Hành trình tìm kiếm tàn tích sự sống trên sao Hỏa

Khám phá khoa học không gian ở sao Hỏa là cơ hội cho chúng ta mở rộng biên giới hiểu biết về thế giới của con người và đồng thời là hiểu biết về chính chúng ta.

Perseverance hạ cánh trên sao Hỏa và dù giảm tốc. Những vạch trắng đỏ trên dù giảm tốc của Perseverance là một mã nhị phân, với ý nghĩa “Dare mighty things” – dám làm điều vĩ đại. Ảnh: NASA/JPL

Lịch sử của tò mò 

“Xác nhận hạ cánh! Perseverance đã an toàn trên bề mặt sao Hỏa, sẵn sàng tìm kiếm những dấu hiệu sự sống của quá khứ”. Ngay sau khi trung tâm điều khiển xác nhận tàu tự hành Perseverance đã đáp xuống sao Hỏa thành công, những tiếng hò reo và vỗ tay ngay lập tức vang lên từ Phòng thí nghiệm Phản lực Đẩy (Jet Propulsion Laboratory, JPL) của NASA ở Pasadena, California. Báo chí đã gọi khoảng thời gian từ lúc Perseverance đi vào bầu khí quyển cho tới khi hạ cánh trên bề mặt sao Hỏa là “7 phút kinh hoàng”. Nhưng những nét mặt hạnh phúc của những kỹ sư điều khiển ở JPL, cùng hàng triệu người trên khắp thế giới cùng chứng kiến màn hạ cánh thành công là khoảnh khắc đáng nhớ đầu 2021 sau một năm đầy khó khăn.

Perseverance là sứ mệnh thăm dò sao Hỏa tỷ đô đầu tiên của cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ NASA sau 9 năm kể từ Curiosity. Nhiệm vụ chính của Perseverance là phân tích địa chất và thu thập các mẫu đất đá, trong khi Curiosity chỉ có khả năng phân tích tại chỗ. Perseverance cũng là tàu tự hành đầu tiên được trang bị micro, máy ảnh cùng những thước phim ghi lại cảnh tượng hạ cánh và cho chúng ta cơ hội được tận mắt chứng kiến. Trong đoạn phim Perseverance gửi về, sao Hỏa hiện lên với bề mặt cát bụi màu đỏ, những hố thiên thạch và những ngọn núi cổ đại. Cảm giác của nhiều người khi xem có thể tả là sự kết hợp của kinh ngạc và xúc động khi được nhìn một thế giới rộng lớn và tuyệt mỹ khác trong hệ Mặt trời. Perseverance mang cùng nó một câu hỏi to lớn mà con người đã đặt ra từ những ngày đầu tiên ngước nhìn lên Sao Hỏa: liệu chúng ta có cô đơn trong vũ trụ?

Ý tưởng về sự sống Sao Hỏa đã luôn thu hút sự chú ý của công chúng. Từ những thuở sơ khai của bộ môn thiên văn học hiện đại qua kính thiên văn, con người đã mơ tưởng về một hành tinh Đỏ có sự sống và những nền văn minh xa lạ. Percy Lowell, nhà thiên văn học người Mỹ giả thuyết rằng những hình thái tương phản quan sát được trên sao Hỏa là những kênh đào, dấu vết của một nền kỹ thuật ngoài Trái đất. Dù những cộng sự khoa học cùng thời đã kịch liệt lên án ý tưởng này, không thể ngăn nổi trí tượng tưởng của công chúng với vô vàn những câu chuyện khoa học viễn tưởng thêu dệt về sự sống ngoài hành tinh trên sao Hỏa. Tuy nhiên, trong khoa học, những giả thuyết mang tính chấn động cũng cần những lời giải thích chấn động không kém.

Tìm kiếm dấu hiệu của sự sống trong quá khứ 

Trên Trái đất, chúng ta biết rằng sự sống bắt đầu từ nước lỏng. Công cuộc tìm kiếm sự sống trong vũ trụ cũng tuân theo nguyên lý “để nước dẫn đường” (follow the water). Nhưng có rất ít bằng chứng ủng hộ sự tồn tại của nước dạng lỏng đang hiện hữu trên bề mặt sao Hỏa. Với sao Hỏa hiện nay, các nghiên cứu cho rằng nước có thể chỉ tồn tại được bên dưới lòng đất trong những hồ ngầm bên dưới lớp băng khổng lồ ở hai cực.Trong khi đó, bề mặt sao Hỏa hiện tại đầy cát, cực kỳ khô, với nhiệt độ thường xuyên dưới âm 500C. Bầu khí quyển sao Hỏa mỏng chỉ bằng 1% khí quyển Trái đất, không có tầng ozone hay địa từ trường để bảo vệ bề mặt khỏi những bức xạ ion-hóa từ Mặt trời và các tia vũ trụ. Bề mặt sao Hỏa ngày nay là một môi trường cực kì khắc nghiệt để sinh vật có thể phát triển. Nhưng điều này không có nghĩa là nước lỏng – và có thể là sự sống – chưa bao giờ tồn tại trên bề mặt của một sao Hỏa trong quá khứ. 

Khoảng 3,8-3,6 tỉ năm trước, sao Hỏa có thể đã rất giống Trái đất, một bề mặt được bao phủ bởi nước với núi lửa hoạt động và một bầu khí quyển dày. Dữ liệu viễn thám từ vệ tinh và đặc biệt là kết quả thăm dò từ tàu tự hành Curiosity – người tiền nhiệm của Perseverance với sứ mệnh nghiên cứu về nước – đã cho thấy điều này. Nước lỏng có thể từng tồn tại trong nhiều giai đoạn suốt lịch sử của sao Hỏa; trong đại dương khổng lồ ở bán cầu Bắc và trong vô vàn các hồ nước mở (open-basin lakes) ở những hố thiên thạch khắp bề mặt. Những điều kiện này rất thuận lợi để hình thành sự sống – và Perseverance được thiết kế để tìm kiếm tàn tích của sự sống khả dĩ này.

Các nhà khoa học ở Đại học Brown đã phải kinh ngạc trước những hình thái địa chất ở hố thiên thạch Jezero được ghi lại qua ảnh vệ tinh. Những dấu tích của một vùng châu thổ (delta), tương tự những đồng bằng châu thổ trên Trái đất nơi những con sông đổ ra biển, hiện ra rất rõ ràng với các cửa chảy ra/vào, và hóa thạch của trầm tích được vận chuyển và tích tụ bởi dòng chảy. Tim Goudge, nhà khoa học đầu tiên đề xuất thăm dò hố Jezero, cho biết những chất hữu cơ và vật liệu sinh học có thể được dòng chảy vận chuyển và tích tụ ở đây. Dữ liệu viễn thám chỉ ra sự tồn tại một lượng lớn các loại đất sét và carbonate, có khả năng lưu giữ hóa thạch và các chỉ dấu sinh học quan trọng. Groudge cho hay, “Jezero là địa điểm hoàn hảo nhất sao Hỏa, và có thể là hệ Mặt trời, để tìm kiếm sự sống”. Vì những lí do địa chất đặc biệt này mà Jezero được chọn làm địa điểm thăm dò chính cho Perseverance, vượt lên trên hơn 30 địa điểm tiềm năng khác ở sao Hỏa. 

Một hồ nước cổ xưa với nhiều hình thái trầm tích châu thổ là một nơi tiềm năng để tìm kiếm tàn tích của sự sống. [ảnh của jezero] Ảnh: ESA/ExoMars

Khu vực châu thổ ở hố Jezero chứa một lượng lớn trầm tích và bùn đã hóa thạch. Trên Trái đất, những lớp trầm tích như vậy đã lưu giữ bằng chứng về sự sống cổ đại dưới dạng các hóa thạch stromatolites – hay còn gọi là ‘thảm vi sinh’, được tạo thành khi các tế bào khuẩn lam (cyanobacteria) tích tụ và sinh trưởng trên cát và đá. Khuẩn lam là dạng sống đầu tiên được bảo quản hóa thạch 3,6 tỉ năm trước. 

Các chỉ dấu sinh học (biosignatures) là mảnh ghép quan trọng bậc nhất để trả lời câu hỏi liệu có tồn tại sự sống trên sao Hỏa. Chỉ dấu sinh học là những thay đổi trong môi trường (về vật lý, hóa sinh, địa chất, …)  mà các sinh vật sống tạo ra. Ví dụ, một chỉ dấu sinh học quan trọng là sự mất cân bằng hóa học trong bầu khí quyển. Lượng methane trong bầu khí quyển Trái đất cao hơn nhiều lần so với một bầu khí quyển cân bằng về mặt hóa học, vì methane liên tục được thải ra bởi sinh vật trên Trái đất. Chỉ dấu sinh học còn nằm ngay trong địa chất. Phát hiện ra một hóa thạch sinh vật là một bằng chứng không thể rõ ràng hơn. Các vi sinh vật để lại rất nhiều hợp chất hữu cơ trong các cấu trúc đá và trầm tích. Chu trình của sự sống cũng tạo nên nhiều thay đổi hình thái quan sát được trong đất đá. 

Địa điểm hạ cánh của Perseverance chỉ cách khu vực châu thổ khoảng 2km. Khi “nhà địa chất/khảo cổ/vi sinh học robot” Perseverance tìm được đường đến hiện trường khoa học, các thăm dò tìm kiếm chỉ dấu sinh học sẽ bắt đầu. Máy quang phổ SHERLOC và kính hiển vi WATSON – hai “vị thám tử” thực thụ – là những thiết bị để phát hiện chất hữu cơ. Chúng nằm trên một cánh tay robot để quan sát không-can-thiệp mẫu vật. SHERLOC sẽ dùng laser tử ngoại để kích thích các mẫu vật và đo phát xạ huỳnh quang (fluorescene) từ chúng. Tán xạ Raman (khi các photon được tán xạ có năng lượng thấp hơn photon gốc) sẽ được dùng để nghiên cứu chi tiết các dạng hợp chất hydrocarbon thơm (PAHs) và không thơm (aliphatic). WATSON sẽ ghi lại hình ảnh của các cấu trúc hiển vi cỡ micron của mẫu vật và tìm kiếm các chất hữu cơ như amino acids, đường, khoáng chất và các phân tử sinh học (DNA, RNA, proteins) ở hồ nước cổ đại Jezero. 

Việc tìm ra bằng chứng về sự sống từ một hóa thạch địa chất cách Trái đất 218 triệu km là rất hứa hẹn, nhưng để tìm ra một câu trả lời xác đáng có thể sẽ nan giải hơn thế rất nhiều. Các chỉ dấu sinh học có thể tạo ra những tranh cãi không dứt, đơn giản vì các hợp chất có vẻ tới từ chu trình sinh học thực chất hoàn toàn có thể được tạo ra bởi các hiện tượng hoàn toàn phi sinh (abiotic). Ví dụ, các thí nghiệm Labeled Release về chất hữu cơ trong đất của tàu thăm dò Viking Lander năm 1976 đã tạo nên tranh cãi, khi một số nhà khoa học cho rằng các kết quả khả quan đều là những lời giải thích hóa học thuần túy. 

Một ví dụ khác là các phát hiện về các cột khí methane trên sao Hỏa. Sự hiện diện của khí này đồng nghĩa với việc có một nguồn cung methane trong bầu khí quyển của hành tinh này. Trên Trái đất, 90% khí methane được tạo ra bởi những thực thể sống. Nhưng điều đó không đồng nghĩa với việc có sự sống trên sao Hỏa. Hiện nay, các nhà khoa học chưa thể tìm ra bằng chứng chắc chắn liệu methane ám chỉ sự tồn tại các chu trình hóa sinh hay thực ra là sản phẩm của hoạt động địa chất. Cơ bản là rất khó để dựa hoàn toàn vào một chỉ dấu sinh học từ xa để xác định sự tồn tại của sự sống.

Trừ khi có thể mang sao Hỏa về Trái đất.

Perseverance và nhiệm vụ Mars2020 là sứ mệnh đầu tiên trong lịch sử khám phá sao Hỏa có khả năng thu thập các mẫu đất đá để gửi về Trái đất trong tương lai. Khi phát hiện các mẫu vật có dấu hiệu hữu cơ, Perseverance sẽ lưu giữ chúng trong những ống nhỏ đặt khắp trên bề mặt. NASA hiện đang lên kế hoạch để phóng một tàu tự hành khác có khả năng thu thập ngược lại các ống bảo quản mẫu vật và phóng chúng lên quỹ đạo gửi về Trái đất, dự kiến trong khoảng thời gian từ 2026-2030. Đây đều là một phần của chiến lược tham vọng để đưa các mẫu vật trở lại Trái đất.

Một hóa thạch stromatolites ở Tây Úc, niên đại khoảng 3,2-3,6 tỉ năm trước. Các tập đoàn khuẩn lam kết tinh khoáng chất trong môi trường và làm “thảm vi sinh” ngày càng dày hơn theo thời gian. Ảnh: Didier Descouens

Cho đến năm 2020, Trái đất đã nhận được gần 1000 mẫu thiên thạch từ sao Hỏa. Chúng là những manh mối quan trọng về lịch sử của sao Hỏa, nhưng bản thân chúng không thể nào cung cấp đủ thông tin địa chất. Các manh mối hữu cơ từ các thiên thạch có thể đã bị phá hủy vào lúc va chạm, bị thay đổi trong quá trình vận chuyển hay bị bão hòa bởi vật chất hữu cơ trên Trái đất, vì thế rất khó để biết chính xác nguồn gốc của chúng. 

Trái lại, một mẫu vật được khai phá trực tiếp từ bề mặt mang những thông tin cực kỳ hữu dụng. Thăm dò trực tiếp cho phép chúng ta làm rõ ngữ cảnh địa chất, hiểu được khu vực thăm dò và các hiện tượng khả dĩ gây ảnh hưởng lên mẫu vật, từ đó nắm bắt được nguồn gốc và tiến hóa địa chất của các mẫu đất đá. Vì thế, mục tiêu của Perseverance là ghi lại chi tiết các dữ liệu địa chất và thu thập những mẫu vật có khả năng cao là chất hữu cơ nhất và gửi lại trở lại Trái đất.

Farley, nhà khoa học đứng đầu dự án Perseverance, nhận xét rằng việc thu thập được các mẫu đá có đủ tiềm năng là tối quan trọng để trả lời câu hỏi liệu đã tồn tại sự sống trên sao Hỏa. Các mẫu vật một khi đã quay về Trái đất sẽ được nghiên cứu kỹ lưỡng hơn bởi những phòng thí nghiệm tối tân trên Trái đất. 

Có lẽ, đây là lợi thế khoa học to lớn nhất của việc đưa mẫu vật về trái Đất: được làm khoa học thực nghiệm với các phân tích, đo đạc và thí nghiệm phức tạp trên mẫu vật, vốn là giới hạn của những nhà khoa học hành tinh và vật lý thiên văn, từ trước đến giờ chỉ có thể nghiên cứu những vật thể này từ xa. Đây có thể là hi vọng lớn để trả lời một cách xác đáng: liệu có sự sống đã từng tồn tại trên hành tinh Đỏ? 

Chân trời mới

Những câu hỏi về sao Hỏa, thoạt nhìn, tưởng chừng xa lạ và tách biệt với thực tế của con người trên Trái đất, nhưng trái lại, chúng đều tìm được đường vòng để quay trở lại chủ thế. Các nghiên cứu khoa học về sao Hỏa và mô hình khí hậu của nó, vốn sẽ được hỗ trợ bởi một trạm đo đạc khí tượng gắn trên Perseverance, là một mục tiêu quan trọng của nhiệm vụ. Việc học hỏi về khí hậu trên một hành tinh khác từ lâu đã chính là tiền đề giúp chúng ta hiểu về thực trạng biến đổi khí hậu đang xảy ra trên chính Trái đất. Không ai khác ngoài Carl Sagan, nhà khoa học và nhà giáo dục nổi tiếng người Mỹ, tác giả của sách và chương trình khoa học đại chúng ‘Cosmos’ (Vũ trụ), đã nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhà kính lên nhiệt độ khí quyển kinh hoàng của sao Kim, và tạo nên mối liên kết giữa hiệu ứng nhà kính ở sao Kim với hiện tượng nóng lên toàn cầu trên Trái đất.

Cũng giống như cách nghiên cứu vật lý thiên văn đã vô tình tạo ra máy cộng hưởng từ – một cuộc cách mạng cho kỹ thuật y sinh, hay những thiết bị nhạy sáng CCD thế hệ đầu dùng để chụp ảnh thiên văn đã trở thành những cảm biến ảnh mini nằm ở chiếc điện thoại thông minh trong túi mỗi người, bản thân Perseverance mang đi cùng nó nhiều cơ hội để thử nghiệm các công nghệ mới trong du hành không gian. Như những chu trình hạ cánh tự động vô cùng phức tạp; một trực thăng robot có tên Ingenuity siêu nhẹ được gia công từ sợi carbon, với sứ mệnh trở thành thiết bị bay không người lái đầu tiên ngoài Trái đất; hay một thử nghiệm phơi nhiễm ngoài khí quyển một loại sợi đặc biệt với mục đích dùng làm đồ bảo hộ cho các phi hành gia. 

Trong tương lai, một tàu tự hành khác trên Sao Hỏa sẽ có khả năng phóng mẫu vật lên quỹ đạo để đưa về trái Đất, hoàn thành sứ mệnh vận chuyển mẫu vật về trái Đất. Credit: NASA.

Những khám phá khoa học trên sao Hỏa còn có tiềm năng thay đổi các ngành nghiên cứu khác, nhất là đóng góp cho những hiểu biết về các ngoại hành tinh cùng bầu khí quyển và khí hậu của chúng – để trả lời câu hỏi liệu có tồn tại sự sống ngoài hệ Mặt trời, và là đòn bẩy để thúc đẩy nghiên cứu chuyên sâu hơn nữa về các hành tinh cùng những vệ tinh cũng có tiềm năng thai nén sự sống ngay trong hệ Mặt trời. Còn hơn thế, một điều chắc chắn rằng những nhiệm vụ khoa học mang tính khai phá luôn đi kèm với những hiểu biết mới về công nghệ. 

Không chỉ là câu hỏi về sự sống ở những nơi khác, mà còn là sự sống ở nơi đây. Kathryn Stack, giám đốc khoa học của Perseverance, nghĩ rằng: “Những câu hỏi khoa học như thế này có khả năng chạm đến sâu thẳm trong mỗi chúng ta. Để chúng ta tự nhìn về bản thân mình và vị trí của con người trong vũ trụ”. Khám phá khoa học không gian ở sao Hỏa là cơ hội cho chúng ta mở rộng biên giới hiểu biết về thế giới của con người và đồng thời là hiểu biết về chính chúng ta. Trả lời những câu hỏi này không chỉ đòi hỏi Curiosity – trí tò mò, mà còn đòi hỏi cả Perseverance – sự nhẫn nại. □

Nguồn:
Science With Perseverance
Washington Post – NASA rover Perseverance successfully lands on Mars
The mineral diversity of Jezero crater: Evidence for possible lacustrine carbonates on Mars
Mars rover touches down at Brown-discovered landing site
‘Touchdown confirmed!’ Perseverance landing marks new dawn for Mars science