh mẽ.

Các nhà nghiên cứu của SETI hy vọng rằng bằng cách sử dụng các công cụ như vậy, họ có thể giúp vượt qua một số định kiến nhân loại. Hầu hết nhận ra rằng kỳ vọng của chúng ta về những sinh vật ngoài trái đất bị hạn chế bởi kinh nghiệm của chúng ta. Ví dụ, việc tìm kiếm dấu hiệu của các tấm pin mặt trời ngoại hành tinh khổng lồ thường “dựa trên giả định rằng luôn luôn có nhu cầu năng lượng tăng một cách mũ lân”, như Sheikh nói.

Bởi vì có nhiều hướng tiếp cận đang được khám phá, nhiều nhà khoa học tin rằng câu trả lời cho những câu hỏi về sự sống ngoài trái đất không còn xa. Tuy nhiên, cuối cùng, vấn đề về sự cô đơn vũ trụ của chúng ta là một vấn đề triết học.

Trong hầu hết lịch sử nhân loại, chúng ta không tin rằng mình cô đơn. Chúng ta đã lấp đầy bầu trời bằng các vị thần, quái vật và những sinh vật huyền thoại. Chỉ trong thời đại hiện đại, loài người của chúng ta mới bắt đầu lo lắng về vị trí của mình trong vũ trụ. Nhưng liệu có hay không bất kỳ phần nào khác trong vũ trụ này chứa đựng sự sống, vũ trụ đó là ngôi nhà của chúng ta. Chúng ta có thể chọn cô đơn hoặc chấp nhận những điều tuyệt vời và kỳ diệu xung quanh chúng ta.