Những vùng lân cận tốt nhất để bắt đầu cuộc sống trong thiên hà | Tạp chí Quanta

Để nuôi dưỡng sự sống, ít nhất như chúng ta biết, một hành tinh phải quay quanh một ngôi sao tương đối yên tĩnh và ổn định. Quỹ đạo của hành tinh cũng phải gần tròn để hành tinh này trải qua sự ấm áp tương tự trong suốt cả năm. Và không được quá nóng, kẻo nước trên mặt bị sôi; không quá lạnh, kẻo nước đó bị đóng băng; nhưng vừa phải, để sông biển vẫn lỏng.

Những đặc điểm này xác định một “vùng có thể ở được” xung quanh các ngôi sao - những địa điểm hấp dẫn cần nhắm tới trong quá trình tìm kiếm các ngoại hành tinh thân thiện với sự sống. Nhưng các nhà khoa học đang ngày càng bắt toàn bộ thiên hà phải chịu sự giám sát tương tự. Tương tự như cách các lục địa có sinh quyển riêng biệt chứa hệ thực vật và động vật riêng biệt, các khu vực khác nhau của thiên hà có thể chứa đựng các quần thể sao và hành tinh khác nhau. Lịch sử đầy biến động của Dải Ngân hà có nghĩa là không phải tất cả các góc của thiên hà đều giống nhau và chỉ một số vùng thiên hà có thể phù hợp để tạo ra các hành tinh mà chúng ta nghĩ có thể có người ở.

Khi các nhà khoa học ngoại hành tinh điều chỉnh ý tưởng của họ về nơi tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh, họ hiện đang xem xét nguồn gốc của một ngôi sao và khu vực lân cận của nó. Jesper Nielsen, một nhà thiên văn học tại Đại học Copenhagen. Các mô phỏng mới, cùng với các quan sát từ các vệ tinh săn tìm hành tinh và theo dõi hàng triệu ngôi sao, đang vẽ nên một bức tranh về các khu vực lân cận thiên hà khác nhau - và thậm chí có thể cả các thiên hà khác nhau - hình thành các hành tinh khác nhau như thế nào.

Nielsen nói: “Điều đó có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về nơi đặt kính thiên văn của mình”.

Địa lý thiên hà

Ngày nay, dải ngân hà có cấu trúc phức tạp. Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của nó được bao quanh bởi “vùng phình ra”, một khối sao dày chứa một số cư dân cao cấp nhất của thiên hà. Chỗ phình ra được bao bọc bởi “đĩa mỏng”, cấu trúc mà bạn có thể nhìn thấy uốn lượn trên đầu trong một đêm tối và quang đãng. Hầu hết các ngôi sao, bao gồm cả mặt trời, được tìm thấy trong các nhánh xoắn ốc của đĩa mỏng, được bao bọc bởi một “đĩa dày” rộng hơn chứa các ngôi sao già hơn. Và một quầng sáng khuếch tán, chủ yếu là hình cầu gồm vật chất tối, khí nóng và một số ngôi sao bao trùm toàn bộ kiến ​​trúc.

Trong ít nhất hai thập kỷ, các nhà khoa học đã tự hỏi liệu điều kiện sinh sống có khác nhau giữa các cấu trúc đó hay không. Nghiên cứu đầu tiên về khả năng sinh sống của thiên hà bắt đầu vào năm 2004, khi các nhà khoa học người Úc Charles Lineweaver, Yeshe Fenner và Brad Gibson mô hình hóa lịch sử của Dải Ngân hà và sử dụng nó để nghiên cứu xem có thể tìm thấy những khu vực có thể ở được ở đâu. Họ muốn biết ngôi sao chủ nào có đủ nguyên tố nặng (như carbon và sắt) để hình thành các hành tinh đá, ngôi sao nào tồn tại đủ lâu để sự sống phức tạp phát triển và ngôi sao nào (và bất kỳ hành tinh quay quanh nào) an toàn trước các siêu tân tinh lân cận. Cuối cùng, họ đã xác định được “vùng có thể ở được trong thiên hà”, một khu vực có hình bánh rán với lỗ ở giữa thiên hà. Ranh giới bên trong của khu vực bắt đầu cách trung tâm thiên hà khoảng 22,000 năm ánh sáng và ranh giới bên ngoài của nó kết thúc cách trung tâm thiên hà khoảng 29,000 năm ánh sáng.

Trong hai thập kỷ kể từ đó, các nhà thiên văn học đã cố gắng xác định chính xác hơn các biến số kiểm soát sự tiến hóa của cả sao và hành tinh trong thiên hà, cho biết. Kevin Schlaufman, một nhà thiên văn học tại Đại học Johns Hopkins. Ví dụ, ông nói, các hành tinh được sinh ra trong các đĩa bụi bao quanh các ngôi sao mới sinh, và nói một cách đơn giản, nếu “một đĩa tiền hành tinh có nhiều vật chất có thể tạo ra đá, thì nó sẽ tạo ra nhiều hành tinh hơn”.

Một số khu vực của thiên hà có thể được gieo rắc những thành phần tạo nên hành tinh dày đặc hơn những khu vực khác và các nhà khoa học hiện đang nỗ lực để hiểu mức độ ảnh hưởng của các vùng lân cận thiên hà đến các hành tinh mà chúng chứa đựng.

Đây là ngoại hành tinh

Trong số khoảng 4,000 ngoại hành tinh đã biết, cho đến nay có rất ít quy tắc chi phối loại hành tinh nào sống ở đâu; không có hệ thống sao trông khá giống của chúng ta, và hầu hết trong số họ thậm chí không trông rất giống nhau.

Nielsen và các đồng nghiệp của ông muốn biết liệu các hành tinh có thể hình thành khác nhau trong đĩa dày, đĩa mỏng và quầng sáng của Dải Ngân hà hay không. Nói chung, các sao đĩa mỏng chứa nhiều nguyên tố nặng hơn các sao đĩa dày, nghĩa là chúng phát triển từ các đám mây cũng có thể chứa nhiều thành phần tạo nên hành tinh hơn. Sử dụng dữ liệu từ vệ tinh Gaia theo dõi ngôi sao của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, Nielsen và các đồng nghiệp của ông lần đầu tiên phân tách các ngôi sao dựa trên sự phong phú của một số nguyên tố nhất định. Sau đó, họ mô phỏng sự hình thành hành tinh giữa những quần thể đó.

Mô phỏng của họ, được họ công bố vào tháng 10, cho thấy các hành tinh khí khổng lồ và siêu Trái đất - loại ngoại hành tinh phổ biến nhất - phát triển dồi dào hơn trong đĩa mỏng, có lẽ vì (như mong đợi) những ngôi sao đó có nhiều vật liệu xây dựng hơn để hoạt động. Họ cũng phát hiện ra rằng các ngôi sao trẻ hơn với nhiều nguyên tố nặng hơn có xu hướng chứa nhiều hành tinh hơn và các hành tinh khổng lồ phổ biến hơn các hành tinh nhỏ hơn. Ngược lại, những hành tinh khí khổng lồ gần như không tồn tại trong đĩa dày và quầng sáng.

Schlaufman, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết kết quả này rất có ý nghĩa. Thành phần của bụi và khí từ đó các ngôi sao được sinh ra là rất quan trọng để xác định liệu các ngôi sao có hình thành nên hành tinh hay không. Và mặc dù thành phần đó có thể thay đổi tùy theo vị trí, ông lập luận rằng mặc dù vị trí có thể tạo tiền đề cho việc xây dựng thế giới của một ngôi sao nhưng nó có thể không quyết định kết quả cuối cùng.

Những mô phỏng của Nielsen chỉ mang tính lý thuyết, nhưng một số quan sát gần đây đã hỗ trợ cho phát hiện của ông.

Vào tháng 6, một nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ kính viễn vọng không gian Kepler săn tìm hành tinh của NASA đã phát hiện ra rằng các ngôi sao trong đĩa mỏng của Dải Ngân hà có nhiều hành tinh hơn, đặc biệt là các siêu Trái đất và các thế giới có kích thước dưới sao Hải Vương, hơn các ngôi sao trong đĩa dày. Một lời giải thích, cho biết Jessie Christiansen, một nhà khoa học ngoại hành tinh tại Viện Công nghệ California và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho rằng những ngôi sao già, đĩa dày có thể đã được sinh ra khi các thành phần tạo nên hành tinh còn thưa thớt, trước khi các thế hệ ngôi sao sắp chết gieo mầm cho vũ trụ. khối của thế giới. Hoặc có thể những ngôi sao có đĩa dày được sinh ra trong môi trường dày đặc, có bức xạ cao, nơi sự nhiễu loạn ngăn cản các hành tinh con kết hợp lại.

Các hành tinh có thể hoạt động tốt hơn ở các khu vực rộng mở, như vùng ngoại ô, thay vì các khu vực “đô thị” đông dân cư, Christiansen nói. Mặt trời của chúng ta nằm ở một khu vực ngoại ô có dân cư thưa thớt như vậy.

Trái đất khác

Các cuộc khảo sát của Christiansen và mô phỏng của Nielsen nằm trong số những cuộc khảo sát đầu tiên nghiên cứu sự xuất hiện của hành tinh như một chức năng của vùng lân cận thiên hà; Vedant Chandra, một nhà thiên văn học tại Trung tâm Vật lý thiên văn Harvard-Smithsonian, đang chuẩn bị tiến thêm một bước nữa và nghiên cứu xem liệu sự hình thành hành tinh có thể khác biệt ở một số thiên hà mà Dải Ngân hà tiêu thụ khi nó lớn lên hay không. Trong tương lai, Nielsen hy vọng rằng các cuộc khảo sát và thiết bị được tinh chỉnh như Kính viễn vọng Không gian La Mã Nancy Grace sắp ra mắt của NASA sẽ giúp chúng ta hiểu được sự hình thành hành tinh giống như cách các nhà nhân khẩu học hiểu về dân số. Chúng ta có thể dự đoán loại sao nào sẽ chứa loại hành tinh nào không? Có phải Trái đất có nhiều khả năng hình thành ở một số khu vực lân cận nhất định? Và nếu chúng ta biết nơi để nhìn, liệu chúng ta có tìm thấy thứ gì đó đang nhìn lại chúng ta không?

Chúng ta biết mình đang sống trong một vùng có thể sinh sống được, trong một thế giới quay quanh một ngôi sao yên tĩnh. Nhưng sự sống bắt đầu như thế nào trên Trái đất, khi nào và tại sao, là câu hỏi lớn nhất trong bất kỳ lĩnh vực khoa học nào. Có lẽ các nhà khoa học cũng nên suy nghĩ về câu chuyện nguồn gốc của ngôi sao của chúng ta, và thậm chí cả câu chuyện về tổ tiên của các ngôi sao đã hình thành nên góc của Dải Ngân hà của chúng ta, hàng tỷ năm trước.

“Có phải sự sống trên Trái đất là không thể tránh khỏi? Nó có đặc biệt không?” Chandra hỏi. “Chỉ khi bạn bắt đầu có được bức tranh toàn cầu này… bạn mới có thể bắt đầu trả lời những câu hỏi như vậy.”