Vùng có thể sống (habitable zone) là khoảng cách quanh một ngôi sao mà ở đó một hành tinh đá, nếu có bầu khí quyển phù hợp, có thể giữ nước lỏng trên bề mặt. Gần hơn thì nước bốc hơi hết, xa hơn thì nước đóng băng. Đây là vùng "có thể", không phải vùng "chắc chắn có sự sống": sao Kim nằm sát mép trong và sao Hoả nằm trong vùng này của Mặt Trời, nhưng cả hai bề mặt đều không có nước lỏng.
Ý tưởng "không quá nóng, không quá lạnh"
Người ta hay gọi đây là vùng Goldilocks, theo truyện cổ tích cô bé chọn bát cháo không nóng không nguội. Ý tưởng có từ giữa thế kỷ 20. Nhà thiên văn Su-Shu Huang dùng cụm "habitable zone" trong các bài viết cuối thập niên 1950. Năm 1979, Michael Hart tính một vùng hẹp hơn mà hành tinh giữ được nước lỏng suốt hàng tỷ năm, khi ngôi sao sáng dần lên theo tuổi.
Mô hình được dùng làm nền cho hầu hết nghiên cứu ngày nay là của James Kasting, Daniel Whitmire và Ray Reynolds, công bố năm 1993. Họ không chỉ tính lượng ánh sáng hành tinh nhận, mà mô phỏng cả bầu khí quyển: hơi nước, CO₂ và cách chúng giữ nhiệt. Năm 2013, nhóm của Ravi Kopparapu cập nhật mô hình này với dữ liệu hấp thụ mới của hơi nước và CO₂.
Hai mép của vùng có thể sống được xác định thế nào
Mép trong: khi đại dương bắt đầu mất
Càng gần sao, hành tinh càng ấm, càng nhiều hơi nước bay lên. Hơi nước là khí nhà kính, nên nó lại làm ấm thêm. Tới một ngưỡng, hơi nước lên tới tầng cao, bị tia cực tím của sao bẻ gãy thành hydro và oxy. Hydro nhẹ thoát ra vũ trụ, mang theo nước của hành tinh. Trạng thái này gọi là "nhà kính ẩm". Nặng hơn nữa là "nhà kính mất kiểm soát": đại dương sôi hết, toàn bộ nước thành hơi. Sao Kim nhiều khả năng đã đi qua con đường này, dù chi tiết vẫn còn tranh luận.
Mép ngoài: khi CO₂ hết giúp được
Ở xa sao, hành tinh cần nhiều CO₂ hơn để giữ ấm. Nhưng CO₂ dày quá thì bắt đầu tán xạ ánh sáng Mặt Trời trở lại vũ trụ, và có thể ngưng tụ thành mây băng khô. Có một điểm mà thêm CO₂ không còn làm ấm thêm. Mô hình gọi đó là giới hạn "nhà kính tối đa".
| Ranh giới (Kopparapu và cộng sự, 2013) | Khoảng cách tới Mặt Trời (đơn vị thiên văn, AU) | Ý nghĩa |
|---|---|---|
| Mép trong lạc quan ("sao Kim gần đây") | khoảng 0,75 | Dựa trên giả định sao Kim còn nước tới khoảng một tỷ năm trước |
| Mép trong thận trọng (nhà kính ẩm) | khoảng 0,99 | Trái Đất nằm rất sát mép này |
| Mép ngoài thận trọng (nhà kính tối đa) | khoảng 1,67 | Sao Hoả (1,52 AU) nằm bên trong |
| Mép ngoài lạc quan ("sao Hoả sơ khai") | khoảng 1,77 | Dựa trên dấu vết nước chảy cổ trên sao Hoả |
Các con số này đổi theo từng mô hình, từng giả định về mây và khối lượng hành tinh. Điều đáng nhớ là Trái Đất không nằm ở chính giữa một vùng rộng rãi, mà khá gần mép trong.
Mỗi ngôi sao một vùng khác nhau
Vùng có thể sống phụ thuộc vào độ sáng và màu của ngôi sao. Sao càng sáng, vùng càng xa và càng rộng. Sao càng mờ, vùng càng co vào sát sao.
- Sao lớn và nóng (loại F, A): vùng nằm xa, nhưng sao sống ngắn. Sao loại A chỉ sống vài trăm triệu tới khoảng một tỷ năm, có thể chưa đủ để sự sống phức tạp kịp hình thành.
- Sao giống Mặt Trời (loại G, K): sao loại K hơi nhỏ hơn Mặt Trời, sống lâu hơn, ít bùng nổ hơn sao lùn đỏ. Nhiều nhà nghiên cứu xem đây là ứng viên "dễ chịu" nhất.
- Sao lùn đỏ (loại M): chiếm đa số các ngôi sao trong Ngân Hà. Vùng có thể sống nằm rất gần, có khi chỉ vài phần trăm khoảng cách Trái Đất – Mặt Trời. Hành tinh ở đó quay một vòng chỉ mất vài ngày tới vài tuần.
Ánh sáng sao lùn đỏ ngả về hồng ngoại. Băng và tuyết hấp thụ hồng ngoại tốt hơn ánh sáng nhìn thấy, nên hành tinh quanh sao lùn đỏ khó rơi vào trạng thái đóng băng toàn bộ hơn. Đó là một điểm cộng. Điểm trừ là lửa sao và việc hành tinh bị khoá thuỷ triều, một mặt luôn hướng về sao.
Vì sao "nằm trong vùng" chưa đủ
Vùng có thể sống chỉ trả lời một câu: lượng năng lượng nhận được có phù hợp với nước lỏng hay không. Nó giả định sẵn rằng hành tinh có bầu khí quyển giống Trái Đất, có chu trình carbon điều hoà nhiệt độ. Những giả định đó không tự nhiên mà có.
- Khối lượng: hành tinh quá nhỏ khó giữ khí và nguội lõi nhanh. Sao Hoả nằm trong vùng nhưng chỉ có áp suất khoảng 6 mbar.
- Khí quyển: hành tinh có thể đã mất sạch khí vì gió sao, hoặc ngược lại có lớp hydro quá dày khiến bề mặt nóng như lò.
- Nước: hành tinh phải có nước ngay từ đầu. Một hành tinh khô nằm giữa vùng có thể sống vẫn khô.
- Địa chất: trên Trái Đất, vòng tuần hoàn carbonat – silicat hoạt động như bộ ổn nhiệt kéo dài hàng triệu năm: trời ấm thì đá phong hoá nhanh, hút CO₂ ra khỏi khí quyển; trời lạnh thì phong hoá chậm, núi lửa bơm CO₂ trở lại. Cơ chế này được James Walker, Paul Hays và James Kasting mô tả năm 1981.
- Quỹ đạo: quỹ đạo quá dẹt khiến hành tinh lúc ra ngoài, lúc vào trong vùng.
Sự sống ngoài vùng có thể sống
Định nghĩa vùng có thể sống xoay quanh nước lỏng trên bề mặt. Nhưng hệ Mặt Trời cho thấy nước lỏng có thể nằm dưới băng, rất xa vùng đó. Europa của sao Mộc và Enceladus của sao Thổ có đại dương ngầm, được sưởi bằng lực thuỷ triều của hành tinh mẹ. Tàu Cassini đã bay qua các cột hơi nước phun ra từ cực nam Enceladus và đo được muối, silica, hydro phân tử trong đó.
Những thế giới như vậy không có khí quyển đáng kể, nên kính thiên văn ở xa không đọc được dấu hiệu gì. Vì thế, khi săn sự sống ở ngoại hành tinh, các nhà thiên văn vẫn ưu tiên hành tinh đá trong vùng có thể sống: không phải vì đó là nơi duy nhất sự sống có thể tồn tại, mà vì đó là nơi ta có cơ hội đo được nó qua khí quyển.
Những biến thể của khái niệm
- Vùng có thể sống liên tục: khoảng cách giữ được nước lỏng suốt một quãng dài, ví dụ 4 tỷ năm, khi sao sáng dần. Mặt Trời hiện sáng hơn khoảng 30% so với lúc mới hình thành.
- Vùng có thể sống của Ngân Hà: ý tưởng rằng chỉ một dải nhất định trong thiên hà có đủ nguyên tố nặng để tạo hành tinh đá mà lại không quá dày đặc siêu tân tinh. Ý tưởng này còn gây tranh cãi nhiều hơn vùng quanh sao.
- Vùng có thể sống cho hành tinh có khí hydro dày: một số mô hình cho rằng hydro dày có thể giữ ấm hành tinh ở rất xa sao. Đây vẫn là giả thuyết.
Góc nhìn hôm nay: đọc tin "phát hiện hành tinh giống Trái Đất" thế nào
Mỗi khi có tin "tìm thấy hành tinh trong vùng có thể sống", hãy hỏi thêm ba câu. Hành tinh to bao nhiêu, có phải đá hay là hành tinh khí nhỏ? Nó quay quanh loại sao gì, sao đó có hay bùng lửa không? Đã ai đo được khí quyển của nó chưa? Phần lớn các tin như vậy chỉ trả lời được câu đầu một cách gần đúng.
Muốn tra số liệu gốc, có thể dùng NASA Exoplanet Archive và trang "Habitable Worlds Catalog" của Phòng thí nghiệm Khả năng Sống Hành tinh (Đại học Puerto Rico ở Arecibo). Bài tổng quan dễ đọc nhất vẫn là các trang giải thích của NASA Exoplanet Exploration.
Câu hỏi thường gặp
Vùng có thể sống của Mặt Trời từ đâu tới đâu?
Theo mô hình thận trọng của Kopparapu và cộng sự năm 2013, vùng này kéo dài khoảng từ 0,99 tới 1,67 đơn vị thiên văn. Mô hình lạc quan nới ra khoảng 0,75 tới 1,77. Trái Đất nằm gần mép trong, sao Hoả nằm bên trong vùng.
Vì sao gọi là vùng Goldilocks?
Tên lấy từ truyện cổ tích cô bé Goldilocks chọn bát cháo không quá nóng không quá nguội. Ý nói khoảng cách vừa phải để nước không sôi cũng không đóng băng. Đây là cách gọi đại chúng, tên khoa học là habitable zone.
Sao Hoả nằm trong vùng có thể sống sao lại không có nước lỏng?
Vì sao Hoả quá nhỏ và đã mất phần lớn khí quyển. Với áp suất khoảng 6 mbar, nước trên bề mặt gần như chuyển thẳng từ băng sang hơi. Vùng có thể sống chỉ tính năng lượng nhận được, không bảo đảm hành tinh giữ được khí.
Hành tinh trong vùng có thể sống có chắc có sự sống không?
Không. Nằm trong vùng chỉ có nghĩa là năng lượng từ sao phù hợp với nước lỏng nếu khí quyển phù hợp. Hành tinh vẫn có thể khô, không khí, hoặc quá nóng vì lớp khí quá dày. Tới nay chưa có hành tinh nào ngoài Trái Đất được xác nhận có sự sống.
Ngoài vùng có thể sống có thể có sự sống không?
Có thể. Europa và Enceladus nằm rất xa vùng có thể sống nhưng có đại dương ngầm dưới lớp băng. Tuy vậy chưa tìm thấy sự sống ở đó, và với ngoại hành tinh thì những thế giới như vậy gần như không đo được từ xa.
