Phát hiện mới về khả năng sống trên mặt trăng băng giá Enceladus của Sao Thổ

Hai công trình nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Science Advances đang làm dấy lên hy vọng về khả năng tồn tại sự sống ngoài Trái Đất trên Enceladus – một trong những mặt trăng băng giá của Sao Thổ. Nhóm nhà khoa học hành tinh tại Đại học Tự do Berlin (Freie Universität Berlin) cho rằng Enceladus có thể có điều kiện thuận lợi cho sự sống hơn ta từng nghĩ. Quan trọng hơn, các tàu vũ trụ thế hệ mới có thể phát hiện dấu hiệu sự sống ở đó dễ dàng hơn rất nhiều nếu sự sống thực sự tồn tại.

Mặt trăng băng giá Enceladus chụp bởi tàu Cassini

Vì sao Enceladus là mục tiêu hấp dẫn trong cuộc tìm kiếm sự sống

Enceladus được xem là một trong những nơi hứa hẹn nhất để tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh trong hệ Mặt Trời. Các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng bên dưới lớp vỏ băng giá của mặt trăng này là một đại dương nước lỏng toàn cầu, và sâu hơn nữa là một lõi đá.

Do hoạt động núi lửa băng (cryovolcano), những cột hơi nước khổng lồ phun qua các vết nứt ở lớp vỏ tại cực nam của mặt trăng, đẩy các hạt băng lên cao hàng trăm kilômét vào không gian. Tàu Cassini của NASA đã nhiều lần xuyên qua những cột hơi này để phân tích thành phần của chúng. Đại dương của Enceladus là "khối nước" ngoài Trái Đất duy nhất mà các nhà khoa học có thể trực tiếp phân tích mẫu.

Các mẫu này tiết lộ dấu vết của nhiều loại muối và hợp chất hữu cơ khác nhau. Hơn nữa, những phân tích trước đây của Cassini còn cho thấy dấu hiệu của các quá trình nhiệt dịch dưới đáy biển cùng nhiều điều kiện quan trọng khác để duy trì sự sống.

Các cột băng chia tách và phân loại thành phần của đại dương

Nghiên cứu của giáo sư Frank Postberg, mang tên "Cassini CDA Observes Compositional Segregation of Enceladus's Ice Grains from Slow Freezing and Fragmentation of Oceanic Spray", đưa ra những phát hiện bất ngờ về điều gì xảy ra với nước đại dương trên hành trình bay vào không gian.

Nhóm khoa học quốc tế đã sử dụng dữ liệu của Cassini, các thí nghiệm phòng thí nghiệm dài hạn và mô hình lý thuyết để tái dựng lại quá trình này. Các giọt nước hình thành ở bề mặt đại dương khi những bong bóng chứa khí nổi lên và vỡ. Hơi nước sau đó mang các giọt nước qua các vết nứt trong lớp vỏ băng ra ngoài không gian.

Trước đây, giới khoa học cho rằng các giọt nước này đông cứng tức thời. Tuy nhiên, phát hiện mới cho thấy chúng đông cứng từ từ. Chính quá trình chậm này khiến phần lớn các thành phần (kể cả những chất hòa tan) tách rời nhau. Muối và vật liệu hữu cơ vì thế được phân bố ở những vị trí khác nhau bên trong mỗi giọt nước đang đông cứng. Nhiều loại muối hòa tan trước đó cũng bị tách ra, ví dụ natri clorua (muối ăn) tách khỏi natri cacbonat.

Quá trình phân tách muối trong các giọt băng của Enceladus

Trên đường bay lên, các giọt đã đông cứng được gia tốc tới tốc độ lên tới 1.000 km/h. Nếu va vào thành các vết nứt băng, chúng vỡ thành những mảnh chỉ vài micrômét trước khi phóng vào không gian. Kết quả là các hạt băng thường chỉ chứa một chất đã bị tách riêng và có nồng độ rất cao.

"Enceladus thực sự làm giúp chúng ta rất nhiều công đoạn chuẩn bị mẫu phân tích mà bình thường tốn rất nhiều công sức trong các phòng thí nghiệm hóa học trên Trái Đất," giáo sư Postberg, người dẫn dắt nghiên cứu, cho biết. "Các thành phần của đại dương được tách khỏi nhau và đồng thời được cô đặc vào từng hạt băng riêng lẻ."

Giúp việc tìm dấu hiệu sự sống trở nên dễ dàng hơn

Khi khảo sát các cột hơi của Enceladus, cơ chế này không chỉ hữu ích trong việc mô tả đại dương như một môi trường tiềm năng cho sự sống, mà còn đặc biệt thú vị trong việc tìm kiếm dấu hiệu sinh học (biosignature) – tức những chỉ dấu đo đạc được của sự sống.

Nếu một trong những giọt nước đại dương chứa thành phần từ vi sinh vật ngoài hành tinh, chúng có thể bị tách khỏi các thành phần khác trong quá trình đông cứng. Sau khi vỡ, vật liệu vi sinh vật có thể chỉ nằm trong một phần nhỏ các hạt băng, nhưng trong những hạt đó, chúng tồn tại ở nồng độ cao và dạng tương đối tinh khiết.

"Đó là tin tuyệt vời trong cuộc tìm kiếm sự sống," Postberg nói. "Các tàu vũ trụ trong tương lai sẽ phải phân tích nhiều hạt băng riêng lẻ trong cột hơi. Nhưng nếu chúng bắt gặp một hạt chứa vật liệu vi sinh vật, chúng có thể nhận diện dấu hiệu sinh học trong hạt đó tương đối dễ dàng bằng công nghệ đã có sẵn."

Phát hiện này có thể mang ý nghĩa quan trọng cho các sứ mệnh không gian tương lai tới Enceladus, chẳng hạn sứ mệnh L4 của ESA hiện đang trong giai đoạn lên kế hoạch. Sứ mệnh này sẽ tập trung tìm kiếm dấu hiệu sự sống trên mặt trăng của Sao Thổ.

Liệu sự sống có thực sự tồn tại trên Enceladus?

Một nghiên cứu gần đây cũng mang đến những hiểu biết mới cho câu hỏi này. Cùng ngày bài báo của Postberg xuất hiện trên Science Advances, một bài báo khác trên cùng tạp chí được công bố bởi các nhà khoa học tại Đại học Ludwig-Maximilians (LMU) München: "Enceladus-Like Geochemistry Fuels Methanogenesis under Extreme CO₂-Limitation." Postberg và một đồng nghiệp khác tại Đại học Tự do Berlin, tiến sĩ Nozair Khawaja, đã tham gia nghiên cứu này.

Trong đó, các nhà khoa học đã tái tạo điều kiện đại dương của Enceladus trong phòng thí nghiệm. Đại dương này có nồng độ oxy rất thấp, nồng độ cacbonat rất cao và có tính kiềm mạnh (với độ pH khoảng 10 hoặc 11). Sau khi tái tạo những điều kiện này, bao gồm cả tương tác nhiệt dịch với đáy đại dương bằng đá, họ đưa Methanothermococcus okinawensis vào môi trường khép kín.

Đây là một loài vi sinh vật cổ sinh methane, thường sống gần các miệng phun nhiệt dịch dưới đáy biển sâu trên Trái Đất. Chúng không cần oxy – thứ vốn khan hiếm trên Enceladus – để tồn tại. Thay vào đó, quá trình trao đổi chất của chúng chỉ cần hydro và cacbon dioxide.

Kết quả thật bất ngờ: Sinh vật này không thể phát triển trong môi trường phòng thí nghiệm tối ưu ở độ pH cao như vậy, do thiếu cacbon dioxide hòa tan. Ngược lại, trong môi trường mô phỏng Enceladus, chúng vẫn tiếp tục phát triển, sinh ra methane nhờ hydro được tạo ra từ các phản ứng nước – đá. Trong điều kiện Enceladus mô phỏng, các vi sinh vật thậm chí còn có thể thích nghi quá trình trao đổi chất với lượng cacbon dioxide thấp.

"Đây thực sự là một bất ngờ với chúng tôi," Khawaja nói. "Đây là một thí nghiệm mà chúng tôi không hề kỳ vọng sẽ có kết quả thành công đến vậy."

Ý nghĩa đối với tương lai

Kết hợp lại, hai nghiên cứu trên Science Advances làm sáng tỏ thêm cuộc tìm kiếm sự sống ngoài hành tinh.

"Trên Enceladus, những điều kiện địa hóa đặc thù có thể cho phép một trong những hệ trao đổi chất lâu đời nhất được biết đến trên Trái Đất hoạt động, ngay cả trong môi trường có tính kiềm rất cao," Postberg nói. "Điều đó không có nghĩa là có sự sống trên mặt trăng của Sao Thổ, nhưng nghiên cứu đầu tiên của chúng tôi cho thấy rằng – trong trường hợp sự sống tồn tại – các sứ mệnh không gian tương lai có thể có cơ hội tốt để tìm thấy dấu vết nếu chúng phân tích từng hạt băng riêng lẻ từ cột hơi của Enceladus."

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tự do Berlin đang điều tra sự hình thành sự sống trong không gian. Đâu là những điều kiện tiên quyết để các hành tinh và mặt trăng có thể tạo ra và duy trì sự sống? Đây là chủ đề nghiên cứu trọng tâm của các nhà khoa học hành tinh tại đây.

Một Trung tâm Nghiên cứu Hợp tác mới do Quỹ Nghiên cứu Đức (DFG) tài trợ, mang mã hiệu CRC 1759 "Habitability as a Fundamental Planetary Process" (Khả năng sống như một quá trình hành tinh cơ bản), đã được khởi động vào tháng 7 năm 2026. Trung tâm do giáo sư Lena Noack dẫn dắt, với giáo sư Frank Postberg làm phó. Trung tâm sẽ nghiên cứu những quá trình có thể đã cho phép sự sống hình thành trong không gian ngay từ đầu, trên Enceladus và các thiên thể khác, cả trong hệ Mặt Trời lẫn bên ngoài.