Một khái niệm nhiệm vụ mới sẽ chứng kiến một đội tàu kính viễn vọng thăm dò các hành tinh đá trong vùng có thể sinh sống của các ngôi sao của chúng sẽ có thể cho chúng ta biết sự sống phổ biến như thế nào trong vũ trụ — ngay cả khi nhiệm vụ không tìm thấy bất kỳ sự sống nào.
"Một phát hiện tích cực đơn giản sẽ thay đổi mọi thứ", nhà thiên văn học Daniel Angerhausen của ETH Zurich ở Thụy Sĩ cho biết trong statement. "Nhưng ngay cả khi chúng ta không phát hiện ra sự sống, chúng ta vẫn có thể định lượng được mức độ hiếm – hoặc phổ biến – của các hành tinh có dấu hiệu sinh học có thể phát hiện được."
LIFE, Máy đo giao thoa lớn dành cho các ngoại hành tinh, là một đề xuất cho một sứ mệnh mới đầy tham vọng được thiết kế để tiết lộ có bao nhiêu hành tinh giống Trái Đất ngoài kia có sự sống. Đây là kế hoạch.
Dẫn đầu bởi các nhà thiên văn học ETH Zurich, khái niệm nhiệm vụ đề xuất bốn kính viễn vọng không gian bay theo đội hình xung quanh một tàu vũ trụ "kết hợp" trung tâm. Ý tưởng là bốn kính viễn vọng không gian sẽ bay cách nhau hàng chục đến hàng trăm mét và cùng hoạt động như một giao thoa kế, nghĩa là chúng sẽ kết hợp các phát hiện ánh sáng của mình bằng cách cung cấp tín hiệu cho tàu vũ trụ kết hợp trung tâm. Hơn nữa, để chặn ánh sáng chói của một ngôi sao để LIFE có thể phát hiện các ngoại hành tinh đang quay quanh, các kính viễn vọng sẽ sử dụng một kỹ thuật được gọi là "giao thoa kế vô hiệu", theo đó ánh sáng của ngôi sao được kết hợp "lệch pha". Điều này sẽ cho phép cái gọi là "sự giao thoa phá hủy" triệt tiêu ánh sáng đó, chỉ để lại ánh sáng phát ra từ các hành tinh quay quanh.
LIFE sẽ không thể chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh, nhưng bằng cách quan sát ở vùng hồng ngoại trung bình, nó sẽ có thể đo ánh sáng của chúng bằng phương pháp quang phổ và tiết lộ những phân tử nào có trong bầu khí quyển của chúng (nếu chúng có).
LIFE sẽ nhắm mục tiêu đến hàng chục hành tinh có kích thước bằng Trái Đất trong vùng có thể ở được của các ngôi sao của chúng, với hy vọng tìm thấy các dấu hiệu sinh học, là các loại khí trong khí quyển được tạo ra hoặc duy trì cân bằng bởi sự sống. Những thứ như oxy và hơi nước là những dấu hiệu sinh học rõ ràng nhất, nhưng những thứ khác bao gồm ozone, methane, nitrous oxide, dimethyl sulfide và phosphine, để kể tên một vài.
Tuy nhiên, hiện tại, LIFE chỉ là một khái niệm. Nó vẫn chưa được một cơ quan vũ trụ nào áp dụng.
Tuy nhiên, Angerhausen và các đồng nghiệp tại ETH Zurich muốn tìm hiểu xem LIFE có thể cho chúng ta biết bao nhiêu, ngay cả khi nó không tìm thấy dấu hiệu sinh học. Một kết quả âm hoặc không có nghĩa lý gì về tần suất các hành tinh có người ở trong thiên hà? Để làm được điều này, họ đã chuyển sang thống kê.
Vì vậy, trước khi đi sâu hơn, chúng ta cũng cần đi sâu vào thế giới thống kê để hiểu kết luận của họ.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình thống kê Bayesian để tìm ra số lượng nhỏ nhất các ngoại hành tinh mà LIFE cần quan sát để đưa ra câu trả lời chắc chắn về mức độ phổ biến của các thế giới có người ở. Thống kê Bayesian liên quan đến việc tìm ra xác suất của một kết quả dựa trên các xác suất khác mà chúng ta đã biết (những xác suất này được mô tả là "trước"). Thống kê Bayesian mô tả mức độ tự tin hoặc niềm tin mà chúng ta có rằng một sự kiện sẽ xảy ra dựa trên những gì chúng ta biết về một tình huống nhất định.
Đối với một ví dụ trần tục, giả sử bạn nghe thấy một tiếng nổ lớn. Đó có phải là sấm sét không? Có lẽ là pháo hoa? Thống kê Bayesian cho phép bạn suy ra câu trả lời dựa trên xác suất của các xác suất trước, chẳng hạn như biết liệu pháo hoa thường được bắn vào một số thời điểm nhất định trong năm (như đêm giao thừa, ngày 4 tháng 7 ở Hoa Kỳ và Đêm lửa trại ở Vương quốc Anh) hay thời tiết được dự báo là có giông bão. Dựa trên các xác suất trước này, thống kê Bayesian cho phép bạn định lượng niềm tin của mình về việc đó là sấm sét hay pháo hoa.
Trái ngược với thống kê Bayesian, một cách khác để xem xét xác suất là "thống kê tần suất". Như tên gọi của nó, thống kê này mô tả xác suất của một kết quả dựa trên tần suất sự kiện đó xảy ra sau nhiều lần thử.
Không giống như thống kê Bayesian, thống kê tần suất không quan tâm đến các xác suất trước. Khi tung đồng xu, thống kê tần suất không quan tâm đến việc liệu bốn lần tung trước đó có đều rơi vào mặt ngửa hay không. Giả sử một đồng xu không thiên vị, khả năng nó rơi vào mặt sấp hay mặt ngửa luôn là 50% và sau một số lần thử đủ cao thì xác suất 50% này sẽ xuất hiện rõ ràng trong dữ liệu.
Vậy, quay lại câu hỏi: LIFE có thể quan sát bao nhiêu hành tinh và không tìm thấy bất kỳ dấu hiệu sinh học nào trước khi các nhà thiên văn học có thể bắt đầu đưa ra kết luận về sự phổ biến của sự sống trong thiên hà? Thông qua việc sử dụng thống kê Bayesian, nhóm của Angerhausen phát hiện ra rằng chỉ cần quan sát từ 40 đến 80 ngoại hành tinh mà không phát hiện được dấu hiệu sinh học nào là có thể kết luận chắc chắn rằng ít hơn 10 đến 20% các hành tinh tương tự trong vũ trụ có sự sống. Khảo sát nhiều ngoại hành tinh như vậy nằm trong khả năng đã lên kế hoạch của LIFE.
Nếu LIFE không phát hiện thấy dấu hiệu sinh học nào trên mẫu hành tinh của mình, thì nó không thể kết luận rằng không có sự sống ở bất cứ đâu, nhưng nó có thể đặt ra giới hạn tối đa về số lượng hành tinh trong thiên hà có sự sống. Và khi quy mô mẫu tăng lên, nếu vẫn không phát hiện được gì, thì con số tối đa đó sẽ giảm hơn nữa. Nói cách khác, LIFE có thể cho chúng ta biết liệu các hành tinh có người ở có hiếm hay không.
Tuy nhiên, sẽ có những điều không chắc chắn. Có lẽ một dấu hiệu sinh học sẽ bị bỏ sót — xét cho cùng, một số loại khí này không dễ phát hiện. Hoặc có lẽ một số hành tinh sẽ bị nhầm lẫn khi được đưa vào mẫu các hành tinh có khả năng có người ở khi trên thực tế, chúng không đáp ứng các yêu cầu để được coi là có khả năng có người ở ngay từ đầu. Một lần nữa, điều này có thể xảy ra vì việc quan sát rất khó khăn.
"Không chỉ là số lượng hành tinh mà chúng ta quan sát được, mà còn là việc đặt câu hỏi đúng và mức độ tự tin của chúng ta trong việc nhìn thấy hay không nhìn thấy những gì chúng ta đang tìm kiếm", Angerhausen cho biết. "Nếu chúng ta không cẩn thận và quá tự tin vào khả năng xác định sự sống của mình, ngay cả một cuộc khảo sát lớn cũng có thể dẫn đến kết quả sai lệch".
Để kiểm tra kết luận của mình, Angerhausen và các đồng nghiệp cũng đã áp dụng thống kê tần suất vào vấn đề này. Họ thấy kết quả tương tự nhau.
Các bài viết liên quan:
— Sự sống ngoài hành tinh có thể phát triển mạnh trên các ngoại hành tinh 'hycean' lớn
— Điều gì thực sự khiến một hành tinh có thể sinh sống được? Giả định của chúng ta có thể sai
— 10 ngoại hành tinh có thể có sự sống ngoài hành tinh
"Những thay đổi nhỏ trong mục tiêu khoa học của một cuộc khảo sát có thể yêu cầu các phương pháp thống kê khác nhau để cung cấp câu trả lời đáng tin cậy và chính xác", Emily Garvin, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại ETH Zurich cho biết. "Chúng tôi muốn chỉ ra cách các phương pháp tiếp cận riêng biệt cung cấp sự hiểu biết bổ sung cho cùng một tập dữ liệu và theo cách này, đưa ra lộ trình để áp dụng các khuôn khổ khác nhau."
Nếu may mắn, nếu sứ mệnh LIFE hoặc một sứ mệnh tương tự nào đó được tiến hành, nó sẽ tìm thấy một hành tinh hoặc các hành tinh có sự sống ở một số dạng. Nhưng ngay cả khi không, kết quả vẫn có thể rất sâu sắc và đưa chúng ta tiến gần hơn một bước tới việc hiểu vị trí của mình trong vũ trụ.
Nghiên cứu được công bố vào ngày 7 tháng 4 trên Tạp chí Thiên văn học.
"Một phát hiện tích cực đơn giản sẽ thay đổi mọi thứ", nhà thiên văn học Daniel Angerhausen của ETH Zurich ở Thụy Sĩ cho biết trong statement. "Nhưng ngay cả khi chúng ta không phát hiện ra sự sống, chúng ta vẫn có thể định lượng được mức độ hiếm – hoặc phổ biến – của các hành tinh có dấu hiệu sinh học có thể phát hiện được."
LIFE, Máy đo giao thoa lớn dành cho các ngoại hành tinh, là một đề xuất cho một sứ mệnh mới đầy tham vọng được thiết kế để tiết lộ có bao nhiêu hành tinh giống Trái Đất ngoài kia có sự sống. Đây là kế hoạch.
Dẫn đầu bởi các nhà thiên văn học ETH Zurich, khái niệm nhiệm vụ đề xuất bốn kính viễn vọng không gian bay theo đội hình xung quanh một tàu vũ trụ "kết hợp" trung tâm. Ý tưởng là bốn kính viễn vọng không gian sẽ bay cách nhau hàng chục đến hàng trăm mét và cùng hoạt động như một giao thoa kế, nghĩa là chúng sẽ kết hợp các phát hiện ánh sáng của mình bằng cách cung cấp tín hiệu cho tàu vũ trụ kết hợp trung tâm. Hơn nữa, để chặn ánh sáng chói của một ngôi sao để LIFE có thể phát hiện các ngoại hành tinh đang quay quanh, các kính viễn vọng sẽ sử dụng một kỹ thuật được gọi là "giao thoa kế vô hiệu", theo đó ánh sáng của ngôi sao được kết hợp "lệch pha". Điều này sẽ cho phép cái gọi là "sự giao thoa phá hủy" triệt tiêu ánh sáng đó, chỉ để lại ánh sáng phát ra từ các hành tinh quay quanh.
LIFE sẽ không thể chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh, nhưng bằng cách quan sát ở vùng hồng ngoại trung bình, nó sẽ có thể đo ánh sáng của chúng bằng phương pháp quang phổ và tiết lộ những phân tử nào có trong bầu khí quyển của chúng (nếu chúng có).
LIFE sẽ nhắm mục tiêu đến hàng chục hành tinh có kích thước bằng Trái Đất trong vùng có thể ở được của các ngôi sao của chúng, với hy vọng tìm thấy các dấu hiệu sinh học, là các loại khí trong khí quyển được tạo ra hoặc duy trì cân bằng bởi sự sống. Những thứ như oxy và hơi nước là những dấu hiệu sinh học rõ ràng nhất, nhưng những thứ khác bao gồm ozone, methane, nitrous oxide, dimethyl sulfide và phosphine, để kể tên một vài.
Tuy nhiên, hiện tại, LIFE chỉ là một khái niệm. Nó vẫn chưa được một cơ quan vũ trụ nào áp dụng.
Tuy nhiên, Angerhausen và các đồng nghiệp tại ETH Zurich muốn tìm hiểu xem LIFE có thể cho chúng ta biết bao nhiêu, ngay cả khi nó không tìm thấy dấu hiệu sinh học. Một kết quả âm hoặc không có nghĩa lý gì về tần suất các hành tinh có người ở trong thiên hà? Để làm được điều này, họ đã chuyển sang thống kê.
Vì vậy, trước khi đi sâu hơn, chúng ta cũng cần đi sâu vào thế giới thống kê để hiểu kết luận của họ.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng mô hình thống kê Bayesian để tìm ra số lượng nhỏ nhất các ngoại hành tinh mà LIFE cần quan sát để đưa ra câu trả lời chắc chắn về mức độ phổ biến của các thế giới có người ở. Thống kê Bayesian liên quan đến việc tìm ra xác suất của một kết quả dựa trên các xác suất khác mà chúng ta đã biết (những xác suất này được mô tả là "trước"). Thống kê Bayesian mô tả mức độ tự tin hoặc niềm tin mà chúng ta có rằng một sự kiện sẽ xảy ra dựa trên những gì chúng ta biết về một tình huống nhất định.
Đối với một ví dụ trần tục, giả sử bạn nghe thấy một tiếng nổ lớn. Đó có phải là sấm sét không? Có lẽ là pháo hoa? Thống kê Bayesian cho phép bạn suy ra câu trả lời dựa trên xác suất của các xác suất trước, chẳng hạn như biết liệu pháo hoa thường được bắn vào một số thời điểm nhất định trong năm (như đêm giao thừa, ngày 4 tháng 7 ở Hoa Kỳ và Đêm lửa trại ở Vương quốc Anh) hay thời tiết được dự báo là có giông bão. Dựa trên các xác suất trước này, thống kê Bayesian cho phép bạn định lượng niềm tin của mình về việc đó là sấm sét hay pháo hoa.
Trái ngược với thống kê Bayesian, một cách khác để xem xét xác suất là "thống kê tần suất". Như tên gọi của nó, thống kê này mô tả xác suất của một kết quả dựa trên tần suất sự kiện đó xảy ra sau nhiều lần thử.
Không giống như thống kê Bayesian, thống kê tần suất không quan tâm đến các xác suất trước. Khi tung đồng xu, thống kê tần suất không quan tâm đến việc liệu bốn lần tung trước đó có đều rơi vào mặt ngửa hay không. Giả sử một đồng xu không thiên vị, khả năng nó rơi vào mặt sấp hay mặt ngửa luôn là 50% và sau một số lần thử đủ cao thì xác suất 50% này sẽ xuất hiện rõ ràng trong dữ liệu.
Vậy, quay lại câu hỏi: LIFE có thể quan sát bao nhiêu hành tinh và không tìm thấy bất kỳ dấu hiệu sinh học nào trước khi các nhà thiên văn học có thể bắt đầu đưa ra kết luận về sự phổ biến của sự sống trong thiên hà? Thông qua việc sử dụng thống kê Bayesian, nhóm của Angerhausen phát hiện ra rằng chỉ cần quan sát từ 40 đến 80 ngoại hành tinh mà không phát hiện được dấu hiệu sinh học nào là có thể kết luận chắc chắn rằng ít hơn 10 đến 20% các hành tinh tương tự trong vũ trụ có sự sống. Khảo sát nhiều ngoại hành tinh như vậy nằm trong khả năng đã lên kế hoạch của LIFE.
Nếu LIFE không phát hiện thấy dấu hiệu sinh học nào trên mẫu hành tinh của mình, thì nó không thể kết luận rằng không có sự sống ở bất cứ đâu, nhưng nó có thể đặt ra giới hạn tối đa về số lượng hành tinh trong thiên hà có sự sống. Và khi quy mô mẫu tăng lên, nếu vẫn không phát hiện được gì, thì con số tối đa đó sẽ giảm hơn nữa. Nói cách khác, LIFE có thể cho chúng ta biết liệu các hành tinh có người ở có hiếm hay không.
Tuy nhiên, sẽ có những điều không chắc chắn. Có lẽ một dấu hiệu sinh học sẽ bị bỏ sót — xét cho cùng, một số loại khí này không dễ phát hiện. Hoặc có lẽ một số hành tinh sẽ bị nhầm lẫn khi được đưa vào mẫu các hành tinh có khả năng có người ở khi trên thực tế, chúng không đáp ứng các yêu cầu để được coi là có khả năng có người ở ngay từ đầu. Một lần nữa, điều này có thể xảy ra vì việc quan sát rất khó khăn.
"Không chỉ là số lượng hành tinh mà chúng ta quan sát được, mà còn là việc đặt câu hỏi đúng và mức độ tự tin của chúng ta trong việc nhìn thấy hay không nhìn thấy những gì chúng ta đang tìm kiếm", Angerhausen cho biết. "Nếu chúng ta không cẩn thận và quá tự tin vào khả năng xác định sự sống của mình, ngay cả một cuộc khảo sát lớn cũng có thể dẫn đến kết quả sai lệch".
Để kiểm tra kết luận của mình, Angerhausen và các đồng nghiệp cũng đã áp dụng thống kê tần suất vào vấn đề này. Họ thấy kết quả tương tự nhau.
Các bài viết liên quan:
— Sự sống ngoài hành tinh có thể phát triển mạnh trên các ngoại hành tinh 'hycean' lớn
— Điều gì thực sự khiến một hành tinh có thể sinh sống được? Giả định của chúng ta có thể sai
— 10 ngoại hành tinh có thể có sự sống ngoài hành tinh
"Những thay đổi nhỏ trong mục tiêu khoa học của một cuộc khảo sát có thể yêu cầu các phương pháp thống kê khác nhau để cung cấp câu trả lời đáng tin cậy và chính xác", Emily Garvin, một nghiên cứu sinh tiến sĩ tại ETH Zurich cho biết. "Chúng tôi muốn chỉ ra cách các phương pháp tiếp cận riêng biệt cung cấp sự hiểu biết bổ sung cho cùng một tập dữ liệu và theo cách này, đưa ra lộ trình để áp dụng các khuôn khổ khác nhau."
Nếu may mắn, nếu sứ mệnh LIFE hoặc một sứ mệnh tương tự nào đó được tiến hành, nó sẽ tìm thấy một hành tinh hoặc các hành tinh có sự sống ở một số dạng. Nhưng ngay cả khi không, kết quả vẫn có thể rất sâu sắc và đưa chúng ta tiến gần hơn một bước tới việc hiểu vị trí của mình trong vũ trụ.
Nghiên cứu được công bố vào ngày 7 tháng 4 trên Tạp chí Thiên văn học.
