Nguồn gốc của Trái Đất

Chỉ cần nhìn vào cơ thể chính mình, ta có thể hiểu được một phần lịch sử phát triển của vũ trụ. Cơ thể người trưởng thành là hệ thống phức tạp đến khó tin, tạo thành từ hàng nghìn tỷ tế bào gồm vô số nguyên tử góp phần cấu tạo nên Trái Đất.

Góc nhìn khoa học đằng sau cơ thể con người cũng cho ta biết nhiều điều về sự tiến hóa, quá trình phát triển Trái Đất và cả vũ trụ rộng lớn.

Cơ thể con người tạo thành từ những thành phần vô cùng nhỏ bé: Nguyên tử. Oxy là nguyên tố tồn tại nhiều nhất, tiếp đến là carbon, hydro, nitơ và canxi.

Trong 0,1 miligam cơ thể người chứa ít nhất 56 nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học, gồm cả những nguyên tố nhẹ và nguyên tố nặng, đóng vai trò quan trọng trong các hoạt động sinh học của cơ thể.

Vậy điều gì trong vũ trụ khiến sự sống có mặt trên hành tinh như Trái Đất và xoay quanh ngôi sao như Mặt Trời? Chúng ta không thể cứ nói “vì vũ trụ là vậy”. Để trả lời, hàng nghìn năm qua, con người phải đưa ra giả thuyết, làm thí nghiệm, quan sát và kết luận. Những phương pháp đó dần hé lộ đáp án chúng ta đang tìm kiếm.

Thiết kế của một nghệ sĩ về không gian vũ trụ trong khoảng thời gian hình thành sao lần đầu. Ảnh: NASA.

Những yếu tố cho một vũ trụ hoàn hảo

Yếu tố đầu tiên tạo nên sự sống là các nguyên tử hóa học. Nghiên cứu vũ trụ từ các ngôi sao lớn đến vụ nổ Big Bang giúp xác định phần lớn nguyên tố đến từ đâu.

Sau vụ nổ Big Bang chỉ có hydro, heli và một chút lithium được hình thành. Dù ở giai đoạn đầu sau vụ nổ, vũ trụ đang ở trạng thái nóng nhất, có nhiều proton cũng như neutron năng lượng cao, nhưng lúc này cũng có rất nhiều photon. Mỗi khi proton và neutron liên kết với nhau, các hạt ánh sáng này chen vào và tách chúng ra nên chỉ có các nguyên tố nhẹ được tạo.

Chỉ khi vũ trụ đã giãn nở và nguội đi, các proton và neutron mới có thể kết hợp tạo thành các nguyên tố nặng hơn. Nhưng lúc đó, vật chất quá đậm đặc và giàu năng lượng nên cho đến một khoảng thời gian sau, lúc các vì sao bắt đầu hình thành, nguyên tố nặng mới xuất hiện.

Phải mất hàng chục, thậm chí hàng trăm triệu năm để vũ trụ nguội đi và lực hấp dẫn có thể tập hợp được các loại vật chất từ khắp nơi, hình thành những ngôi sao đầu tiên.

Để làm được điều đó, môi trường trong vũ trụ buộc phải không hoàn hảo. Một vài nơi phải có mật độ vật chất đậm đặc hơn bình thường.

Ngoài ra, môi trường phải đủ nguội để các electron tự do và hạt nhân ion hóa có thể kết hợp tạo thành các nguyên tử ổn định.

Kế đến là thu hút đủ lượng vật chất vào một nơi để các đám mây khí sụp đổ, hình thành nên các ngôi sao.

Ảnh minh họa thiên hà CR7 xa xôi. Ảnh: ESO.

Và cuối cùng, năng lượng tạo ra sau vụ sụp đổ phải đủ để tạo thành phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi sao.

Yếu tố đầu tiên là một trong những bằng chứng cho vũ trụ giãn nở. Yếu tố thứ hai là nguyên nhân hình thành nền vi sóng vũ trụ. Yếu tố thứ ba tốn hàng chục đến hàng triệu năm mới xuất hiện.

Song yếu tố thứ tư lại là vấn đề nan giải. Thông thường, khí nguội đi để hình thành sao bằng cách tỏa năng lượng thông qua các nguyên tố nặng. Lúc đầu, các nguyên tố này còn chưa tồn tại, cách duy nhất để làm mát là thông qua khí hydro song quá trình này không đem lại hiệu quả bằng các nguyên tố nặng.

Do đó, những ngôi sao đầu tiên trong vũ trụ, còn gọi là sao loại III, rất khác với các ngôi sao được hình thành trong hiện tại. Do thiếu nguyên tố nặng, các ngôi sao loại III to gấp 10 lần Mặt Trời, chúng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian ngắn và chết sau vụ nổ sao.

Vai trò vật chất tối

Các vụ nổ sao tạo ra phần lớn nguyên tố nặng và sao neutron, các sao này lại va chạm với nhau tạo thành những nguyên tố nặng nhất: Vàng, i-ốt, bạch kim và vonfram. Những ngôi sao ban đầu và sao siêu mới của chúng rất quan trọng.

Tuy nhiên, điều này cũng đặt ra vấn đề khác. Các cụm sao ban đầu có lượng vật chất thấp nhưng những vụ nổ sao mới lại giải phóng vật chất rất nhanh, dẫn đến nguyên tố nặng bị đẩy ra môi trường liên sao. Nhưng chúng ta cần giữ lại các nguyên tố đó để hình thành thế hệ sao mới, hành tinh đất đá như Trái Đất và tạo ra sự sống. Lúc này, vật chất tối bắt đầu tham gia vào câu chuyện.

Những vật chất bình thường trong vũ trụ, các khí, bụi vũ trụ hay lỗ đen cũng không cung cấp đủ lực hấp dẫn để neo giữ các nguyên tố nặng. Một vũ trụ chỉ chứa những nguyên tử bình thường không đủ để hình thành cấu trúc đồ sộ như dải Ngân Hà chúng ta đang sống mà cần đến một thành phần phụ: Vật chất tối.

Vật chất tối giúp các cụm sao và thiên hà nguyên thủy có đủ lực hấp dẫn để giữ lại những vật liệu bị đẩy ra từ vụ nổ sao, đồng thời hút thêm nhiều vật chất khác. Theo thời gian, các ngôi sao tiến hóa hơn được hình thành và chứa nhiều nguyên tố nặng hơn.

Minh họa về hệ Mặt Trời trẻ Beta Pictoris, khá giống với thời kỳ đầu của Mặt Trời chúng ta. Ảnh: NASA.

Khối lượng của chúng lại nhẹ hơn, góp phần tạo ra thêm nhiều nguyên tố khác trong bảng tuần hoàn và các sao lùn trắng. Khi sao lùn trắng va chạm và phát nổ, chúng lại tạo thành nhiều nguyên tử như cacbon, nitơ và canxi - những nguyên tố quan trọng trong cơ thể con người.

Cuối cùng, sau hàng tỷ năm trôi qua, những thiên hà đơn lẻ như dải Ngân Hà giàu nguyên tố nặng đến nỗi khi các ngôi sao mới được hình thành, những hành tinh đất đá như Trái Đất cũng được tạo ra xung quanh chúng.

9,2 tỷ năm sau vụ nổ Big Bang, ở một khu vực nào đó trong dải Ngân Hà sẽ có nhiều sao mới được tạo thành, trong số đó có cả Mặt Trời. Đĩa tiền hành tinh của ngôi sao non trẻ này kết tụ lại, tạo thành bốn hành tinh đất đá bên trong và bốn hành tinh khí khổng lồ bên ngoài. Hành tinh thứ 3 tính từ Mặt Trời mang tên Trái Đất từ từ tạo nên sự sống và con người sinh sôi ở đây.

Quy luật hình thành nên sự sống trong vũ trụ luôn là như thế. Vũ trụ với các vật chất thông thường sẽ tạo ra nguyên tố nhẹ, mật độ vật chất không hoàn hảo tạo ra thế hệ sao đầu tiên, vật chất tối giữ lại vật chất bị giải phóng và hình thành sao mới từ các nguyên tố nặng.

Thế hệ sao mới sẽ có những ngôi sao như Mặt Trời và tạo nên các hành tinh đất đá tương tự Trái Đất, từ đó sự sống bắt đầu, tồn tại và phát triển.