Bài viết này ban đầu được xuất bản tại The Conversation. Ấn phẩm này đã đóng góp bài viết cho Expert Voices: Op-Ed & Insights của Space.com.
Việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất là động lực chính của thiên văn học hiện đại và khoa học hành tinh. Hoa Kỳ đang xây dựng nhiều kính thiên văn lớn và tàu thăm dò hành tinh để thúc đẩy cuộc tìm kiếm này. Tuy nhiên, các dấu hiệu của sự sống – được gọi là dấu hiệu sinh học – mà các nhà khoa học có thể tìm thấy có thể sẽ khó hiểu. Việc xác định chính xác nơi cần tìm cũng vẫn còn là một thách thức.
Tôi là một nhà vật lý thiên văn và nhà sinh vật học thiên văn với hơn 20 năm kinh nghiệm nghiên cứu các hành tinh ngoài hệ mặt trời – tức là các hành tinh nằm ngoài hệ mặt trời của chúng ta.
Tôi và các đồng nghiệp đã phát triển một phương pháp tiếp cận mới giúp xác định các hành tinh hoặc vệ tinh thú vị nhất để tìm kiếm sự sống và giúp giải thích các dấu hiệu sinh học tiềm năng. Chúng tôi thực hiện điều này bằng cách mô hình hóa cách các sinh vật khác nhau có thể tồn tại trong các môi trường khác nhau, dựa trên các nghiên cứu về giới hạn của sự sống trên Trái đất.
Tôi và các đồng nghiệp đang phát triển một khái niệm khác, Nautilus là chòm sao kính viễn vọng không gian, được thiết kế để nghiên cứu hàng trăm hành tinh có khả năng giống Trái Đất khi chúng đi qua trước các ngôi sao chủ của chúng.
Những kính viễn vọng này và các kính viễn vọng tương lai khác nhằm mục đích cung cấp các nghiên cứu nhạy cảm hơn về nhiều thế giới ngoài hành tinh hơn. Sự phát triển của chúng gợi ra hai câu hỏi quan trọng: "Tìm kiếm ở đâu?" và “Môi trường mà chúng ta nghĩ rằng mình nhìn thấy dấu hiệu của sự sống có thực sự có thể sinh sống được không?”
Những tuyên bố gây tranh cãi mạnh mẽ về dấu hiệu sự sống tiềm tàng trên ngoại hành tinh K2-18b, được công bố vào tháng 4 năm 2025 và các tuyên bố tương tự trước đó ở sao Kim, cho thấy việc xác định một cách thuyết phục sự hiện diện của sự sống từ cảm biến từ xa dữ liệu.
Nói một cách đơn giản, phương châm của NASA là "đi theo dòng nước". Điều này có lý – nước là yếu tố thiết yếu đối với mọi sự sống trên Trái Đất mà chúng ta biết. Một hành tinh có nước lỏng cũng sẽ có môi trường ôn đới. Nhiệt độ sẽ không quá lạnh đến mức làm chậm các phản ứng hóa học, cũng không quá nóng đến mức phá hủy các phân tử phức tạp cần thiết cho sự sống.
Tuy nhiên, với khả năng ngày càng phát triển của các nhà thiên văn học trong việc mô tả các thế giới ngoài hành tinh, các nhà sinh vật học vũ trụ cần một phương pháp định lượng và tinh tế hơn so với phân loại có nước hoặc không có nước.
Hơn một trăm đồng nghiệp đã cung cấp cho chúng tôi các ý tưởng và hai câu hỏi thường được nêu ra:
Đầu tiên, làm sao chúng ta biết được sự sống cần gì, nếu chúng ta không hiểu đầy đủ về sự sống ngoài Trái Đất? Các nhà khoa học biết rất nhiều về sự sống trên Trái Đất, nhưng hầu hết các nhà sinh vật học vũ trụ đều đồng ý rằng có thể có những dạng sống kỳ lạ hơn – có lẽ dựa trên sự kết hợp khác nhau của các nguyên tố hóa học và dung môi. Làm sao chúng ta xác định được những điều kiện mà những dạng sống khác đó có thể cần?
Thứ hai, cách tiếp cận này phải sử dụng dữ liệu không đầy đủ. Các địa điểm tiềm năng cho sự sống ngoài Trái Đất – “môi trường sống ngoài hệ mặt trời” – rất khó để nghiên cứu trực tiếp và thường không thể đến thăm và lấy mẫu.
Ví dụ, bề mặt dưới sao Hỏa phần lớn vẫn nằm ngoài tầm với của chúng ta. Những nơi như mặt trăng của Sao Mộc Mặt trăng của Europa và Sao Thổ Các đại dương ngầm của Enceladus và tất cả các hành tinh ngoài hệ mặt trời vẫn thực tế là không thể tiếp cận được. Các nhà khoa học nghiên cứu chúng một cách gián tiếp, thường chỉ sử dụng các quan sát từ xa. Những phép đo này không thể cho bạn biết nhiều như các mẫu thực tế.
Tệ hơn nữa, các phép đo thường có sự không chắc chắn. Ví dụ, chúng ta có thể chỉ tự tin 88% rằng hơi nước có trong bầu khí quyển của một ngoại hành tinh. Khung của chúng ta phải có khả năng hoạt động với lượng dữ liệu nhỏ và xử lý được sự không chắc chắn. Và, chúng ta cần chấp nhận rằng câu trả lời thường không phải là đen hoặc trắng.
Đầu tiên, chúng tôi không còn cố gắng trả lời câu hỏi mơ hồ về "có thể sống được" nữa mà thu hẹp lại thành một câu hỏi cụ thể hơn và có thể trả lời được trên thực tế: Liệu các điều kiện trong môi trường sống - như chúng ta biết - có cho phép một loài hoặc hệ sinh thái cụ thể (đã biết hoặc chưa biết) tồn tại hay không?
Ngay cả trên Trái đất, các sinh vật cũng cần các điều kiện khác nhau để tồn tại - không có lạc đà ở Nam Cực. Bằng cách nói về các sinh vật cụ thể, chúng tôi đã giúp câu hỏi dễ trả lời hơn.
Thứ hai, khuôn khổ khả năng sinh sống định lượng không nhấn mạnh vào các câu trả lời trắng đen. Nó so sánh các mô hình máy tính để tính toán một câu trả lời xác suất. Thay vì cho rằng nước lỏng là một yếu tố hạn chế chính, chúng tôi so sánh sự hiểu biết của mình về các điều kiện mà một sinh vật cần có ("mô hình sinh vật") với sự hiểu biết của chúng tôi về các điều kiện hiện diện trong môi trường ("mô hình môi trường sống").
Cả hai đều có sự không chắc chắn. Sự hiểu biết của chúng ta về từng điều kiện có thể không đầy đủ. Tuy nhiên, chúng ta có thể xử lý những sự không chắc chắn đó bằng toán học. Bằng cách so sánh hai mô hình, chúng ta có thể xác định xác suất một sinh vật và một môi trường sống tương thích.
Một ví dụ đơn giản, mô hình môi trường sống của chúng ta đối với Nam Cực có thể nêu rằng nhiệt độ thường dưới mức đóng băng. Và mô hình sinh vật của chúng ta đối với một con lạc đà có thể nêu rằng nó không sống lâu trong điều kiện nhiệt độ lạnh. Không có gì ngạc nhiên khi chúng ta dự đoán đúng xác suất gần bằng không rằng Nam Cực là môi trường sống tốt cho lạc đà.
Chúng tôi đã có một khoảng thời gian tuyệt vời khi làm việc với dự án này. Để nghiên cứu giới hạn của sự sống, chúng tôi đã thu thập dữ liệu tài liệu về các sinh vật cực đoan, từ các loài côn trùng sống ở dãy Himalaya ở độ cao lớn và nhiệt độ thấp đến các vi sinh vật phát triển mạnh trong các lỗ thông thủy nhiệt trên đáy đại dương và ăn năng lượng hóa học.
Chúng tôi đã khám phá, thông qua các mô hình của mình, liệu chúng có thể sống sót ở lớp dưới bề mặt sao Hỏa hay trong các đại dương của Europa hay không. Chúng tôi cũng nghiên cứu xem vi khuẩn biển tạo ra oxy trong các đại dương của Trái đất có khả năng sống sót trên các hành tinh ngoài hệ mặt trời đã biết hay không.
Mặc dù toàn diện và chi tiết, nhưng cách tiếp cận này đưa ra những đơn giản hóa quan trọng. Ví dụ, nó vẫn chưa mô hình hóa được cách sự sống có thể định hình nên hành tinh, cũng như chưa tính đến đầy đủ các chất dinh dưỡng mà sinh vật có thể cần. Những sự đơn giản hóa này là có chủ đích.
Trong hầu hết các môi trường mà chúng ta hiện đang nghiên cứu, chúng ta biết quá ít về các điều kiện để có thể cố gắng xây dựng các mô hình như vậy một cách có ý nghĩa – ngoại trừ một số thiên thể trong hệ mặt trời, chẳng hạn như Enceladus của Sao Thổ.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Các hành tinh siêu thích hợp cho sự sống: Các thế giới ngoài hành tinh có thể thích hợp cho sự sống hơn Trái Đất
— Một ngoại hành tinh 'siêu Trái Đất' ẩn đang di chuyển ra vào vùng có thể có sự sống của nó
— 10 ngoại hành tinh giống Trái Đất nhất
Khung khả năng sinh sống định lượng cho phép nhóm của tôi trả lời các câu hỏi như liệu các nhà sinh vật học vũ trụ có quan tâm đến vị trí bên dưới bề mặt sao Hỏa hay không, với dữ liệu có sẵn, hoặc liệu các nhà thiên văn học có nên hướng kính viễn vọng của họ đến hành tinh A hay hành tinh B trong khi tìm kiếm sự sống hay không. Khung của chúng tôi có sẵn dưới dạng mô hình máy tính nguồn mở, mà các nhà sinh vật học vũ trụ hiện có thể dễ dàng sử dụng và phát triển thêm để hỗ trợ cho các dự án hiện tại và tương lai.
Nếu các nhà khoa học phát hiện ra dấu hiệu tiềm năng của sự sống, phương pháp này có thể giúp đánh giá xem môi trường nơi phát hiện ra dấu hiệu đó có thực sự hỗ trợ loại sự sống dẫn đến dấu hiệu được phát hiện hay không.
Các bước tiếp theo của chúng tôi sẽ là xây dựng cơ sở dữ liệu về các sinh vật trên cạn sống trong môi trường khắc nghiệt và đại diện cho giới hạn của sự sống. Đối với dữ liệu này, chúng tôi cũng có thể thêm các mô hình cho sự sống ngoài hành tinh giả định. Bằng cách tích hợp những dữ liệu đó vào khuôn khổ khả năng sinh sống định lượng, chúng tôi sẽ có thể đưa ra các kịch bản, diễn giải dữ liệu mới đến từ các thế giới khác và hướng dẫn tìm kiếm dấu hiệu của sự sống ngoài Trái đất - trong hệ mặt trời của chúng ta và xa hơn nữa.
Bài viết này được đăng lại từ The Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.
Xem thêm tại đây
Việc tìm kiếm sự sống ngoài Trái Đất là động lực chính của thiên văn học hiện đại và khoa học hành tinh. Hoa Kỳ đang xây dựng nhiều kính thiên văn lớn và tàu thăm dò hành tinh để thúc đẩy cuộc tìm kiếm này. Tuy nhiên, các dấu hiệu của sự sống – được gọi là dấu hiệu sinh học – mà các nhà khoa học có thể tìm thấy có thể sẽ khó hiểu. Việc xác định chính xác nơi cần tìm cũng vẫn còn là một thách thức.
Tôi là một nhà vật lý thiên văn và nhà sinh vật học thiên văn với hơn 20 năm kinh nghiệm nghiên cứu các hành tinh ngoài hệ mặt trời – tức là các hành tinh nằm ngoài hệ mặt trời của chúng ta.
Tôi và các đồng nghiệp đã phát triển một phương pháp tiếp cận mới giúp xác định các hành tinh hoặc vệ tinh thú vị nhất để tìm kiếm sự sống và giúp giải thích các dấu hiệu sinh học tiềm năng. Chúng tôi thực hiện điều này bằng cách mô hình hóa cách các sinh vật khác nhau có thể tồn tại trong các môi trường khác nhau, dựa trên các nghiên cứu về giới hạn của sự sống trên Trái đất.
Kính thiên văn mới để tìm kiếm sự sống
Các nhà thiên văn học đang phát triển các kế hoạch và công nghệ cho các kính thiên văn không gian ngày càng mạnh mẽ hơn. Ví dụ, NASA đang nghiên cứu đề xuất Đài quan sát thế giới có thể ở được, nơi sẽ chụp những hình ảnh cực kỳ sắc nét cho thấy trực tiếp các hành tinh quay quanh các ngôi sao gần đó.Tôi và các đồng nghiệp đang phát triển một khái niệm khác, Nautilus là chòm sao kính viễn vọng không gian, được thiết kế để nghiên cứu hàng trăm hành tinh có khả năng giống Trái Đất khi chúng đi qua trước các ngôi sao chủ của chúng.
Những kính viễn vọng này và các kính viễn vọng tương lai khác nhằm mục đích cung cấp các nghiên cứu nhạy cảm hơn về nhiều thế giới ngoài hành tinh hơn. Sự phát triển của chúng gợi ra hai câu hỏi quan trọng: "Tìm kiếm ở đâu?" và “Môi trường mà chúng ta nghĩ rằng mình nhìn thấy dấu hiệu của sự sống có thực sự có thể sinh sống được không?”
Những tuyên bố gây tranh cãi mạnh mẽ về dấu hiệu sự sống tiềm tàng trên ngoại hành tinh K2-18b, được công bố vào tháng 4 năm 2025 và các tuyên bố tương tự trước đó ở sao Kim, cho thấy việc xác định một cách thuyết phục sự hiện diện của sự sống từ cảm biến từ xa dữ liệu.
Khi nào thì một thế giới ngoài hành tinh có thể sinh sống được?
Oxford Languages định nghĩa "có thể sinh sống" là "thích hợp hoặc đủ tốt để sinh sống". Nhưng làm sao các nhà khoa học biết được thế nào là "đủ tốt để sinh vật ngoài Trái Đất sinh sống"? Liệu vi khuẩn ngoài hành tinh có thể nô đùa trong các hồ axit sôi hay mêtan lỏng lạnh giá, hoặc trôi nổi trong các giọt nước trong khí quyển trên của sao Kim không?Nói một cách đơn giản, phương châm của NASA là "đi theo dòng nước". Điều này có lý – nước là yếu tố thiết yếu đối với mọi sự sống trên Trái Đất mà chúng ta biết. Một hành tinh có nước lỏng cũng sẽ có môi trường ôn đới. Nhiệt độ sẽ không quá lạnh đến mức làm chậm các phản ứng hóa học, cũng không quá nóng đến mức phá hủy các phân tử phức tạp cần thiết cho sự sống.
Tuy nhiên, với khả năng ngày càng phát triển của các nhà thiên văn học trong việc mô tả các thế giới ngoài hành tinh, các nhà sinh vật học vũ trụ cần một phương pháp định lượng và tinh tế hơn so với phân loại có nước hoặc không có nước.
Một nỗ lực của cộng đồng
Là một phần của dự án Alien Earths do NASA tài trợ mà tôi đứng đầu, nhà sinh vật học vũ trụ Rory Barnes và tôi đã cùng nhau giải quyết vấn đề này với một nhóm chuyên gia – các nhà sinh vật học vũ trụ, các nhà khoa học hành tinh, các chuyên gia về ngoại hành tinh, các nhà sinh thái học, các nhà sinh học và các nhà hóa học – được tuyển chọn từ mạng lưới lớn nhất các nhà nghiên cứu ngoại hành tinh và sinh học vũ trụ, Nexus for Exoplanet System Science của NASA, hoặc NExSS.Hơn một trăm đồng nghiệp đã cung cấp cho chúng tôi các ý tưởng và hai câu hỏi thường được nêu ra:
Đầu tiên, làm sao chúng ta biết được sự sống cần gì, nếu chúng ta không hiểu đầy đủ về sự sống ngoài Trái Đất? Các nhà khoa học biết rất nhiều về sự sống trên Trái Đất, nhưng hầu hết các nhà sinh vật học vũ trụ đều đồng ý rằng có thể có những dạng sống kỳ lạ hơn – có lẽ dựa trên sự kết hợp khác nhau của các nguyên tố hóa học và dung môi. Làm sao chúng ta xác định được những điều kiện mà những dạng sống khác đó có thể cần?
Thứ hai, cách tiếp cận này phải sử dụng dữ liệu không đầy đủ. Các địa điểm tiềm năng cho sự sống ngoài Trái Đất – “môi trường sống ngoài hệ mặt trời” – rất khó để nghiên cứu trực tiếp và thường không thể đến thăm và lấy mẫu.
Ví dụ, bề mặt dưới sao Hỏa phần lớn vẫn nằm ngoài tầm với của chúng ta. Những nơi như mặt trăng của Sao Mộc Mặt trăng của Europa và Sao Thổ Các đại dương ngầm của Enceladus và tất cả các hành tinh ngoài hệ mặt trời vẫn thực tế là không thể tiếp cận được. Các nhà khoa học nghiên cứu chúng một cách gián tiếp, thường chỉ sử dụng các quan sát từ xa. Những phép đo này không thể cho bạn biết nhiều như các mẫu thực tế.
Tệ hơn nữa, các phép đo thường có sự không chắc chắn. Ví dụ, chúng ta có thể chỉ tự tin 88% rằng hơi nước có trong bầu khí quyển của một ngoại hành tinh. Khung của chúng ta phải có khả năng hoạt động với lượng dữ liệu nhỏ và xử lý được sự không chắc chắn. Và, chúng ta cần chấp nhận rằng câu trả lời thường không phải là đen hoặc trắng.
Một cách tiếp cận mới về khả năng sinh sống
Cách tiếp cận mới, được gọi là khung khả năng sinh sống định lượng, có hai đặc điểm nổi bật:Đầu tiên, chúng tôi không còn cố gắng trả lời câu hỏi mơ hồ về "có thể sống được" nữa mà thu hẹp lại thành một câu hỏi cụ thể hơn và có thể trả lời được trên thực tế: Liệu các điều kiện trong môi trường sống - như chúng ta biết - có cho phép một loài hoặc hệ sinh thái cụ thể (đã biết hoặc chưa biết) tồn tại hay không?
Ngay cả trên Trái đất, các sinh vật cũng cần các điều kiện khác nhau để tồn tại - không có lạc đà ở Nam Cực. Bằng cách nói về các sinh vật cụ thể, chúng tôi đã giúp câu hỏi dễ trả lời hơn.
Thứ hai, khuôn khổ khả năng sinh sống định lượng không nhấn mạnh vào các câu trả lời trắng đen. Nó so sánh các mô hình máy tính để tính toán một câu trả lời xác suất. Thay vì cho rằng nước lỏng là một yếu tố hạn chế chính, chúng tôi so sánh sự hiểu biết của mình về các điều kiện mà một sinh vật cần có ("mô hình sinh vật") với sự hiểu biết của chúng tôi về các điều kiện hiện diện trong môi trường ("mô hình môi trường sống").
Cả hai đều có sự không chắc chắn. Sự hiểu biết của chúng ta về từng điều kiện có thể không đầy đủ. Tuy nhiên, chúng ta có thể xử lý những sự không chắc chắn đó bằng toán học. Bằng cách so sánh hai mô hình, chúng ta có thể xác định xác suất một sinh vật và một môi trường sống tương thích.
Một ví dụ đơn giản, mô hình môi trường sống của chúng ta đối với Nam Cực có thể nêu rằng nhiệt độ thường dưới mức đóng băng. Và mô hình sinh vật của chúng ta đối với một con lạc đà có thể nêu rằng nó không sống lâu trong điều kiện nhiệt độ lạnh. Không có gì ngạc nhiên khi chúng ta dự đoán đúng xác suất gần bằng không rằng Nam Cực là môi trường sống tốt cho lạc đà.
Chúng tôi đã có một khoảng thời gian tuyệt vời khi làm việc với dự án này. Để nghiên cứu giới hạn của sự sống, chúng tôi đã thu thập dữ liệu tài liệu về các sinh vật cực đoan, từ các loài côn trùng sống ở dãy Himalaya ở độ cao lớn và nhiệt độ thấp đến các vi sinh vật phát triển mạnh trong các lỗ thông thủy nhiệt trên đáy đại dương và ăn năng lượng hóa học.
Chúng tôi đã khám phá, thông qua các mô hình của mình, liệu chúng có thể sống sót ở lớp dưới bề mặt sao Hỏa hay trong các đại dương của Europa hay không. Chúng tôi cũng nghiên cứu xem vi khuẩn biển tạo ra oxy trong các đại dương của Trái đất có khả năng sống sót trên các hành tinh ngoài hệ mặt trời đã biết hay không.
Mặc dù toàn diện và chi tiết, nhưng cách tiếp cận này đưa ra những đơn giản hóa quan trọng. Ví dụ, nó vẫn chưa mô hình hóa được cách sự sống có thể định hình nên hành tinh, cũng như chưa tính đến đầy đủ các chất dinh dưỡng mà sinh vật có thể cần. Những sự đơn giản hóa này là có chủ đích.
Trong hầu hết các môi trường mà chúng ta hiện đang nghiên cứu, chúng ta biết quá ít về các điều kiện để có thể cố gắng xây dựng các mô hình như vậy một cách có ý nghĩa – ngoại trừ một số thiên thể trong hệ mặt trời, chẳng hạn như Enceladus của Sao Thổ.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN
— Các hành tinh siêu thích hợp cho sự sống: Các thế giới ngoài hành tinh có thể thích hợp cho sự sống hơn Trái Đất
— Một ngoại hành tinh 'siêu Trái Đất' ẩn đang di chuyển ra vào vùng có thể có sự sống của nó
— 10 ngoại hành tinh giống Trái Đất nhất
Khung khả năng sinh sống định lượng cho phép nhóm của tôi trả lời các câu hỏi như liệu các nhà sinh vật học vũ trụ có quan tâm đến vị trí bên dưới bề mặt sao Hỏa hay không, với dữ liệu có sẵn, hoặc liệu các nhà thiên văn học có nên hướng kính viễn vọng của họ đến hành tinh A hay hành tinh B trong khi tìm kiếm sự sống hay không. Khung của chúng tôi có sẵn dưới dạng mô hình máy tính nguồn mở, mà các nhà sinh vật học vũ trụ hiện có thể dễ dàng sử dụng và phát triển thêm để hỗ trợ cho các dự án hiện tại và tương lai.
Nếu các nhà khoa học phát hiện ra dấu hiệu tiềm năng của sự sống, phương pháp này có thể giúp đánh giá xem môi trường nơi phát hiện ra dấu hiệu đó có thực sự hỗ trợ loại sự sống dẫn đến dấu hiệu được phát hiện hay không.
Các bước tiếp theo của chúng tôi sẽ là xây dựng cơ sở dữ liệu về các sinh vật trên cạn sống trong môi trường khắc nghiệt và đại diện cho giới hạn của sự sống. Đối với dữ liệu này, chúng tôi cũng có thể thêm các mô hình cho sự sống ngoài hành tinh giả định. Bằng cách tích hợp những dữ liệu đó vào khuôn khổ khả năng sinh sống định lượng, chúng tôi sẽ có thể đưa ra các kịch bản, diễn giải dữ liệu mới đến từ các thế giới khác và hướng dẫn tìm kiếm dấu hiệu của sự sống ngoài Trái đất - trong hệ mặt trời của chúng ta và xa hơn nữa.
Bài viết này được đăng lại từ The Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.
Xem thêm tại đây
