Mê-tan trên sao Hoả là một bí ẩn chưa có lời giải: xe tự hành Curiosity đo được mê-tan ở mức rất thấp, dao động theo mùa và thỉnh thoảng vọt lên thành "đợt bùng", trong khi tàu quỹ đạo ExoMars TGO của châu Âu, với thiết bị nhạy hơn, gần như không thấy gì ở tầng khí cao vài kilômét. Hai kết quả tưởng như mâu thuẫn này đang được giải thích bằng nhiều giả thuyết, và chưa giả thuyết nào được chứng minh. Vì mê-tan trên Trái Đất phần lớn do sinh vật tạo ra, câu hỏi này thu hút sự chú ý rất lớn.
Vì sao một chút mê-tan lại quan trọng
Mê-tan (CH₄) là phân tử đơn giản: một nguyên tử carbon, bốn nguyên tử hydro. Trên Trái Đất, phần lớn mê-tan đến từ vi sinh vật sinh mê-tan (trong ruộng lúa, đầm lầy, dạ dày gia súc), phần còn lại từ địa chất và hoạt động con người.
Điểm mấu chốt là mê-tan không bền trong khí quyển sao Hoả. Tia cực tím và các phản ứng hoá học phá huỷ nó; các mô hình quang hoá thông thường ước tính một phân tử mê-tan tồn tại khoảng vài trăm năm. Vậy nếu đo được mê-tan, nghĩa là có một nguồn nào đó đang bổ sung nó trong thời gian gần — hoặc sinh học, hoặc địa chất. Cả hai khả năng đều thú vị: nếu là địa chất, nghĩa là sao Hoả vẫn còn hoạt động bên dưới bề mặt.
Dòng thời gian các phát hiện
| Năm | Nguồn | Kết quả |
|---|---|---|
| 2003–2004 | Kính thiên văn mặt đất và tàu Mars Express (thiết bị PFS) | Báo cáo mê-tan cỡ vài chục phần tỷ (ppb); bị nghi ngờ vì phải tách tín hiệu khỏi mê-tan của chính khí quyển Trái Đất |
| 2009 | Nhóm Michael Mumma (NASA), kính mặt đất | Công bố "đám" mê-tan theo mùa, cao nhất vài chục ppb; về sau nhiều nhóm không lặp lại được |
| 2012 trở đi | Curiosity, thiết bị TLS trong bộ SAM, hố Gale | Mức nền khoảng 0,4 ppb, lên xuống theo mùa |
| 2013–2014 | Curiosity | Một đợt bùng kéo dài khoảng hai tháng, cỡ 7 ppb |
| 2018–2019 | ExoMars Trace Gas Orbiter (ESA–Roscosmos) | Không phát hiện; giới hạn trên rất thấp, cỡ vài phần trăm của 1 ppb |
| 6/2019 | Curiosity | Đợt bùng lớn nhất từng ghi, khoảng 21 ppb, biến mất sau vài ngày |
Để dễ hình dung: trong không khí Trái Đất, mê-tan hiện khoảng 1.900 ppb. Mức nền trên sao Hoả nhỏ hơn khoảng 5.000 lần.
Curiosity đo thế nào
Curiosity hạ cánh xuống hố Gale tháng 8/2012. Bên trong xe có phòng thí nghiệm SAM (Sample Analysis at Mars), trong đó thiết bị TLS (Tunable Laser Spectrometer) hút không khí vào một buồng nhỏ, chiếu tia laser đã chỉnh chính xác vào bước sóng mà mê-tan hấp thụ, rồi đo ánh sáng bị mất đi. Cách đo này cho kết quả ngay tại mặt đất, nhưng chỉ ở một điểm, và mỗi lần đo tiêu tốn năng lượng nên không thể đo liên tục.
Đội Curiosity còn có một kỹ thuật làm giàu mẫu, cô đặc mê-tan trước khi đo, để tăng độ nhạy và kiểm tra rằng mức nền khoảng 0,4 ppb là thật. Họ cũng phải loại trừ khả năng mê-tan rò rỉ từ chính xe — một nghi vấn đã được nêu và kiểm tra nhiều lần.
ExoMars TGO đo thế nào
Trace Gas Orbiter vào quỹ đạo năm 2016 và bắt đầu khoa học năm 2018. Hai thiết bị NOMAD và ACS nhìn ánh Mặt Trời xuyên qua rìa khí quyển lúc mặt trời mọc và lặn trên quỹ đạo (phương pháp che khuất Mặt Trời). Cách này cực nhạy, nhưng chỉ đo được khí ở độ cao từ vài kilômét trở lên, không đo sát mặt đất.
Năm 2019, nhóm TGO công bố trên Nature rằng họ không thấy mê-tan, với giới hạn trên thấp hơn mức nền Curiosity khoảng mười lần trở lên. Nếu mê-tan tồn tại vài trăm năm như mô hình, nó phải hoà trộn đều khắp khí quyển, và TGO phải thấy. Vì TGO không thấy, mâu thuẫn xuất hiện.
Các giả thuyết đang được bàn
Mê-tan tích tụ ban đêm sát mặt đất
Curiosity đo mê-tan chủ yếu vào ban đêm, khi các thiết bị khác nghỉ. Ban đêm, lớp không khí sát mặt đất rất ổn định, ít hoà trộn. Một số nghiên cứu cho rằng mê-tan rỉ ra từ lòng đất có thể dồn lại sát mặt đất ban đêm, rồi ban ngày bị pha loãng mạnh khi đối lưu khuấy lên cao. Đội Curiosity đã thử đo cả ban ngày; kết quả ban đầu ủng hộ một phần giả thuyết này, nhưng chưa giải thích được hết.
Mê-tan bị phá huỷ nhanh hơn dự kiến
Nếu có cơ chế làm mất mê-tan nhanh hơn nhiều so với vài trăm năm, nó sẽ không kịp lan khắp khí quyển. Các ứng viên được nêu: bụi tích điện trong bão, phản ứng trên bề mặt hạt bụi, chất ôxy hoá trong đất. Chưa có cơ chế nào được chứng minh đủ mạnh.
Nguồn địa chất
Phản ứng giữa nước và đá giàu olivin (serpentin hoá) có thể sinh ra hydro rồi mê-tan, không cần sự sống. Mê-tan cổ cũng có thể bị giữ trong băng dạng clathrat dưới lòng đất và thoát ra khi có nứt vỡ hoặc nhiệt độ thay đổi.
Nguồn sinh học
Vi sinh vật sinh mê-tan dưới lòng đất là khả năng không thể loại trừ, nhưng không có bằng chứng nào ủng hộ trực tiếp. Các nhà khoa học nhấn mạnh: phát hiện mê-tan không đồng nghĩa phát hiện sự sống.
Giải thích bằng sai số đo
Một số nhà nghiên cứu vẫn đặt câu hỏi về khả năng nhiễm bẩn hoặc sai số hệ thống ở một trong hai bên. Mỗi đội đã công bố các phép kiểm tra để bảo vệ kết quả của mình.
Đo đồng vị: chìa khoá có thể mở bí ẩn
Mê-tan do sinh vật tạo ra thường giàu đồng vị carbon-12 nhẹ hơn so với mê-tan địa chất. Nếu đo được tỷ lệ carbon-13/carbon-12 và deuterium/hydro trong mê-tan sao Hoả, các nhà khoa học có thể nghiêng về một trong hai nguồn. Nhưng với nồng độ dưới 1 ppb, phép đo đồng vị cực khó, vượt khả năng thiết bị hiện có. Ngay cả trên Trái Đất, dấu đồng vị cũng không phải lúc nào cũng phân biệt rạch ròi.
Góc nhìn hôm nay: đọc tin "phát hiện mê-tan" thế nào
Mỗi lần có tin "sao Hoả có mê-tan", báo chí dễ nhảy sang chuyện "có sự sống". Khi đọc, hãy để ý ba điều:
- Ai đo, ở đâu, độ cao nào: số đo sát mặt đất ở hố Gale khác về bản chất với số đo từ quỹ đạo ở trên cao.
- Nồng độ: chỉ vài phần tỷ, hoặc dưới một phần tỷ — rất nhỏ, sai số là chuyện thường.
- Cách nói của chính các nhà khoa học: họ luôn nói mê-tan là "có thể" liên quan sự sống hoặc địa chất, chưa ai khẳng định.
Để theo dõi: trang tin của NASA Jet Propulsion Laboratory về Curiosity và trang ESA về ExoMars thường cập nhật các bài báo mới. Bài trong cùng danh mục về việc sao Hoả mất khí quyển giúp hiểu vì sao bầu khí mỏng ấy rất nhạy với mọi nguồn khí nhỏ.
Câu hỏi thường gặp
Mê-tan trên sao Hoả có nghĩa là có sự sống không?
Chưa. Mê-tan có thể do vi sinh vật tạo ra, nhưng cũng có thể do phản ứng giữa nước và đá, hoặc thoát ra từ băng cổ dưới lòng đất. Đến nay không có bằng chứng nào cho thấy nguồn sinh học.
Curiosity đo được bao nhiêu mê-tan trên sao Hoả?
Mức nền khoảng 0,4 phần tỷ, lên xuống theo mùa. Thỉnh thoảng có đợt bùng: khoảng 7 phần tỷ năm 2013–2014 và khoảng 21 phần tỷ tháng 6/2019, kéo dài vài ngày đến vài tháng.
Vì sao tàu ExoMars TGO không thấy mê-tan?
TGO đo ở độ cao từ vài kilômét trở lên, và không thấy mê-tan dù rất nhạy. Có thể mê-tan chỉ tích tụ sát mặt đất ban đêm, hoặc bị phá huỷ nhanh hơn mô hình dự đoán. Mâu thuẫn này chưa được giải quyết.
Mê-tan tồn tại bao lâu trong khí quyển sao Hoả?
Theo mô hình quang hoá thông thường, khoảng vài trăm năm trước khi bị tia cực tím và phản ứng hoá học phá huỷ. Việc mê-tan xuất hiện rồi biến mất trong vài ngày gợi ý có một cơ chế mất nhanh hơn mà ta chưa hiểu.
