Lâu nay các nhà khoa học vẫn thắc mắc không biết sự từ hóa quan sát thấy của môi trường giữa các sao từ đâu mà có, biết rằng chất khí ion hóa hoàn toàn của vũ trụ sơ khai không chứa hạt từ tính nào cả. Theo một nghiên cứu mới đây của một nhà thiên văn vật lí ở Đức thì câu trả lời nằm ở những thăng giáng từ tính bên trong plasma này, Mặc dù những thăng giáng này ban đầu có tổng bằng không, nhưng chúng sẽ để lại một thặng dư dương của trường một khi bị nén bởi những hiện tượng năng lượng cao ví dụ như những vụ nổ sao siêu mới.
Từ tính vĩnh cửu là một tính chất của chỉ vài ba chất liệu, ví dụ như sắt, trong đó spin của từng electron sắp thẳng hàng tự nhiên theo một chiều và tạo ra một từ trường dư. Trong vũ trụ sơ khai, trước khi sắt và những chất liệu từ tính khác được sản sinh ra bên trong các ngôi sao, từ tính vĩnh cửu không tồn tại. Tuy nhiên, tiền thân của môi trường giữa các sao, một plasma gồm một vài hạt nhân nhẹ cùng với những proton và electron tự do và đã hình thành khi vũ trụ chưa tới một tỉ năm tuổi, thật sự có một từ trường khác không.
Hình minh họa một sao siêu mới. (Ảnh: NASA/CXC/M Weiss)
Những hạt giống từ
Các nhà thiên văn vật lí tin rằng sự suy sụp rồi nổ của những ngôi sao khối lượng lớn gọi là sao siêu mới hay những dòng hạt tích điện gọi là gió thiên hà có thể đã cấp năng lượng cần thiết để nén những từ trường nhỏ và hỗn độn, hay “hạt mầm”, để chúng trở nên không theo một phương duy nhất và mạnh như từ trường quan sát trong môi trường giữa các sao – nghĩa là, có mật độ năng lượng đại khái bằng với mật độ gây ra bởi áp suất nhiệt của môi trường đó. Câu hỏi đặt ra là: những từ trường hạt giống này từ đâu mà có?
Để trả lời câu hỏi này, Reinhard Schlickeiser thuộc trường Đại học Ruht ở Bochum đã xét mầm plasma giữa các sao sau khi nó xuất hiện không bao lâu – một thời kì gọi là giai đoạn “ion hóa trở lại” khi có cái gì đó, có khả năng là ánh sáng từ những ngôi sao đầu tiên, đã cấp năng lượng cần thiết để phá vỡ chất khí trung hòa trước đó đã tồn tại trong vũ trụ. Các proton và electron bên trong plasma đó sẽ chuyển động liên tục, bởi vì chúng tồn tại ở một nhiệt độ hữu hạn. Và, giống như mọi hạt tích điện khác chuyển động ngẫu nhiên, chúng sẽ tạo ra những từ trường ngẫu nhiên – những trường đó sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Tuy nhiên, theo Schlickeiser, chính sự dao động hữu hạn của những “thăng giáng” từ đã đưa đến sự hình thành một từ trường vĩnh cửu trong toàn vũ trụ.
Để tính ra sự biến thiên độ lớn trường của các thăng giáng, Schlickeiser đã sử dụng một lí thuyết do ông phát triển trong năm 2012 cùng với Peter Yoon thuộc trường Đại học Maryland. Các thăng giáng đó là “không có chu kì”, nghĩa là, không giống như các biên thiên từ trường và điện trường gây ra bức xạ điện từ, chúng không truyền đi dưới dạng sóng. Thật vậy, bước sóng của chúng – khoảng cách không gian trên đó các thăng giáng xảy ra – và tần số của chúng – đại lượng cho biết những thăng giáng này kéo dài bao liêu – là không có tương quan, trái với ánh sáng, cái có giá trị của bước sóng và tần số gắn chặt với nhau qua vận tốc của sóng.
Yếu hơn nam châm tủ lạnh nhiều lần
Schlickeiser lấy tổng hết mọi bước sóng và tần số có thể có cho các thăng giáng từ trong một chất khí ở 10.000 K, đó đại khái là nhiệt độ của tiền thân môi trường giữa các sao tại thời điểm ion hóa trở lại. Tính toán cho thấy độ lớn trường vào khoảng 10-12 G bên trong những thiên hà rất sơ khai và khoảng 10-21 G trong khoảng trống xung quanh các thiên hà đó. Những giá trị này không là bao nhiêu so với 0,5 G của từ trường Trái đất và 100 G tiêu biểu của một nam châm tủ lạnh cỡ mạnh.
Schlickeiser cho biết ông không phải là người đầu tiên nêu ra một cơ chế hạt giống cho từ trường giữa các sao. Thật vậy, hồi năm 1950 nhà thiên văn người Đức Ludwig Biermann đã từng đề xuất rằng lực li tâm phát sinh trong một đám mây plasma đang quay sẽ tách các proton nặng ra khỏi những electron nhẹ, từ đó tạo ra sự phân li điện tích dẫn tới những điện trường và từ trường hết sức nhỏ. Tuy nhiên, theo Schlickeiser, phương án này thiếu những vật thể đang quay thích hợp, nghĩa là nó chỉ có thể tạo ra từ trường trong một phần nhỏ của môi trường giữa các sao.
Cần có bằng chứng quan trắc
Bước tiếp theo của Schlickeiser là đi tìm bằng chứng quan trắc ủng hộ cho quan điểm của ông. Một lựa chọn sẽ là nhìn vào phông nền vi sóng vũ trụ, bức xạ rất yếu bước sóng dài choán đầy vũ trụ và đã được phát ra lúc chừng 400.000 năm sau Big Bang, khi các electron và proton đã nguội đi đến mức chúng có thể kết hợp qua lực hút tương hỗ và để lại các photon truyền tự do trong không gian. Ý tưởng sẽ là đo các biên thiên trong sự phân cực của bức xạ này, công việc có thể thực hiện sử dụng dữ liệu thu từ vệ tinh Planck cảu Cơ quan vũ trụ châu Âu, biết rằng các từ trường làm quay mặt phẳng phân cực của các sóng điện từ. “Hiện nay không rõ những thăng giáng này có những hiệu ứng có thể đo được trên bức xạ nền hay không,” ông nói. “Nhưng tôi nghĩ nó đáng để nghiên cứu.”
Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i26/e261101
Nguồn: physicsworld.com
