[Phần mềm di động: BoKeYuan] Bằng cách nghiên cứu các nguyên tố hóa học trên sao Hỏa, các nhà khoa học có thể ngược dòng lịch sử và ghép nối lại lịch sử của sao Hỏa, một hành tinh từng có đủ các điều kiện cần thiết để duy trì sự sống. Việc đan xen từng yếu tố của câu chuyện này từ Trái Đất cách xa khoảng 140 triệu dặm (225 triệu km) là một quá trình tỉ mỉ. Nhưng các nhà khoa học không phải là kiểu người dễ bị ngăn cản, và các tàu thăm dò và xe tự hành trên sao Hỏa đã xác nhận rằng Hành tinh Đỏ đã từng có nước lỏng, nhờ các manh mối bao gồm lòng sông khô, bờ biển cổ đại và thành phần hóa học bề mặt có tính mặn.
Sử dụng tàu thám hiểm Curiosity của NASA, các nhà khoa học đã tìm thấy bằng chứng về các hồ nước lâu đời trên sao Hỏa. Các hợp chất hữu cơ, thành phần hóa học cấu tạo nên sự sống, cũng đã được phát hiện. Sự kết hợp giữa nước lỏng và các hợp chất hữu cơ buộc các nhà khoa học phải tiếp tục tìm kiếm dấu hiệu của sự sống trong quá khứ hoặc hiện tại trên sao Hỏa. Bất chấp những bằng chứng hấp dẫn được tìm thấy cho đến nay, hiểu biết của các nhà khoa học về lịch sử sao Hỏa vẫn đang dần hé lộ, với một số câu hỏi lớn vẫn đang được tranh luận. Đầu tiên, bầu khí quyển cổ đại của sao Hỏa có đủ dày để giữ cho sao Hỏa ấm áp và ẩm ướt trong thời gian đủ dài để nảy mầm và nuôi dưỡng sự sống không?
Đối với các hợp chất hữu cơ: Chúng có phải là dấu hiệu của sự sống hay chỉ là dấu hiệu của phản ứng hóa học xảy ra khi đá trên sao Hỏa tương tác với nước và ánh sáng mặt trời? Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Astronomy, các nhà khoa học đã cung cấp một số hiểu biết để giúp trả lời những câu hỏi này. Thí nghiệm kéo dài nhiều năm này đang được tiến hành trong phòng thí nghiệm hóa học bên trong bụng Curiosity, được gọi là Phân tích mẫu trên sao Hỏa (SAM). Nghiên cứu phát hiện ra rằng một số khoáng chất trong đá của miệng núi lửa Gale có thể hình thành trong các hồ trên tảng băng. Những khoáng chất này có thể hình thành trong giai đoạn lạnh xen kẽ giữa các giai đoạn ấm, hoặc sau khi sao Hỏa mất đi phần lớn bầu khí quyển và bắt đầu trở nên lạnh vĩnh viễn.
Điều kiện lạnh giá và băng giá trên sao Hỏa
Gale Crater, có kích thước bằng Connecticut và Rhode Island cộng lại, được chọn làm địa điểm hạ cánh cho tàu thám hiểm Curiosity vì nơi đây có dấu hiệu của nước trong quá khứ, bao gồm các khoáng sét có thể đã giúp bẫy và bảo tồn các phân tử hữu cơ cổ đại. Trên thực tế, khi đang khám phá chân ngọn núi có tên là Núi Sharp ở trung tâm miệng núi lửa, Curiosity đã phát hiện ra một lớp trầm tích sâu 1.000 foot (304 mét) được lắng đọng dưới dạng bùn trong một hồ nước cổ đại. Để hình thành nên nhiều trầm tích như vậy, một lượng nước khổng lồ đã chảy vào các hồ này trong hàng triệu đến hàng chục triệu năm ấm áp và ẩm ướt.
Nhưng một số đặc điểm địa chất trong miệng núi lửa cũng gợi ý về quá khứ lạnh giá, băng giá. Heather Franz, nhà địa hóa học tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, cho biết: "Tại một thời điểm nào đó, các điều kiện trên bề mặt sao Hỏa hẳn đã trải qua quá trình chuyển đổi từ ấm và ẩm ướt sang lạnh và khô như ngày nay, nhưng thời điểm và cách thức chuyển đổi đó diễn ra chính xác vẫn còn là một bí ẩn". Franz, người đứng đầu nghiên cứu phân tích mẫu sao Hỏa, chỉ ra rằng các yếu tố như thay đổi độ nghiêng của sao Hỏa và lượng hoạt động núi lửa có thể khiến khí hậu sao Hỏa thay đổi giữa ấm và lạnh theo thời gian.
Sự biến đổi về thành phần hóa học và khoáng vật trong đá sao Hỏa ủng hộ ý tưởng này, cho thấy một số lớp được hình thành trong môi trường lạnh hơn và một số khác được hình thành trong môi trường ấm hơn. Bất chấp điều đó, một loạt dữ liệu được tàu thám hiểm Curiosity thu thập cho thấy nhóm nghiên cứu đang nhìn thấy bằng chứng về sự thay đổi khí hậu trên sao Hỏa được ghi lại trong đá. Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng về môi trường cổ đại lạnh giá của sao Hỏa sau khi Phòng thí nghiệm phân tích mẫu tại sao Hỏa chiết xuất carbon dioxide và oxy từ 13 mẫu bụi và đá mà Curiosity thu thập trong năm năm trên Trái Đất (năm trên Trái Đất so với năm trên Sao Hỏa).
Carbon và oxy trong câu chuyện khí hậu sao Hỏa
Carbon dioxide là một phân tử bao gồm một nguyên tử carbon liên kết với hai nguyên tử oxy, và carbon là nhân chứng quan trọng cho khí hậu bí ẩn của sao Hỏa. Trên thực tế, thành phần đơn giản và đa năng này cũng quan trọng như nước trong quá trình tìm kiếm sự sống ở nơi khác. Trên Trái Đất, carbon liên tục chảy qua không khí, nước và bề mặt đất, một chu trình mà chúng ta đều biết là phụ thuộc vào sự sống. Ví dụ, thực vật hấp thụ carbon từ khí quyển dưới dạng carbon dioxide. Đổi lại, chúng sản xuất ra oxy, thứ mà con người và hầu hết các dạng sống khác sử dụng để hô hấp. Cuối cùng, cacbon được giải phóng trở lại không khí thông qua cacbon dioxit hoặc vào lớp vỏ Trái Đất khi các dạng sống chết đi và bị chôn vùi.
Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng chu trình cacbon cũng xảy ra trên sao Hỏa và đang nỗ lực tìm hiểu nó. Có lẽ có rất ít nước trên Hành tinh Đỏ, sự sống có thể đã từng phong phú trên bề mặt của hành tinh này và chu trình cacbon rất khác so với Trái Đất, ít nhất là trong 3 tỷ năm qua. "Tuy nhiên, chu trình cacbon vẫn tiếp tục và vẫn quan trọng vì nó không chỉ giúp tiết lộ thông tin về khí hậu cổ đại của sao Hỏa mà còn cho chúng ta thấy rằng sao Hỏa là một hành tinh năng động, tuần hoàn các nguyên tố và các nguyên tố đó là nền tảng của sự sống", Paul Mahaffy, giám đốc bộ phận tại NASA Goddard và là nhà nghiên cứu chính của SAM cho biết.
Cung cấp điều kiện
Sau khi Curiosity chuyển các mẫu đá và bụi đến phòng thí nghiệm Phân tích mẫu trên Sao Hỏa, nó sẽ làm nóng từng mẫu đến gần 1.650 độ F (900 độ C) để giải phóng các khí bên trong. Bằng cách quan sát nhiệt độ giải phóng carbon dioxide và oxy, các nhà khoa học có thể biết các khí này đến từ loại khoáng chất nào, thông tin này có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về chu trình carbon trên sao Hỏa. Nhiều nghiên cứu cho rằng bầu khí quyển cổ đại của sao Hỏa, chủ yếu bao gồm carbon dioxide, có thể dày hơn bầu khí quyển của Trái Đất. Phần lớn chúng đã bị thất thoát vào không gian, nhưng một số có thể được lưu trữ trong các tảng đá trên bề mặt sao Hỏa, đặc biệt là dưới dạng cacbonat, khoáng chất tạo thành từ cacbon và oxy.
Trên Trái Đất, cacbonat được tạo thành khi carbon dioxide từ không khí được hấp thụ bởi đại dương và các vùng nước khác rồi khoáng hóa thành đá. Các nhà khoa học cho rằng quá trình tương tự cũng đang diễn ra trên sao Hỏa và điều này có thể giúp giải thích những gì đã xảy ra với một phần bầu khí quyển của hành tinh này. Tuy nhiên, các sứ mệnh thám hiểm sao Hỏa vẫn chưa phát hiện đủ cacbonat trên bề mặt sao Hỏa để duy trì bầu khí quyển dày. Tuy nhiên, một số ít cacbonat mà phân tích mẫu sao Hỏa phát hiện đã tiết lộ một số thông tin thú vị về khí hậu sao Hỏa thông qua các đồng vị cacbon và oxy được lưu trữ trong chúng — các phiên bản khác nhau của một nguyên tố có khối lượng khác nhau.
Do các quá trình hóa học khác nhau, từ quá trình hình thành đá đến hoạt động sinh học, sử dụng các đồng vị này theo tỷ lệ khác nhau nên tỷ lệ đồng vị nặng so với đồng vị nhẹ trong đá cung cấp cho các nhà khoa học manh mối về cách hình thành đá. Trong một số mẫu cacbonat tìm thấy khi phân tích các mẫu trên sao Hỏa, các nhà khoa học nhận thấy các đồng vị oxy nhẹ hơn so với các đồng vị trong bầu khí quyển sao Hỏa. Điều này cho thấy rằng cacbonat không được hình thành từ lâu chỉ bằng cách hấp thụ carbon dioxide trong khí quyển vào các hồ. Nếu đúng như vậy, các đồng vị oxy trong đá sẽ nặng hơn một chút so với các đồng vị oxy trong không khí. Mặc dù cacbonat có thể hình thành từ rất sớm trong lịch sử sao Hỏa, nhưng thành phần của bầu khí quyển khi đó hơi khác so với ngày nay.
Lượng carbon đó đi đâu?
Nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng khả năng cao là cacbonat được hình thành trong các hồ đóng băng. Trong trường hợp này, băng có thể hấp thụ các đồng vị oxy nặng và để lại các đồng vị nhẹ nhất, sau đó tạo thành cacbonat. Các nhà khoa học khác của Curiosity cũng đã đưa ra bằng chứng cho thấy có thể có một hồ băng trong Gale Crater. Hàm lượng cacbonat thấp trên sao Hỏa là điều khó hiểu; nếu Gale Crater không có nhiều khoáng chất này, có lẽ bầu khí quyển ban đầu của sao Hỏa mỏng hơn dự kiến, hoặc có lẽ có thứ gì đó khác đang lưu trữ lượng carbon còn thiếu trong khí quyển.
Theo phân tích, một số carbon có thể được cô lập trong các khoáng chất khác, chẳng hạn như oxalat, có chức năng lưu trữ carbon và oxy trong một cấu trúc khác với cacbonat. Giả thuyết này dựa trên nhiệt độ mà một số mẫu bên trong quá trình phân tích mẫu sao Hỏa giải phóng carbon dioxide (quá thấp đối với cacbonat nhưng vừa đủ đối với oxalat) và tỷ lệ đồng vị carbon và oxy khác với những gì các nhà khoa học thấy trong cacbonat. Oxalat là loại khoáng chất hữu cơ phổ biến nhất được thực vật trên Trái Đất tạo ra, nhưng oxalate cũng có thể được tạo ra ngay cả khi không có sinh vật sống.
Mô hình phân tử cacbonat
Một cách là thông qua sự tương tác của carbon dioxide trong khí quyển với khoáng chất bề mặt, nước và ánh sáng mặt trời, một quá trình được gọi là quang hợp phi sinh học. Hóa chất này rất khó tìm thấy trên Trái Đất, nơi có sự sống dồi dào, nhưng nhóm nghiên cứu hy vọng có thể tạo ra quá trình quang hợp phi sinh học trong phòng thí nghiệm để tìm hiểu xem liệu nó có thực sự tạo ra hóa chất cacbon trong hố Gale hay không. Trên Trái Đất, quá trình quang hợp phi sinh học có thể đã mở đường cho quá trình quang hợp ở một số dạng sống vi mô sớm nhất, đó là lý do tại sao việc phát hiện ra quá trình quang hợp trên các hành tinh khác lại được các nhà sinh vật học vũ trụ quan tâm.
Ngay cả khi quá trình quang hợp phi sinh học khóa một số cacbon trong khí quyển vào đá Gale Crater, các nhà nghiên cứu vẫn muốn nghiên cứu đất và bụi từ các khu vực khác nhau trên sao Hỏa để xem liệu kết quả ở Gale Crater có phản ánh bức tranh toàn cầu về sao Hỏa hay không. Có lẽ một ngày nào đó chúng ta sẽ có cơ hội thực hiện điều đó: Tàu thám hiểm Perseverance của NASA dự kiến sẽ phóng lên sao Hỏa vào khoảng tháng 7 đến tháng 8 năm 2020 và có kế hoạch thu thập các mẫu vật tại miệng núi lửa Jezero trên sao Hỏa để có thể mang về các phòng thí nghiệm trên Trái Đất.
Bác Khắc Nguyên | Nghiên cứu/Từ: Trung tâm bay vũ trụ Goddard của NASA
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Astronomy
BoKeYuan｜Khoa học, công nghệ, nghiên cứu, khoa học phổ thông
Theo dõi [Bokeyuan] để xem thêm nhiều khoa học vũ trụ đẹp hơn
