Việc tìm kiếm oxy trong bầu khí quyển của một hành tinh là một manh mối cho thấy sự sống có thể đang diễn ra.
Trên Trái đất, các sinh vật quang hợp hấp thụ carbon dioxide, ánh sáng Mặt trời, nước, tạo ra đường và tinh bột để cung cấp năng lượng. Oxy là sản phẩm phụ của quá trình đó, vì vậy nếu chúng ta có thể phát hiện Oxy ở một hành tinh khác, điều này chắc chắn sẽ tạo ra sự phấn khích đối với cộng đồng khoa học.
Nhưng các nhà nghiên cứu cũng đã đặt ra những nghi vấn với ý tưởng rằng sự xuất hiện của oxy trong bầu khí quyển của một hành tinh xa lạ sẽ là dấu hiệu của sự sống. Đó chỉ là bằng chứng về sự sống nếu chúng ta có thể loại trừ các con đường khác đã tạo ra oxy.
Trái đất bão hòa oxy. Nó chiếm 46% lớp vỏ và cùng một tỷ lệ phần trăm của lớp phủ, bầu khí quyển chứa khoảng 20% oxy.
Sự hiện diện của oxy bắt nguồn từ Sự kiện Oxygen Lớn (GOE) khoảng hai tỷ năm trước. Vi khuẩn lam cổ đại đã tiến hóa các sắc tố hấp thụ ánh sáng Mặt trời và sử dụng nó trong quá trình quang hợp. Oxy là chất thải của quá trình quang hợp, và sự sống đã có từ vài tỷ năm trước khi tạo oxy trong khí quyển, lớp phủ và lớp vỏ.
Vì vậy, nếu các nhà khoa học tìm thấy oxy trong bầu khí quyển của một hành tinh ngoài hành tinh, điều đó chỉ ra rằng sự sống có thể đang hoạt động. Cuộc sống đơn giản có thể đang sôi sục trong các đại dương của hành tinh, hấp thụ ánh sáng Mặt trời và thải ra oxy.
Nhưng nghiên cứu mới đã xác định được một nguồn oxy không phụ thuộc vào sự sống.
Bài báo nghiên cứu là "Sản xuất oxy phân tử phi sinh học — Con đường ion từ sulfur dioxide", được xuất bản trên tạp chí Science Advances. Tác giả chính là Måns Wallner, một nghiên cứu sinh về vật lý tại Đại học Gothenburg ở Thụy Điển.
Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một nguồn oxy phi sinh học bắt nguồn từ sulfur dioxide. Lưu huỳnh không hiếm trong các thiên thể, và vì núi lửa tạo ra lưu huỳnh, bơm nó vào khí quyển, do đó các hành tinh ngoài Trái đất có thể có oxy trong khí quyển của chúng. Và cuộc sống không cần phải tham gia.
Thay vào đó, bức xạ năng lượng cao từ một ngôi sao có thể làm ion hóa phân tử sulfur dioxide. Công thức của Sulfur dioxide là SO2, và khi nó bị ion hóa, phân tử sẽ tự sắp xếp lại. Nó trở thành một "hệ thống tích điện dương kép". Sau đó, nó có dạng tuyến tính với cả nguyên tử oxy ở cạnh nhau và lưu huỳnh ở đầu kia. Điều này được gọi là chuyển vùng, vì các nguyên tử oxy tự do trôi lăn lộn trong các quỹ đạo hỗn loạn cho đến khi lắng xuống thành các hợp chất mới.
"Khi ion hóa kép, hai trong số các electron liên kết trong phân tử bị đẩy ra và có thể dẫn đến sự thay đổi góc giữa các nguyên tử trong phân tử", tác giả chính Wallner cho biết trong một thông cáo báo chí.
"Ngoài ra, cũng rất quan trọng trong trường hợp hiện tại, chuyển vùng có thể xảy ra, tức là các nguyên tử chuyển vị trí cho nhau và phân tử có một hình dạng hoàn toàn mới".
Nhưng các thành phần của phân tử có thể không tái biến đổi thành SO2. Thay vào đó, lưu huỳnh có thể bị vỡ ra và một phân tử oxy tích điện dương đơn giản vẫn có thể tồn tại. Sau đó, điện tích dương có thể được trung hòa bằng cách thu hút một điện tử từ một phân tử khác.
Con đường dẫn đến oxy này có thể giải thích một số lượng oxy mà chúng ta tìm thấy ở những nơi khác. Io, Ganymede và Europa đều có oxy trong khí quyển của chúng, và chuyển vùng có thể là nguyên nhân.
Io là nơi có nhiều núi lửa - nơi có nhiều núi lửa nhất trong Hệ Mặt trời - nên sự sống bị loại trừ ở đó. Ganymede và Europa có đại dương dưới bề mặt, vì vậy chúng có khả năng chứa đựng sự sống. Nhưng sự sống đó không thể xây dựng bầu không khí oxy như sự sống trên Trái đất. Cần có một lời giải thích khác để giải thích về lượng oxy được tìm thấy trên những Mặt Trăng này.
Theo các nhà nghiên cứu, con đường oxy này cũng có thể xảy ra trên Trái đất. Raimund Feifel, đồng tác giả của bài báo báo cáo kết quả nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi cũng đề xuất trong bài báo của mình rằng điều này xảy ra tự nhiên trên Trái đất".
Con đường hình thành oxy ion này cũng có thể hoạt động đối với các phân tử khác, và đó là bước tiếp theo dành cho các nhà nghiên cứu. Họ muốn biết liệu các phân tử khác như carbon diselenide có bị ion hóa kép hay không.
Feifel cho biết: “Chúng tôi muốn xem liệu điều đó có xảy ra sau đó không, hay đó chỉ là một sự trùng hợp ngẫu nhiên với sulfur dioxide".
Một bài báo năm 2014 đã trình bày bằng chứng về oxy phân tử được tạo ra từ CO2 khi tiếp xúc với tia UV năng lượng cao.
Trong một bài báo năm 2015, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã chỉ ra rằng ánh sáng tia cực tím gần có thể tạo ra O2 trên các hành tinh khi tương tác với nước bằng cách sử dụng Titania (titanium dioxide) làm chất xúc tác.
Những phát hiện này giúp giải thích cách Trái đất có một lượng nhỏ oxy trong bầu khí quyển trước khi có GOE. Kính viễn vọng không gian James Webb là một phần của bối cảnh cho nghiên cứu này. Nghiên cứu khí quyển ngoại hành tinh là một trong những mục tiêu khoa học của kính thiên văn, và với các công cụ hồng ngoại mạnh mẽ của nó, nó đã sẵn sàng để tiết lộ cấu tạo hóa học của khí quyển các ngoại hành tinh.