Sự sống như chúng ta biết lần đầu tiên xuất hiện trong vũ trụ khi nào?
Chúng ta không biết chắc chắn, nhưng câu trả lời có liên quan chặt chẽ đến thời điểm nước lần đầu tiên xuất hiện trong vũ trụ — và các mô phỏng mới cho thấy thế hệ sao đầu tiên đã giúp hình thành nên nguồn nước mang lại sự sống như vậy chỉ 100 triệu đến 200 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Điều này đẩy lùi các ước tính trước đó hơn 500 triệu năm.
"Chúng tôi rất ngạc nhiên khi nước thực sự có thể hình thành từ rất sớm — thậm chí trước khi các thiên hà đầu tiên ra đời", đồng tác giả nghiên cứu Muhammad Latif của Đại học Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất nói với Space.com. Các phát hiện cho thấy rằng nếu một số nguồn nước ban đầu này sống sót sau sự hỗn loạn đầy nhiệt của quá trình hình thành thiên hà ban đầu, thì nó có thể được hấp thụ vào các hành tinh mới sinh, có khả năng dẫn đến các thế giới có thể ở được, giàu nước chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn. "Tất cả đều liên quan đến câu chuyện về cách sự sống bắt đầu trong vũ trụ", Latif cho biết.
Những quan sát trước đây từ Mảng Atacama Large Millimeter/submillimeter (ALMA) ở Chile đề xuất rằng nước tồn tại khoảng 780 triệu năm sau Vụ nổ lớn, khi vũ trụ trẻ chứa đầy hydro và heli nhẹ cùng với một lượng nhỏ lithium. Các nguyên tố này hình thành nên thế hệ sao đầu tiên, được các nhà thiên văn học gọi là sao Dân số III, có kích thước khổng lồ — gấp hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm lần khối lượng mặt trời của chúng ta — và có tuổi thọ đáng kể trước khi chết dưới dạng siêu tân tinh. Nhiều nguyên tố nặng hơn của vũ trụ, bao gồm oxy, được hình thành bên trong các ngôi sao này thông qua phản ứng hạt nhân và được phân tán vào không gian khi chúng chết, sau đó chúng được đưa vào thế hệ sao tiếp theo.
Để xác định thời điểm nước đầu tiên hình thành trong vũ trụ, Latif và các đồng nghiệp đã sử dụng các mô hình số để theo dõi vòng đời của hai ngôi sao thế hệ đầu tiên: một ngôi sao nặng hơn Mặt trời của chúng ta 13 lần và ngôi sao kia nặng hơn ngôi sao của chúng ta 200 lần. Ngôi sao ảo nhỏ hơn này tồn tại trong 12,2 triệu năm trước khi chết trong một siêu tân tinh nổ tung, giải phóng khoảng 0,051 khối lượng Mặt trời oxy (gần 17.000 khối lượng Trái đất) vào không gian xung quanh. Ngôi sao mô phỏng lớn hơn đã đốt cháy nhiên liệu của nó chỉ trong 2,6 triệu năm trước khi gặp phải kết cục nổ của chính nó, trút một lượng oxy khổng lồ bằng 55 khối lượng mặt trời (hơn 18 triệu khối lượng Trái đất) vào không gian.
Các mô phỏng cho thấy khi sóng xung kích từ mỗi siêu tân tinh bức xạ ra bên ngoài, các biến động mật độ hỗn loạn tạo ra các gợn sóng khiến một số khí kết tụ thành các cục dày đặc. Những cục còn sót lại này, được làm giàu bằng kim loại bao gồm cả oxy do siêu tân tinh phóng ra, có khả năng là những địa điểm chính để nước hình thành trên khắp vũ trụ sơ khai.
Latif cho biết, nằm trong các phần dày đặc hơn của các đám mây, nước sẽ được bảo vệ khỏi bị phá hủy bởi bức xạ mạnh từ các ngôi sao gần đó. Tuy nhiên, nhóm của ông đã xem xét trường hợp đơn giản nhất là chỉ có một ngôi sao hình thành trong mỗi cục, trong khi các mô phỏng lý thuyết cho thấy nhiều hệ sao là chuẩn mực; hơn một nửa số ngôi sao trên bầu trời có một hoặc nhiều ngôi sao anh chị em. Nhiều ngôi sao gần nhau sẽ có nghĩa là các cụm dày đặc hơn, giàu nước hơn, nhưng cũng có nhiều bức xạ hơn, "điều này có thể thay đổi một vài thứ, nhưng chúng tôi vẫn hy vọng nước có thể tồn tại", Latif cho biết. "Đây là những câu hỏi đầu tiên mà chúng tôi cố gắng trả lời, nhưng chúng tôi cần nhiều người hơn nữa nghiên cứu chủ đề này và khám phá chi tiết hơn."
Các mô phỏng tiếp theo của nhóm ông cho thấy những khối chứa nước này cũng là những địa điểm thuận lợi để các thế giới có thể sinh sống hợp nhất. Liệu nước bên trong những khối này có thể tồn tại qua hàng tỷ năm tiến hóa của vũ trụ hay không, và nếu có thì bằng cách nào, vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Một giả thuyết hàng đầu cho rằng sao chổi có thể đã mang nước đến Trái Đất, nhưng bất kỳ phương tiện vận chuyển băng giá nào từ vũ trụ sơ khai đều không được kỳ vọng sẽ sống sót qua những điều kiện khắc nghiệt của Kỷ nguyên tái ion hóa, Latif cho biết, ám chỉ đến giai đoạn khoảng 400.000 năm sau Vụ nổ lớn khi ánh sáng cực tím ion hóa từ các ngôi sao và thiên hà đầu tiên tràn ngập vũ trụ và làm tan sương mù vũ trụ nguyên thủy. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn chưa loại trừ khả năng rằng ít nhất một phần nước trên Trái Đất có thể có nguồn gốc nguyên thủy.
Các bài viết liên quan:
— Ngoại hành tinh K2-18b có chứa sự sống ngoài hành tinh hay không? Đây là lý do tại sao cuộc tranh luận vẫn tiếp tục
— Mùi gì thế? Các nhà thiên văn học phát hiện ra một manh mối mới đáng ngờ trong quá trình tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh
— Sự sống mà chúng ta chưa biết: Một số người ngoài hành tinh có thể cần axit sunfuric giống như chúng ta cần nước
Latif cho biết các quần thể hành tinh giàu nước trong vũ trụ sơ khai sẽ tạo ra các bức xạ yếu, có khả năng được ALMA hoặc Mảng Kilômét Vuông sắp tới ở Úc và Nam Phi phát hiện trong thập kỷ tới. Nếu các bức xạ như vậy thực sự được quan sát, thì đó sẽ là một "bước ngoặt", ông nói, vì nó sẽ thay đổi mô hình về nguồn gốc của sự sống chỉ trong vòng vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn.
"Nó mở ra một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới."
nghiên cứu đã được công bố vào thứ Hai (ngày 3 tháng 3) trên tạp chí Nature Astronomy.
Chúng ta không biết chắc chắn, nhưng câu trả lời có liên quan chặt chẽ đến thời điểm nước lần đầu tiên xuất hiện trong vũ trụ — và các mô phỏng mới cho thấy thế hệ sao đầu tiên đã giúp hình thành nên nguồn nước mang lại sự sống như vậy chỉ 100 triệu đến 200 triệu năm sau Vụ nổ lớn. Điều này đẩy lùi các ước tính trước đó hơn 500 triệu năm.
"Chúng tôi rất ngạc nhiên khi nước thực sự có thể hình thành từ rất sớm — thậm chí trước khi các thiên hà đầu tiên ra đời", đồng tác giả nghiên cứu Muhammad Latif của Đại học Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất nói với Space.com. Các phát hiện cho thấy rằng nếu một số nguồn nước ban đầu này sống sót sau sự hỗn loạn đầy nhiệt của quá trình hình thành thiên hà ban đầu, thì nó có thể được hấp thụ vào các hành tinh mới sinh, có khả năng dẫn đến các thế giới có thể ở được, giàu nước chỉ vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn. "Tất cả đều liên quan đến câu chuyện về cách sự sống bắt đầu trong vũ trụ", Latif cho biết.
Những quan sát trước đây từ Mảng Atacama Large Millimeter/submillimeter (ALMA) ở Chile đề xuất rằng nước tồn tại khoảng 780 triệu năm sau Vụ nổ lớn, khi vũ trụ trẻ chứa đầy hydro và heli nhẹ cùng với một lượng nhỏ lithium. Các nguyên tố này hình thành nên thế hệ sao đầu tiên, được các nhà thiên văn học gọi là sao Dân số III, có kích thước khổng lồ — gấp hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm lần khối lượng mặt trời của chúng ta — và có tuổi thọ đáng kể trước khi chết dưới dạng siêu tân tinh. Nhiều nguyên tố nặng hơn của vũ trụ, bao gồm oxy, được hình thành bên trong các ngôi sao này thông qua phản ứng hạt nhân và được phân tán vào không gian khi chúng chết, sau đó chúng được đưa vào thế hệ sao tiếp theo.
Để xác định thời điểm nước đầu tiên hình thành trong vũ trụ, Latif và các đồng nghiệp đã sử dụng các mô hình số để theo dõi vòng đời của hai ngôi sao thế hệ đầu tiên: một ngôi sao nặng hơn Mặt trời của chúng ta 13 lần và ngôi sao kia nặng hơn ngôi sao của chúng ta 200 lần. Ngôi sao ảo nhỏ hơn này tồn tại trong 12,2 triệu năm trước khi chết trong một siêu tân tinh nổ tung, giải phóng khoảng 0,051 khối lượng Mặt trời oxy (gần 17.000 khối lượng Trái đất) vào không gian xung quanh. Ngôi sao mô phỏng lớn hơn đã đốt cháy nhiên liệu của nó chỉ trong 2,6 triệu năm trước khi gặp phải kết cục nổ của chính nó, trút một lượng oxy khổng lồ bằng 55 khối lượng mặt trời (hơn 18 triệu khối lượng Trái đất) vào không gian.
Các mô phỏng cho thấy khi sóng xung kích từ mỗi siêu tân tinh bức xạ ra bên ngoài, các biến động mật độ hỗn loạn tạo ra các gợn sóng khiến một số khí kết tụ thành các cục dày đặc. Những cục còn sót lại này, được làm giàu bằng kim loại bao gồm cả oxy do siêu tân tinh phóng ra, có khả năng là những địa điểm chính để nước hình thành trên khắp vũ trụ sơ khai.
Latif cho biết, nằm trong các phần dày đặc hơn của các đám mây, nước sẽ được bảo vệ khỏi bị phá hủy bởi bức xạ mạnh từ các ngôi sao gần đó. Tuy nhiên, nhóm của ông đã xem xét trường hợp đơn giản nhất là chỉ có một ngôi sao hình thành trong mỗi cục, trong khi các mô phỏng lý thuyết cho thấy nhiều hệ sao là chuẩn mực; hơn một nửa số ngôi sao trên bầu trời có một hoặc nhiều ngôi sao anh chị em. Nhiều ngôi sao gần nhau sẽ có nghĩa là các cụm dày đặc hơn, giàu nước hơn, nhưng cũng có nhiều bức xạ hơn, "điều này có thể thay đổi một vài thứ, nhưng chúng tôi vẫn hy vọng nước có thể tồn tại", Latif cho biết. "Đây là những câu hỏi đầu tiên mà chúng tôi cố gắng trả lời, nhưng chúng tôi cần nhiều người hơn nữa nghiên cứu chủ đề này và khám phá chi tiết hơn."
Các mô phỏng tiếp theo của nhóm ông cho thấy những khối chứa nước này cũng là những địa điểm thuận lợi để các thế giới có thể sinh sống hợp nhất. Liệu nước bên trong những khối này có thể tồn tại qua hàng tỷ năm tiến hóa của vũ trụ hay không, và nếu có thì bằng cách nào, vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Một giả thuyết hàng đầu cho rằng sao chổi có thể đã mang nước đến Trái Đất, nhưng bất kỳ phương tiện vận chuyển băng giá nào từ vũ trụ sơ khai đều không được kỳ vọng sẽ sống sót qua những điều kiện khắc nghiệt của Kỷ nguyên tái ion hóa, Latif cho biết, ám chỉ đến giai đoạn khoảng 400.000 năm sau Vụ nổ lớn khi ánh sáng cực tím ion hóa từ các ngôi sao và thiên hà đầu tiên tràn ngập vũ trụ và làm tan sương mù vũ trụ nguyên thủy. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn chưa loại trừ khả năng rằng ít nhất một phần nước trên Trái Đất có thể có nguồn gốc nguyên thủy.
Các bài viết liên quan:
— Ngoại hành tinh K2-18b có chứa sự sống ngoài hành tinh hay không? Đây là lý do tại sao cuộc tranh luận vẫn tiếp tục
— Mùi gì thế? Các nhà thiên văn học phát hiện ra một manh mối mới đáng ngờ trong quá trình tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh
— Sự sống mà chúng ta chưa biết: Một số người ngoài hành tinh có thể cần axit sunfuric giống như chúng ta cần nước
Latif cho biết các quần thể hành tinh giàu nước trong vũ trụ sơ khai sẽ tạo ra các bức xạ yếu, có khả năng được ALMA hoặc Mảng Kilômét Vuông sắp tới ở Úc và Nam Phi phát hiện trong thập kỷ tới. Nếu các bức xạ như vậy thực sự được quan sát, thì đó sẽ là một "bước ngoặt", ông nói, vì nó sẽ thay đổi mô hình về nguồn gốc của sự sống chỉ trong vòng vài trăm triệu năm sau Vụ nổ lớn.
"Nó mở ra một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới."
nghiên cứu đã được công bố vào thứ Hai (ngày 3 tháng 3) trên tạp chí Nature Astronomy.
