Nước trên Trái Đất từ đâu mà đến?

Ngay lúc này, một tàu vũ trụ đang trên hành trình từ Trái Đất tới Europa, vệ tinh của Sao Mộc được bao phủ bởi lớp băng và được cho là ẩn chứa một đại dương có nhiều điểm tương đồng với đại dương trên hành tinh của chúng ta. NASA đã khắc lên một tấm kim loại gắn trên tàu vũ trụ một bài thơ do Ada Limón chấp bút trong thời gian bà giữ cương vị Nhà thơ Quốc gia của Mỹ. Một đoạn trong bài thơ viết:

Và thứ kết nối chúng ta nào phải là bóng tối,
nào phải khoảng cách lạnh lẽo của không gian, mà là
món quà của nước, từng giọt mưa rơi,
từng dòng suối nhỏ, từng nhịp đập, từng mạch chảy.

Trong nhiều thập kỷ, các sứ mệnh thám hiểm hệ Mặt Trời của NASA phần lớn xoay quanh việc tìm kiếm nguồn nước ở những nơi như Europa, bởi theo hiểu biết của chúng ta, nước là điều kiện tiên quyết cho sự sống.

Vì vậy, hẳn nhiều người sẽ ngạc nhiên khi biết rằng giới khoa học thực chất vẫn chưa biết chắc nước đã xuất hiện lần đầu tiên trên Trái Đất bằng cách nào.

Trong nhiều năm, giả thuyết hàng đầu cho rằng nước được đưa tới hành tinh của chúng ta bởi các sao chổi - những thiên thể gồm vật chất đóng băng quay quanh Mặt Trời và thường được tô điểm bởi những chiếc đuôi lấp lánh. Rất có thể những tàn tích băng giá này, được hình thành từ thuở sơ khai của hệ Mặt Trời, thực sự đã mang theo nước khi chúng lao xuống Trái Đất nguyên thủy. Nhưng trong những năm gần đây, một số tàu vũ trụ đã tiếp cận sao chổi để nghiên cứu trực tiếp. Và những gì chúng phát hiện cho thấy nước trên sao chổi không giống nước của chúng ta, bởi đặc trưng hóa học của chúng khác nhau.

Kể từ đó, "sao chổi dần mất đi vị thế," theo lời Ashley King [1], chuyên gia nghiên cứu thiên thạch tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên ở London.

Các tiểu hành tinh - có thành phần đá và kim loại nhiều hơn sao chổi - vươn lên thành ứng cử viên sáng giá nhất. Tiểu hành tinh va vào Trái Đất thường xuyên hơn nhiều so với sao chổi, và lượng nước mà chúng chứa, dù không dồi dào bằng sao chổi, lại có đặc tính giống nước trên hành tinh chúng ta hơn hẳn.

Tuy nhiên, giả thuyết về tiểu hành tinh cũng có những điểm yếu riêng. Cùng lúc đó, một ý tưởng hoàn toàn mới về nguồn gốc nước trên các hành tinh đang ngày càng thu hút sự chú ý. Bằng cách quan sát tỉ mỉ các thế giới quay quanh những ngôi sao khác, kết hợp với các thí nghiệm ấn tượng trong phòng thí nghiệm sử dụng thiết bị đe kim cương và laser, các nhà khoa học nhận ra rằng những hành tinh đá như Trái Đất hoàn toàn có thể tự tạo ra nước.

Tất cả những gì cần có là một đại dương magma, một lượng lớn hydro và một chút "giả kim thuật" địa chất.

Những manh mối đầu tiên từ sao chổi

Trái Đất hình thành cách đây khoảng 4,54 tỷ năm. Qua những biến động địa chất dữ dội tựa hỏa ngục [2], phần lớn lịch sử sơ khai của hành tinh đã bị xóa nhòa. Dù vậy, giới khoa học nhìn chung đều thống nhất một bức tranh cơ bản: ban đầu, Trái Đất là một quả cầu đá phần lớn ở trạng thái nóng chảy. Sau đó, nó mới nguội dần để trở thành hành tinh xanh mà chúng ta biết ngày nay.

Quá trình đó đã diễn ra như thế nào?

Sao chổi từng mang đến một lời giải thích khá thuyết phục. Chúng thường tồn tại ở những vùng rìa rất xa Trái Đất, bên trong Vành đai Kuiper - một "xa lộ" hình vành khuyên chứa các thiên thể băng giá nằm ngoài quỹ đạo Sao Hải Vương - hoặc trong Đám mây Oort xa xôi hơn nữa. Nhưng khi một sao chổi tiến đủ gần Mặt Trời, băng và các khí đông lạnh của nó hóa hơi, tạo ra một chiếc đuôi có thể kéo dài hàng trăm triệu kilomet (trong một trường hợp từng ghi nhận, chiếc đuôi này dài hơn một tỷ kilomet).

So với tiểu hành tinh, sao chổi mang lại "một lượng nước khổng lồ so với kích thước của chúng," James Bryson [3], chuyên gia nghiên cứu thiên thạch tại Đại học Oxford, nhận định.

Các nhà khoa học từng cho rằng sao chổi đã va vào Trái Đất và cung cấp nước cho hành tinh. Nhưng không ai có thể chứng minh nước của sao chổi giống với nước trên Trái Đất, cho đến những năm 1980, khi Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) quyết định trực tiếp kiểm chứng giả thuyết này.

Giotto, sứ mệnh không gian sâu đầu tiên của ESA, là một dự án vô cùng tham vọng: đây sẽ là tàu vũ trụ đầu tiên tiếp cận ở cự ly gần để quan sát trực tiếp lõi băng của một sao chổi. Năm 1986, Giotto [4] bắt kịp Halley, sao chổi nổi tiếng lướt qua bầu trời Trái Đất khoảng 76 năm một lần.

Giotto đã gửi về những hình ảnh ấn tượng của nhân sao chổi và các dữ liệu đo lường đám mây vật chất bao quanh nó. Nhưng điều thực sự thu hút sự chú ý của giới khoa học là phép đo một đại lượng gọi là tỷ lệ D/H.

Gần như toàn bộ nước trên Trái Đất được tạo thành từ hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy: H₂O. Tuy nhiên, còn một dạng khác gọi là "nước nặng", gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử của một đồng vị hydro nặng hơn gọi là deuteri (D).

Nếu sao chổi là cội nguồn của các đại dương trên Trái Đất, người ta kỳ vọng Giotto sẽ phát hiện nước trên sao chổi Halley có tỷ lệ deuteri/hydro (D/H) tương tự với nước trên Trái Đất.[5]

Nhưng kết quả không như vậy. "Hoàn toàn không khớp nhau," Karen Meech [6], nhà thiên văn học hành tinh tại Đại học Hawai‘i, cho biết. Thực tế, tỷ lệ D/H của sao chổi Halley cao gấp đôi so với phần lớn lượng nước trên hành tinh chúng ta.

Giả thuyết nước từ sao chổi ngày càng lung lay vào những năm 1990 và 2000, khi các quan sát quang phổ trên những sao chổi khác, như Hale-Bopp [7], cũng tìm thấy tỷ lệ nước nặng cao tương tự. Nhưng đòn giáng mạnh nhất phải kể đến năm 2014, khi Rosetta [8], sứ mệnh kế nhiệm tinh thần của Giotto do ESA thực hiện, đi vào lịch sử bằng cách bay quanh và thả một trạm đổ bộ xuống bề mặt 67P/Churyumov-Gerasimenko, một sao chổi có hình dáng giống con vịt cao su khổng lồ.

Trong thời gian bay quanh 67P, Rosetta đã thực hiện những phép đo chính xác nhất từ trước tới nay về thành phần của một sao chổi, và phát hiện ra là nó chứa nồng độ deuteri cao nhất trong tất cả các sao chổi con người từng đo đạc [9].

Những tiểu hành tinh xa xôi nhất cũng hé lộ dấu vết

Nếu nước trên Trái Đất không đến từ sao chổi, có lẽ nó đến từ tiểu hành tinh. Những thiên thể đá này chủ yếu tập trung giữa Sao Hỏa và Sao Mộc, và liên tục va vào hành tinh chúng ta dưới dạng thiên thạch [10], dù phần lớn vật chất của chúng bị thiêu cháy trong khí quyển hoặc rơi xuống đại dương.

Các nhà khoa học đã thu thập hàng chục nghìn thiên thạch [11] và phát hiện ra rằng, các phân tử nước trong một nhóm thiên thạch cụ thể có đặc tính rất giống với nước trên Trái Đất. Một thiên thạch rơi xuống thị trấn yên tĩnh Winchcombe ở Anh vào năm 2021 đã để lại một hố sâu trên lối xe vào nhà của một gia đình [12], có tỷ lệ D/H gần như trùng khớp hoàn toàn với đại dương trên Trái đất [13].

Tuy nhiên, thiên thạch có thể bị nhiễm tạp chất khi lao xuyên qua bầu khí quyển rực lửa và va đập xuống mặt đất. Đó là lý do các nhà khoa học đã phóng tàu vũ trụ đến tận các tiểu hành tinh, thu thập vật chất ngay trong không gian để mang về phân tích một cách chính xác nhất. Và họ nhận thấy các tiểu hành tinh đang bay trong không gian dường như cũng mang loại nước giống với Trái Đất.

Một nghiên cứu công bố năm 2023 [14] chỉ ra rằng nước từ tiểu hành tinh Ryugu, nơi cơ quan vũ trụ Nhật Bản từng tiếp cận năm 2018, có tỷ lệ D/H tương tự phần lớn lượng nước của chúng ta. Khi nói đến nguồn gốc nước trên hành tinh chúng ta, "ngày nay cộng đồng khoa học có lẽ nghiêng về tiểu hành tinh hơn là sao chổi," King nhận định.

Tuy nhiên, tỷ lệ D/H của tiểu hành tinh vẫn chưa đủ để khép lại cuộc tranh luận. Các tiểu hành tinh còn chứa một lượng nhỏ khí hiếm [15] như argon, krypton và xenon - những nguyên tố trơ có vai trò như những "dấu vân tay" để truy vết các quá trình địa chất. Giới khoa học phát hiện ra rằng, tỷ lệ hỗn hợp các khí này trên tiểu hành tinh thường không tương ứng với những gì chúng ta tìm thấy trên Trái Đất.

Ngoài ra, cả hai giả thuyết sao chổi và tiểu hành tinh đều vướng chung một rào cản cơ bản, đó là chúng phụ thuộc quá nhiều vào sự may rủi của vũ trụ. Phải có một lượng khổng lồ tiểu hành tinh hoặc sao chổi va vào Trái Đất ngay sau khi giai đoạn đại dương magma siêu nóng kết thúc, thì mới có thể tạo nên một thế giới ngập nước như ngày nay. Trong quá khứ, kịch bản về một va chạm muộn như vậy thường được mặc nhiên chấp nhận. Nhưng hiện nay, việc sự kiện đó có thực sự xảy ra hay không vẫn đang là chủ đề gây tranh luận.

Vẫn còn một khả năng khác, một khả năng không phụ thuộc vào sự ngẫu nhiên của vũ trụ, mà vào chính năng lực của hành tinh. Trái Đất đã tự tạo ra phần lớn nguồn nước cho chính mình.

Hydro trong những năm tháng đầu đời của Trái Đất

Khi các nhà thiên văn học quan sát các ngoại hành tinh, những thế giới nằm ngoài hệ Mặt Trời, họ nhận thấy khí quyển của chúng rất đa dạng. Khi chạy mô phỏng quá trình hình thành của những hành tinh này, các nhà khoa học nhận ra rằng nhiều hành tinh có thể đã khởi đầu với một lượng hydro rất lớn.

Liệu những năm tháng đầu đời của Trái Đất có diễn ra tương tự?

Trước đây, giới khoa học từng cho rằng Trái Đất sơ khai rất nghèo hydro. Họ rút ra kết luận này sau khi nghiên cứu chondrite enstatite, một loại thiên thạch có thành phần hóa học giống Trái Đất đến kỳ lạ. Do sự tương đồng đó, các nhà khoa học tin rằng cả hai có lẽ được hình thành từ cùng một nguồn vật chất. Những thiên thạch này dường như thiếu hụt hydro, vì vậy họ cho rằng hành tinh của chúng ta cũng vậy.

Nhưng các nghiên cứu gần đây [16], trong đó có một công trình do Bryson đồng tác giả, lại đưa ra phát hiện mới, rằng hydro thực chất luôn tồn tại bên trong những thiên thạch đó, chẳng qua nó bị ẩn đi trong các phân tử khác.

Nếu đúng như vậy, có lẽ Trái Đất thuở hồng hoang cũng từng tràn ngập hydro.

Mặt khác, đại dương magma nguyên thủy của Trái Đất chứa nhiều oxy. Chuyện gì sẽ xảy ra nếu hydro trong khí quyển của hành tinh hòa trộn được với lượng oxy nằm trong magma? [17] Một quá trình như thế có thể cho phép một hành tinh tự tổng hợp ra nước. Điều chưa rõ chỉ là lượng nước tạo ra sẽ nhiều tới mức nào.

Hai năm sau, có thêm một manh mối quan trọng từ loạt thí nghiệm đầy tham vọng của nhà vật lý Harrison Horn (Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore) [18], nhà địa vật lý S.-H. Dan Shim (Đại học Bang Arizona) [19] cùng các cộng sự. Nhóm nghiên cứu muốn đi tìm lời giải cho một câu hỏi lớn: Vì sao các "hành tinh cận Hải Vương" (sub-Neptunes) - loại ngoại hành tinh rất phổ biến, có đường kính lớn gấp 2 đến 4 lần Trái Đất - lại sở hữu bầu khí quyển ngậm nước như dữ liệu từ kính thiên văn cho thấy, ngay cả khi chúng nằm rất gần những ngôi sao chủ nóng rực?

Liệu chỉ một phản ứng giữa bầu khí quyển giàu hydro và đại dương magma có đủ để giải thích điều này?

Họ nghi ngờ rằng điều đó có thể xảy ra, nhưng với điều kiện một lượng hydro khổng lồ phải tạo ra áp suất cực lớn dội xuống magma. "Áp suất cao là phần quan trọng giúp thúc đẩy quá trình tạo nước," Horn nói. "Nó thực sự kích hoạt các phản ứng hóa học."

Để kiểm chứng mô hình, nhóm nghiên cứu đã tái tạo lại những điều kiện vô cùng khắc nghiệt và nguy hiểm tồn tại trên các hành tinh cận Hải Vương non trẻ. Họ cần nén hydro, một loại khí cực kỳ dễ cháy, dưới áp suất khổng lồ bằng các thiết bị đặc biệt gọi là đe kim cương, sau đó cho nó tiếp xúc với các mẫu đá được nung chảy bằng tia laser.

Nhóm nghiên cứu đã mất tới năm năm để phát triển các kỹ thuật nhằm thực hiện thí nghiệm này một cách an toàn và hiệu quả. "Chúng tôi đã làm vỡ rất nhiều kim cương," Shim kể lại. "Đó quả là một hành trình thú vị."

Họ kỳ vọng hydro và oxy sẽ phản ứng để tạo thành nước. Và đó chính xác là những gì đã xảy ra, ở một mức độ vượt xa dự kiến.

Phản ứng giữa hydro áp suất cao và đá nóng chảy bằng laser hiệu quả tới mức nó tạo ra lượng nước nhiều hơn gấp 1.000 lần so với dự đoán ban đầu của các nhà khoa học [20]. Một nghiên cứu độc lập thứ hai [21], công bố gần như cùng thời điểm, cũng thu về kết quả tương tự.

"Việc cho rằng chúng ta có thể tạo ra một lượng nước khổng lồ trong thời gian khá ngắn là hoàn toàn có cơ sở," Paul Byrne [22], nhà khoa học hành tinh tại Đại học Washington ở St. Louis, nhận định. Và "toàn bộ lượng nước này được tổng hợp ngay tại chỗ, là nước bản địa", tức là không cần đến bất kỳ sao chổi hay tiểu hành tinh nào.

Vậy điều đó có đồng nghĩa với việc Trái Đất đã tự tạo ra các đại dương của riêng mình?

Nhưng đến đây, câu chuyện có vẻ phức tạp hơn. "Nghiên cứu của chúng tôi chưa đưa ra tuyên bố khẳng định nào về Trái Đất," Horn nói. Tuy nhiên, cả ông và Shim đều cho rằng việc áp dụng cơ chế này để giải thích cho Trái Đất vẫn hợp lý. "Điều đó có thể xảy ra mà," Shim khẳng định.

Các nhà khoa học khác cũng đồng tình rằng một phần nước nhất định có thể đã được hình thành ngay trên Trái Đất, nhưng có lẽ chưa đủ để lấp đầy toàn bộ các đại dương.

Lượng nước cụ thể là bao nhiêu thì vẫn là một bí ẩn lớn.

Không ai biết liệu bầu khí quyển sơ khai của Trái Đất có đủ lượng hydro để tạo ra mức áp suất khổng lồ mà phản ứng này đòi hỏi hay không. Các hành tinh cận Hải Vương có khối lượng lớn hơn Trái Đất rất nhiều, nhờ đó lực hấp dẫn mạnh của chúng giữ hydro hiệu quả hơn.

"Trái Đất nằm ngay sát ngưỡng ranh giới nơi bắt đầu quá trình này," Horn giải thích. Một số nhà khoa học không tin rằng Trái Đất có đủ khối lượng để tự sản xuất nước trên quy mô lớn. Còn Byrne lập luận rằng các thí nghiệm trên mô hình hành tinh cận Hải Vương cho thấy phản ứng này không nhất thiết phải kéo dài quá lâu để tạo ra một lượng nước khổng lồ. Có thể Trái Đất chỉ đóng vai trò là một "nhà máy sản xuất nước" trong một khoảnh khắc ngắn ngủi, nhưng chừng đó đã đủ để lấp đầy các đại dương.

Nếu giả thuyết này là đúng, tác động của nó sẽ vượt xa khỏi ranh giới hệ Mặt Trời của chúng ta. Rất có thể vô số hành tinh khác cũng đáp ứng được điều kiện tiên quyết cho sự sống này, bởi vì theo lời Byrne, chúng vốn "được sinh ra trong trạng thái ngậm nước".

Chìm trong vô vàn giả thuyết

Hoàn toàn có khả năng ít nhất một phần nước trên Trái Đất được tổng hợp từ chính các quá trình nội sinh của hành tinh. Nhưng giả thuyết sao chổi bỗng bất ngờ quay trở lại đường đua.

Tính đến thời điểm tàu Rosetta tiếp cận sao chổi 67P vào năm 2014, giới khoa học đã phân tích nước trên 11 sao chổi khác. Tất cả đều có tỷ lệ D/H khác biệt với Trái Đất - ngoại trừ một ngoại lệ duy nhất.

Năm 2011, Đài quan sát Không gian Herschel của ESA phát hiện ra rằng nước trên sao chổi Hartley 2 có dấu ấn hóa học rất giống với Trái Đất [23]. Ban đầu, người ta coi đây chỉ là một trường hợp dị biệt. Nhưng trong một bài báo công bố năm 2024, các nhà khoa học đã lật lại hồ sơ dữ liệu của Rosetta về sao chổi 67P [24], và phát hiện ra rằng môi trường không gian có thể đã làm sai lệch kết quả đo đạc.

Vào thời điểm thu thập mẫu, Rosetta đang bay xuyên qua một đám mây bụi chứa đầy nước nặng [25]. Rất có thể bản thân phần lõi băng của sao chổi, nằm khuất sau lớp bụi này, thực chất lại sở hữu thành phần nước khá giống với Trái Đất. Sau đó, một bài báo công bố vào năm 2025 về sao chổi 12P/Pons-Brooks lại tiếp tục phát hiện tỷ lệ D/H vô cùng tương đồng với đại dương của chúng ta [26].

Vậy rốt cuộc, nguồn nước của chúng ta vẫn là từ sao chổi? Hay là tiểu hành tinh? Hay Trái Đất đã tự "vặn vòi nước" của chính mình?

"Tôi ngờ rằng đó là sự kết hợp của tất cả những nguồn này," Meech nhận định.

Có lẽ lý do khiến chúng ta rất khó tìm thấy một thiên thể ngoài Trái Đất có thành phần nước trùng khớp 100% với hành tinh của mình là vì nước trên Trái Đất vốn là một "ly cocktail" cực kỳ phức tạp - một hỗn hợp không ngừng bị biến đổi, nhào nặn và chắt lọc qua hàng tỷ năm bởi các quá trình địa chất, khí quyển và sinh học.

Các nhà khoa học sẽ không ngừng nỗ lực giải mã một trong những câu hỏi cơ bản nhất về Trái Đất, và suy cho cùng, là về chính sự tồn tại của con người.

"Nó giống như việc tự hỏi: sự sống bắt nguồn từ đâu?" Meech nói. "Càng tìm hiểu, bạn càng nhận ra mình biết ít đi, ấy thế mà câu chuyện lại càng ngày càng phong phú và hấp dẫn hơn."

Việt Anh dịch

Nguồn tham khảo: