Nghiên cứu mới nhất của Đại học Washington ở Hoa Kỳ chỉ ra rằng nhiều ngoại hành tinh trước đây được coi là "ứng cử viên có thể ở được", ngay cả khi chúng nằm trong vùng có thể ở được của các ngôi sao của chúng và có nhiệt độ bề mặt phù hợp với sự tồn tại của nước ở dạng lỏng, vẫn rất có thể hoàn toàn không phù hợp với sự sống nếu chúng quá khô cằn.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng đối với một hành tinh đá có kích thước tương tự Trái đất, để duy trì môi trường bề mặt ổn định và có thể ở được trong khoảng thời gian địa chất dài, lượng nước bề mặt của nó cần đạt ít nhất khoảng 20% ​​đến 50% tổng thể tích của các đại dương trên Trái đất. Điều này có nghĩa là một số lượng lớn cái gọi là "hành tinh sa mạc" - ngay cả khi quỹ đạo của chúng ở vị trí "vừa phải" - có thể sẽ không còn phù hợp để hỗ trợ sự sống về mặt tài nguyên nước.

Cho đến nay, các nhà thiên văn học đã xác nhận hơn 6.000 ngoại hành tinh và hàng tỷ vật thể tương tự được cho là sẽ tồn tại trên khắp Dải Ngân hà. Một phần đáng kể của nó nằm trong vùng có thể ở được của ngôi sao, nơi nhiệt độ về mặt lý thuyết cho phép nước ở dạng lỏng tồn tại. Tuy nhiên, nhóm Đại học Washington nhấn mạnh rằng việc “ở đúng nơi” chỉ là một phần của phương trình; hành tinh này vẫn cần có cơ chế điều hòa khí hậu ổn định lâu dài và điều này phần lớn phụ thuộc vào cách nước tương tác với thạch quyển và khí quyển.

Haskell White-Giannella, tác giả đầu tiên của bài báo và là nghiên cứu sinh về khoa học trái đất và vũ trụ, cho biết rằng khi tìm kiếm sự sống trong vũ trụ rộng lớn và nguồn lực quan sát hạn chế, chúng ta phải học cách "sàng lọc" một số mục tiêu hành tinh một cách có chủ đích. Nghiên cứu này tập trung vào các hành tinh khô cằn có trữ lượng nước bề mặt cực thấp, ít hơn nhiều so với toàn bộ đại dương trên Trái đất, để đánh giá liệu chúng có thực sự có thể sinh sống được hay không.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên "Tạp chí Khoa học Hành tinh" (Tạp chí Khoa học Hành tinh), và cốt lõi nằm ở quá trình then chốt của chu trình cacbon địa chất hành tinh. Trên Trái đất, chu trình do nước điều khiển này di chuyển carbon giữa khí quyển và bên trong hành tinh trong hàng triệu năm, giúp điều chỉnh nhiệt độ bề mặt toàn cầu.

Trên Trái đất, núi lửa thải ra carbon dioxide vào khí quyển, sau đó hòa tan trong nước mưa. Nước mưa phản ứng hóa học với đá bề mặt và các dòng sông mang vật liệu cacbon vào đại dương, nơi chúng lắng đọng dưới đáy biển. Cùng với các chuyển động kiến ​​tạo mảng, lớp vỏ đại dương giàu carbon đã bị hút chìm bên dưới các lục địa và trong các quá trình như tạo núi, carbon đã được đưa trở lại bề mặt trong một thời gian dài.

Tuy nhiên, nếu một hành tinh thiếu đủ nước để duy trì lượng mưa ổn định và trên diện rộng thì "bộ điều nhiệt" chu trình carbon này sẽ bị hỏng. Khi lượng mưa và thời tiết suy yếu, hiệu quả "rút" carbon dioxide ra khỏi khí quyển giảm đáng kể, trong khi quá trình phun trào núi lửa vẫn tiếp tục. Kết quả là carbon dioxide trong khí quyển tiếp tục tích tụ, hiệu ứng nhà kính tăng cường, nhiệt độ tiếp tục tăng và lượng nước còn lại bốc hơi với tốc độ nhanh, cuối cùng tạo thành một vòng luẩn quẩn khiến bề mặt hành tinh trở nên quá nóng và không thể ở được.

White-Giannella chỉ ra rằng điều này có nghĩa là ngay cả những hành tinh khô giống Trái đất nằm trong vùng có thể sinh sống được rất có thể không phải là mục tiêu lý tưởng để tìm kiếm sự sống. Nghiên cứu cũng nhắc nhở rằng trong công trình lý thuyết trước đây, cơ chế chu trình carbon trên các hành tinh khô cằn tương đối thiếu kiểm tra một cách có hệ thống, điều này có thể khiến mọi người quá lạc quan về tiềm năng sinh sống của "các ngoại hành tinh sa mạc".

Do việc quan sát trực tiếp các ngoại hành tinh đá vẫn cực kỳ khó khăn nên các nhà khoa học thường dựa vào mô phỏng số để khám phá sự tiến hóa khí hậu lâu dài và các đặc điểm chu trình nước của chúng. Trong công trình này, nhóm nghiên cứu đã cải tiến mô hình chu trình carbon hiện có, xác định lại các quá trình chính như bốc hơi và kết tủa, đặc biệt đối với môi trường khô cằn, đồng thời đưa ra các yếu tố thường bị bỏ qua trước đây, chẳng hạn như tác động của trường gió đến sự phân bố hơi nước và hiệu suất bay hơi.

Joshua Krissanson-Totten, đồng tác giả của bài báo và trợ lý giáo sư tại Khoa Khoa học Trái đất và Vũ trụ tại Đại học Washington, cho biết loại mô hình chu trình carbon "dựa trên cơ chế" tinh tế này ban đầu được sử dụng để tìm hiểu quá trình tiến hóa khí hậu và điều chỉnh nhiệt độ của Trái đất trong lịch sử địa chất lâu dài của nó và hiện đang được mở rộng sang nghiên cứu các ngoại hành tinh. Kết quả mới cho thấy ngay cả khi một hành tinh khô cằn có một lượng nước bề mặt nhất định trong giai đoạn đầu, nó sẽ có khả năng cao bị mất nước do mất cân bằng chu trình carbon ở các giai đoạn sau, phát triển từ một thế giới có khả năng sinh sống thành một "hành tinh mất cân bằng" nóng và không thể ở được.

Nghiên cứu cũng chuyển sự chú ý sang một "thí nghiệm tự nhiên" rất gần: Sao Kim. Sao Kim có kích thước tương tự Trái đất và được hình thành cùng thời điểm, và một số mô hình thậm chí còn cho rằng nó có thể có nhiều nước bằng Trái đất trong những ngày đầu hình thành. Tuy nhiên, ngày nay nhiệt độ bề mặt của sao Kim có thể so sánh với nhiệt độ của lò nướng bánh pizza đốt củi và áp suất bề mặt cao đến mức "có cảm giác như mười con cá voi xanh đang ấn vào nó cùng lúc".

Cộng đồng khoa học từ lâu đã thảo luận về lý do tại sao Trái đất và Sao Kim lại bắt tay vào những con đường tiến hóa hoàn toàn khác nhau. White-Giannella và Crisanson-Totten đề xuất rằng Sao Kim có thể đã gây ra sự mất cân bằng chu trình carbon và quá trình nhà kính biến mất sớm vì nó ở gần mặt trời hơn và có lượng nước ban đầu thấp hơn một chút. Khi carbon dioxide tiếp tục tích tụ trong khí quyển và nhiệt độ tăng dần, một lượng lớn nước cuối cùng sẽ bị mất đi và sự sống, nếu từng tồn tại, sẽ mất đi môi trường sống.

Trong vài năm tới, nhiều sứ mệnh thám hiểm sao Kim sắp tới dự kiến ​​sẽ giải đáp "bí ẩn hành tinh chị em" này và kiểm tra những suy luận chính của mô hình chu trình carbon nói trên. White-Giannella tin rằng mặc dù con người gần như không thể đáp xuống bề mặt của bất kỳ ngoại hành tinh thực sự nào trong thời gian có thể thấy trước, nhưng sao Kim - "điểm tương đồng gần nhất với các ngoại hành tinh giống Trái đất" - mang đến một cơ hội độc đáo. Nhóm nghiên cứu

hy vọng rằng dữ liệu từ các sứ mệnh này sẽ giúp xác minh khung lý thuyết về sự mất cân bằng chu trình carbon trên các hành tinh khô cằn và có thể được sử dụng để giải thích các đặc điểm khí quyển và trạng thái tiến hóa của các ngoại hành tinh xa xôi. Krissanson-Totten lưu ý rằng nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng đối với cách chúng ta đánh giá “danh sách thực sự” về các hành tinh có khả năng sinh sống được trong vũ trụ. Nhiều mục tiêu từng được phân loại đại khái là "ứng cử viên có thể ở được" có thể sẽ được phân loại lại theo tiêu chí nghiêm ngặt hơn về hàm lượng nước và chu trình carbon.