‘Siêu bọt’ tạo ra tia vũ trụ

Một cái bọt khổng lồ gồm chất khí loãng, nóng bỏng, vừa được làm rõ là một nguồn phát tia vũ trụ - những hạt bí ẩn liên tục bắn phá Trái đất. Việc quan sát cái gọi là siêu bọt trên, với bề ngang hơn 100 năm ánh sáng, được thực hiện qua những tia gamma thu thập bởi vệ tinh Fermi của NASA và làm sáng tỏ về nguồn gốc của tia vũ trụ trong những vùng đang hình thành sao khối lượng lớn.

Tia vũ trụ là những proton, hạt nhân, và electron năng lượng cao từ không gian bên ngoài đi tới Trái đất. Kể từ khi chúng được phát hiện ra hồi năm 1912 bởi nhà vật lí người Áo Victor Hess, các nhà khoa học đã tranh cãi không ngớt về nguồn gốc của chúng và chúng được tăng tốc như thế nào. Truyền đi ở gần tốc độ ánh sáng, chúng có thể có năng lượng cao nhiều bậc so với cái đạt được trong những cỗ máy gia tốc mạnh nhất trên Trái đất.

Nhiều nhà khoa học tin rằng tia vũ trụ với năng lượng lên tới khoảng 10¹⁵ eV được gia tốc bởi những sóng xung kích tạo ra khi một sao siêu mới (một ngôi sao khối lượng lớn phát nổ) làm bắn vọt chất liệu vào trong không gian ở những tốc độ rất cao. Dữ liệu phân tích từ phi thuyền Advanced Composition Explorer của NASA hồi năm 2003 cung cấp bằng chứng gián tiếp rằng ít nhất có một số tia vũ trụ được gia tốc bên trong những vùng hình thành sao khối lượng lớn, nơi có khoảng 80% tàn dư sao siêu mới cư trú. Vệ tinh đã đo hàm lượng tương đối của những đồng vị khác nhau trong những mẩu tia vũ trụ đi tới Trái đất, và nhận thấy trong khi bốn phần năm chất liệu này tương tự với cái tìm thấy trong hệ mặt trời của chúng ta, thì khoảng một phần năm tương ứng với chất liệu do những ngôi sao khối lượng lớn bắn vọt ra.

Ảnh minh họa kính thiên văn vũ trụ Fermi LAT. (Ảnh: NASA)

Sự hậu thuẫn trực tiếp hơn

Nghiên cứu mới nhất mang lại sự hậu thuẫn trực tiếp hơn cho giả thuyết này. Một đội quốc tế gồm các nhà thiên văn vật lí học đã phân tích dữ liệu tia gamma ghi nhận bởi Kính thiên văn Diện tích Lớn gắn trên vệ tinh Fermi, và tìm thấy một nguồn tia gamma mở rộng phát ra từ bên trong vùng thuộc chòm sao Cygnus. Sự phát tia gamma trải rộng theo một đường chừng 160 năm ánh sáng, giữa hai đám sao khối lượng lớn, một đám chứa hơn 500 ngôi sao lớn và nhóm kia chứa khoảng 75 sao.

Những ngôi sao khối lượng lớn được hình thành bên trong những đám mây khí đậm đặc và khi chúng lớn lên chúng phún xạ vật chất ở dạng gió sao và khi chúng phát nổ dưới dạng sao siêu mới. Áp suất của những sự phún xạ này đẩy chất khí ra xa ngôi sao, tạo ra những hốc trống, hay những cái bọt, xung quanh chúng. Những cái bọt này có thể lớn lên cho đến khi chúng hợp nhất với những cái bọt từ những ngôi sao láng giềng, vì thế tạo nên siêu bọt.

Các nhà nghiên cứu Fermi tin rằng tia gamma mà họ quan sát thấy là kết quả của tia vũ trụ sinh ra bên trong một siêu bọt sau đó tương tác với chất khí và ánh sáng chứa bên trong bọt. Các nhà thiên văn vật lí sử dụng những tia gamma như thế để quan sát hành trạng của tia vũ trụ bởi vì, không giống như tia vũ trụ, tia gamma không bị lệch bởi từ trường thấm đẫm trong không gian, và do đó nguồn gốc của chúng dễ định vị hơn.

Quan điểm cho rằng vệ tinh Fermi đang nhìn thấy những tia vũ trụ được tạo ra bên trong siêu bọt Cygnus nhận được sự ủng hộ bởi số lượng tương đối lớn của những photon năng lượng cao mà nó phát hiện ra. Phổ tia gamma “cứng” này cho thấy tia vũ trụ được gia tốc ở gần nơi chúng sinh ra tia gamma, tức là ở bên trong siêu bọt. Sự phát xạ tia gamma do tia vũ trụ tạo ra trong vùng láng giềng của Trái đất, trái lại, có một phổ “mềm” vì tia vũ trụ đã truyền đi xa nguồn phát của chúng hơn và đã mất năng lượng trong quá trình đó.

“Bằng chứng chắc chắn” đầu tiên

“Đây là lần đầu tiên chúng ta có bằng chứng chắc chắn của nguồn gốc tia vũ trụ bên trong những vùng đang hình thành sao khối lượng lớn”, phát biểu của thành viên nhóm Luigi Tibaldo thuộc trường Đại học Padua ở Italy. “Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tìm hiểu bí ẩn của tia vũ trụ.”

Bước tiếp theo là xác định rõ cái gì đang gây ra sự gia tốc. Như Tibaldo giải thích, thủ phạm có thể là những sóng xung kích tạo ra bởi những tàn dư sao siêu mới, hoặc là tác dụng chung của nhiều sóng xung kích khác nhau. Việc làm sáng tỏ câu hỏi này sẽ đòi hỏi những quan sát phân giải cao hơn của siêu bọt Cugnus, cũng như những mô hình tinh vi hơn của sự gia tốc siêu bọt và có thêm dữ liệu từ những vùng đang hình thành sao khối lượng lớn khác, cả nằm bên trong lẫn bên ngoài thiên hà của chúng ta, Tibaldo nói.

Tuy nhiên, Tibaldo cho rằng sự gia tốc siêu bọt như thế tự nó không thể lí giải bí ẩn tia vũ trụ. Đó là vì sóng xung kích tạo ra bởi những tàn dư sao siêu mới hay những đám sao khối lượng lớn không không đủ mạnh để gia tốc tia vũ trụ lên những năng lượng cao nhất mà chúng đã được quan sát thấy – 10²⁰ eV và cao hơn nữa.

Alan Watson thuộc trường Đại học Leeds, không phải người thuộc đội Fermi, tin rằng những kết quả mới trên là “một khám phá quan trọng” trong ngành vật lí tia vũ trụ vì, ông nói, “rõ ràng các nhà nghiên cứu đã xác lập rằng có những hạt mới được gia tốc trong vùng siêu bọt đó,” nhưng ông cho rằng “vẫn còn những câu hỏi”, ví dụ như các hạt được gia tốc đó là proton hay electron. “Thật không may, không có vẻ gì là vấn đề nguồn gốc của vũ trụ hoàn toàn được giải quyết đúng dịp kỉ niệm trăm năm vào tháng 8 năm 2012,” ông nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 334 1103.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp