Giải mã bí ẩn nguồn gốc hình thành sự sống trên trái đất qua phiên bản 'trẻ' của Mặt trời

Nhóm nghiên cứu từ Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland cho biết, ngôi sao trên có khối lượng và nhiệt độ bề mặt tương tự như mặt trời của chúng ta, cách chúng ta khoảng 30 năm ánh sáng.  

Mặt trời được coi là ở tuổi trung niên, với 4,6 tỷ năm tuổi, vì vậy việc tìm kiếm một ngôi sao tương tự với số tuổi trẻ hơn nó có thể giúp hiểu được điều kiện của hệ mặt trời sơ khai.

Mặt trời (ảnh Nasa).

NASA cho biết: “Công trình này cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cách mặt trời đã hình thành bầu khí quyển của hành tinh chúng ta và sự phát triển của sự sống trên Trái đất.” Một phần của công việc liên quan đến việc nghiên cứu các vụ phun trào cực quang và các luồng gió sao để xem các hoạt đông của mặt trời có thể đã tác động đến Trái đất như thế nào.

Chúng ta không thể quay ngược hàng tỷ năm về hệ mặt trời sơ khai và xem mặt trời như thế nào khi sự sống lần đầu tiên hình thành trên hành tinh Trái đất. Tuy nhiên, có hơn 100 tỷ ngôi sao trong Dải Ngân hà, với 1/10 trong số đó có kích thước và độ sáng tương tự như mặt trời của chúng ta. Nhiều ngôi sao trong số này đang trong giai đoạn phát triển ban đầu.

Hình minh họa Mặt trời trẻ cách đây 4 tỉ năm, vào khoảng thời gian sự sống bắt đầu phát triển trên Trái đất. Ảnh: NASA's Goddard Flight/Conceptual Image Lab

Trưởng ban nghiên cứu, ông Vladimir Airapetian từ NASA cho biết: ‘Hãy tưởng tượng tôi muốn tái tạo một bức ảnh trẻ em của người lớn khi họ được một hoặc hai tuổi, và tất cả các hình ảnh của họ đều bị xóa hoặc bị mất’. Ông nói: ‘Bây giờ tôi sẽ xem một bức ảnh của họ, và những bức ảnh họ hàng gần của họ từ khoảng thời gian đó, và từ đó, dựng lại những bức ảnh thời bé của họ. Đó là loại quá trình mà chúng tôi đang theo dõi ở đây - xem xét các đặc điểm của một ngôi sao trẻ tương tự như mặt trời của chúng ta, để hiểu rõ hơn về mặt trời của chúng ta khi còn trẻ và điều gì đã cho phép nó nuôi dưỡng sự sống trên một trong những hành tinh lân cận.”

Kappa 1 Ceti là một trong những ngôi sao tương tự mặt trời trong vùng sao lân cận của chúng ta. Ngôi sao này nằm cách chúng ta khoảng 30 năm ánh sáng, mà theo NASA về mặt không gian giống như một nhà hàng xóm kế cận.

Phó phụ trách cuộc nghiên cứu Meng Jin, một nhà vật lý Nhật Bản của Viện SETI và Phòng thí nghiệm vật lý thiên văn và năng lượng mặt trời Lockheed Martin ở California cho biết nó là một 'cặp song sinh' của mặt trời khi nó còn nhỏ.  Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh các mô hình hiện có của hệ mặt trời để thử và dự đoán một số đặc điểm khó xác định hơn của Kappa 1 Ceti.  Điều này bao gồm sức mạnh của gió sao và các vụ phun trào cực quang đến từ ngôi sao mà chúng tác động tới bất kỳ hành tinh tiềm năng nào chưa được hình thành hoặc phát hiện trong hệ sao.

Họ đã sử dụng dữ liệu từ một loạt các kính viễn vọng không gian bao gồm Hubble, TESS, NICER và các vệ tinh ESA XMM-Newton.

Giống như những đứa trẻ mới biết đi của con người, những ngôi sao trẻ được biết đến với sự bùng nổ năng lượng cao được giải phóng dưới dạng một cơn gió sao. 

Gió sao, giống như bản thân các ngôi sao, chủ yếu được tạo thành từ một luồng khí siêu nóng được gọi là plasma, được tạo ra khi các hạt trong khí phân tách thành các ion mang điện tích dương và các electron mang điện tích âm. 

Luồng plasma mạnh, với sự trợ giúp của từ trường ngôi sao, có thể bắn ra khỏi phần ngoài cùng và nóng nhất của bầu khí quyển của nó, quang hoa, trong hình dạng của một vụ phun trào, hoặc chảy đều đặn về các hành tinh lân cận dưới dạng gió sao. 

Jin cho biết: ‘Gió sao liên tục bay ra từ một ngôi sao về phía các hành tinh lân cận của nó, ảnh hưởng đến môi trường của các hành tinh đó’.

Những ngôi sao trẻ hơn có xu hướng tạo ra những cơn gió sao nóng hơn, mạnh hơn và những vụ phun trào plasma dữ dội hơn.  Những đợt bùng phát như vậy có thể ảnh hưởng đến bầu khí quyển và hóa học của các hành tinh gần đó, và thậm chí có thể xúc tác cho sự phát triển của vật chất hữu cơ - những khối xây dựng nên sự sống trên các hành tinh đó. Gió sao có thể có tác động đáng kể đến các hành tinh đang ở bất kỳ giai đoạn nào của sự sống. 

Nhưng gió mạnh, có mật độ cao của các ngôi sao trẻ có thể nén các lá chắn từ trường bảo vệ của các hành tinh xung quanh, khiến chúng càng dễ bị ảnh hưởng bởi các tác động của các hạt mang điện hơn. 

Mặt trời là một ví dụ hoàn hảo về quá trình này và nó đã thay đổi như thế nào trong suốt thời gian tồn tại của nó, từ thanh niên đến trung niên.  So với bây giờ, khi mới chập chững biết đi, mặt trời của chúng ta có thể quay nhanh hơn gấp ba lần, có từ trường mạnh hơn và bắn ra bức xạ năng lượng có cường độ cao hơn. Ngày nay, đối với những người may mắn, tác động của những hạt này đôi khi có thể nhìn thấy gần các cực của hành tinh như cực quang, hoặc Cực quang phương Bắc và phương Nam. 

Airapetian nói rằng bốn tỷ năm trước những ánh sáng này có thể được nhìn thấy từ nhiều nơi khác nhau trên hành tinh so với ngày nay. 

Mức độ hoạt động cao đó trong những năm đầu của Mặt trời có thể đã đẩy lùi lớp từ trường bảo vệ của Trái đất, và cung cấp cho hành tinh những điều kiện hóa học và lớp khí quyển phù hợp để hình thành nên các phân tử sinh học đầu tiên.

Điều này sẽ không xảy ra đối với sao Kim, nơi đủ gần để làm cho bầu khí quyển của nó bị đốt cháy, hoặc sao Hỏa quá xa để bức xạ có thể đạt được ở cường độ mạnh. 

Các quá trình tương tự có thể diễn ra trong các hệ sao trên khắp thiên hà và vũ trụ của chúng ta, bao gồm cả ở Kappa 1 Ceti.

Airapetian nói: Ước mơ của tôi là tìm thấy một ngoại hành tinh bằng đá ở giai đoạn mà hành tinh của chúng ta đã ở hơn bốn tỷ năm trước, được định hình bởi ngôi sao trẻ, đang hoạt động và sẵn sàng để tạo ra sự sống”. 

“Hiểu được mặt trời của chúng ta như thế nào khi sự sống mới bắt đầu trên Trái đất sẽ giúp chúng ta tinh chỉnh việc tìm kiếm các ngôi sao có ngoại hành tinh có thể là nơi có sự sống.”

Nhiều cơ quan đã gửi thiết bị vào không gian có khả năng đo gió sao từ mặt trời - nhưng vẫn chưa thể quan sát trực tiếp gió sao của các ngôi sao khác trong thiên hà của chúng ta, như Kappa 1 Ceti, vì chúng ở quá xa.

Khi các nhà khoa học muốn nghiên cứu một sự kiện hoặc hiện tượng mà họ không thể quan sát trực tiếp, mô hình khoa học có thể giúp lấp đầy những khoảng trống. Trong khi các nhà khoa học đã mô hình hóa được gió sao từ ngôi sao này, Airapetian cho biết họ sử dụng các giả định đơn giản hơn so với nghiên cứu của NASA.

Cơ sở cho mô hình mới của Kappa 1 Ceti là Mô hình sóng Mặt Trời Alfvén, nằm trong Khung mô hình thời tiết không gian, hoạt động bằng cách nhập thông tin đã biết về một ngôi sao, bao gồm từ trường và dữ liệu đường phát tia cực tím của nó, để dự đoán gió sao hoạt động. 

Khi mô hình được thử nghiệm trên Mặt trời của chúng ta, nó đã được xác nhận và kiểm tra dựa trên dữ liệu quan sát được để xác minh rằng các dự đoán của nó là chính xác.

Jin cho biết: ‘Nó có khả năng mô hình hóa các luồng gió và quầng sáng của Mặt Trời với độ trung thực cao. Và đó là một mô hình chúng ta cũng có thể áp dụng trên các ngôi sao khác, để dự đoán gió sao của chúng và từ đó điều tra sự sống trên hành tin đó. Đó là những gì chúng tôi đang làm ở đây’.

Các nghiên cứu trước đây đã dựa trên dữ liệu được thu thập bởi Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh (TESS) và Kính viễn vọng Không gian Hubble (HST) để xác định rằng Kappa 1 Ceti là một mặt trời trẻ và thu thập các yếu tố đầu vào cần thiết cho mô hình, chẳng hạn như từ trường và tia cực tím phát ra cũng có thể cung cấp thông tin cần thiết về sự tiến hóa của hành tinh. 

Airapetian cho biết: ‘Mọi mô hình đều cần đầu vào để có đầu ra’ ông cho biết thêm rằng để có được đầu ra hữu ích, đầu vào cần phải từ một nguồn dữ liệu vững chắc hoặc nhiều nguồn. ‘Chúng tôi có tất cả dữ liệu từ Kappa 1 Ceti, nhưng chúng tôi thực sự tổng hợp nó trong mô hình này và vượt qua các nghiên cứu quan sát thuần túy trước đây về ngôi sao’.  

Nhóm nghiên cứu hiện đang thực hiện một dự án xem xét kỹ hơn các hạt có thể xuất hiện từ các tia sáng mặt trời ban đầu, cũng như hóa học tiền sinh học trên Trái đất.

Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ sử dụng mô hình của họ để lập bản đồ môi trường của các ngôi sao giống Mặt trời khác ở các giai đoạn sống khác nhau.

Cụ thể, họ để mắt đến ngôi sao trẻ sơ sinh EK Dra - cách chúng ta 111 năm ánh sáng và chỉ 100 triệu năm tuổi, nó có khả năng quay nhanh gấp ba lần và bắn ra nhiều tia sáng và plasma hơn Kappa 1 Ceti. Việc ghi lại trạng thái các ngôi sao tương tự ở các độ tuổi khác nhau sẽ giúp mô tả quỹ đạo điển hình của cuộc đời một ngôi sao.

Airapetian cho biết, công việc của họ là ‘nhìn vào Mặt trời của chúng ta, quá khứ và tương lai có thể có của nó, thông qua lăng kính của các ngôi sao khác’. 

Các phát hiện đã được công bố trên Astrophysical Journal.

Theo Tạp chí Điện tử