Sau một thế kỉ, nay các nhà khoa học đã có trong tay bằng chứng thuyết phục đầu tiên rằng tia vũ trụ có nguồn gốc từ những tàn dư dữ dội của những ngôi sao bùng nổ.
Tia vũ trụ đi tới Trái đất từ mọi hướng trong không gian với lượng năng lượng dồi dào, qua mặt bất cứ thứ gì mà các máy va chạm nguyên tử mạnh nhất trên Trái đất có thể tạo ra. Có nhiều loại tia vũ trụ đa dạng, từ electron đến hạt nhân nguyên tử nặng đến phản vật chất, nhưng có khoảng 90% là proton.
Nhà khoa học người Áo Victor Hess đã khám phá ra những hạt tích điện đến từ không gian sâu thẳm này sau một chuyến bay khí cầu lên cao độ lớn vào năm 1912. Tuy nhiên, bất chấp một thế kỉ nghiên cứu, nguồn gốc của tia vũ trụ vẫn là một bí ẩn.
“Tia vũ trụ là một bộ phận quan trọng của tổng năng lượng của thiên hà của chúng ta, nhưng từ trước đến nay chúng ta chưa có bằng chứng không gây tranh cãi của nơi chúng phát sinh,” phát biểu của nhà thiên văn vật lí Stefan Funk tại Viện Thiên văn Vật lí hạt và Vũ trụ học ở Đại học Stanford, một trong các tác giả của nghiên cứu này.
Lâu nay các nhà khoa học vẫn hoài nghi tia vũ trụ có liên quan với các tàn dư sao siêu mới, những ngôi sao bùng nổ dữ dội nhất trong vũ trụ, chúng có thể được nhìn thấy ở ranh giới xa nhất của vũ trụ. Các nhà nghiên cứu cho rằng tia vũ trụ được tăng tốc từ từ và trong những khoảng thời gian dài bởi những lớp vỏ chất khí mà sao siêu mới tống khứ ra, gọi là tàn dư sao siêu mới.
Tuy nhiên, vì tia vũ trụ tích điện, nên chúng bị lệch bởi bất cứ từ trường nào mà chúng gặp. Vì những tia này có khả năng đã bị lệch nhiều lần trước khi đi tới Trái đất, nên việc chứng minh nguồn gốc của chúng là một thách thức thật sự.
Để giúp lí giải bí ẩn của nơi sinh tia vũ trụ, các nhà nghiên cứu đã bỏ ra bốn năm phân tích tia gamma với Kính thiên văn Diện tích Lớn gắn trên Kính thiên văn vũ trụ Tia gamma Fermi của NASA. Các nhà khoa học tập trung vào hai tàn dư sao siêu mới nằm bên trong Dải Ngân hà: IC 433, ở xa chừng 5.000 năm ánh sáng trong chòm sao Gemini, và W44, ở xa chừng 10.000 năm ánh sáng trong chòm sao Aquila.
“Lần đầu tiên chúng tôi đã tìm thấy nơi trong vũ trụ làm gia tốc các proton,” Funk nói.
Ảnh minh họa một vụ nổ sao siêu mới làm gửi đi những sóng xung kích làm gia tốc proton đến mức chúng trở thành tia vũ trụ, một quá trình gọi là sự gia tốc Fermi. Nhiều chi tiết của sự gia tốc Fermi chưa được hiểu rõ, nhưng dữ liệu thu từ Kính thiên văn vũ trụ Tia gamma Fermi của NASA cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng sự gia tốc Fermi là nguyên nhân gây ra tia vũ trụ. Ảnh công bố ngày 14 tháng 2, 2013.
Manh mối sao siêu mới
Trên nguyên tắc, các sóng xung kích từ sao siêu mới có thể làm gia tốc các proton lên mức năng lượng tia vũ trụ qua một quá trình gọi là sự gia tốc Fermi. Trong hiện tượng này, các proton bị bẫy bởi từ trường trong những sóng xung kích lan tỏa nhanh và được gia tốc đến gần tốc độ ánh sáng. Va chạm xảy ra giữa những proton nhanh chậm khác nhau có thể làm sinh ra những hạt dưới nguyên tử gọi là pion trung hòa, rồi những hạt này lại nhanh chóng phân hủy thành các photon tia gamma, dạng ánh sáng giàu năng lượng nhất.
Không giống như tia vũ trụ, tia gamma không bị ảnh hưởng bởi từ trường, nghĩa là chúng có thể lao vút đi theo đường thẳng và có thể được truy nguyên đến nơi sinh ra chúng. Như vậy, các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm những tia gamma này là bằng chứng trực tiếp của sự hình thành tia vũ trụ.
Tia gamma sinh ra từ sự gia tốc Fermi xuất hiện trong một ngưỡng năng lượng rạch ròi. Dữ liệu mà các nhà khoa học thu được từ các tàn dư sao siêu mới khớp với dấu hiệu năng lượng đặc trưng của sự phân hủy pion trung hòa, liên hệ rõ ràng sao siêu mới với tia vũ trụ.
“Đây là một bí ẩn trăm năm và việc có thể nhìn thấy bằng chứng trực tiếp của các proton gia tốc thật là tuyệt,” Funk nói.
“Cho đến nay, chúng ta chỉ mới có những tính toán lí thuyết và xu hướng chung chỉ dẫn chúng ta tin rằng tia vũ trụ được sinh ra trong những tàn dư sao siêu mới,” phát biểu của nhà thiên văn vật lí Jerry Ostriker tại trường Đại học Columbia, người không có liên quan trong nghiên cứu trên. “Sự phát hiện trực tiếp ra những dấu hiệu phân hủy pion trong các tàn dư sao siêu mới làm khép lại vấn đề và cung cấp bằng chứng quan trắc đầu tiên cho một thành phần đáng kể của tia vũ trụ.”
Mặc dù nghiên cứu này cho thấy sao siêu mới có thể làm sinh ra tia vũ trụ, nhưng vẫn chưa chắc chắn liệu những vụ nổ sao có gây ra phần lớn tia vũ trụ, hay có những nguồn sinh quan trọng khác nữa cho những hạt này. Vẫn chưa rõ là các tàn dư sao siêu mới làm gia tốc proton chính xác như thế nào và lên tới năng lượng bao nhiêu.
“Sự gia tốc trong sóng xung kích là một quá trình hơi chậm và xảy ra trong khoảng thời gian sống của tàn dư sao siêu mới,” Funk nói. “Chúng tôi muốn tìm hiểu hiệu suất của sự gia tốc đó trong những giai đoạn tiến hóa khác nhau và những chi tiết khác nữa của quá trình đó.”
Trong nghiên cứu tương lai, các nhà khoa học còn có thể săn tìm nguồn gốc của những tia vũ trụ có năng lượng cao hơn cả những proton này. “Để làm thế, người ta cần sử dụng các kính thiên văn mặt đất, các thiết bị sử dụng sự tương tác của tia gamma với khí quyển Trái đất, ví dụ như HESS hoặc VERITAS hoặc Ma trận Kính thiên văn Cherenkov trong tương lai,” Funk nói.
Những tia vũ trụ năng lượng cực cao, khối lượng cao lẫn năng lượng cao, “là cực kì hiếm và do đó người ta cần những diện tích dò tìm khổng lồ,” Funk nói. “Một nơi như thế là Ma trận Pierre Auger ở Argentina, và trong tương lai người ta đang nói tới việc lắp đặt một thiết bị trên Trạm Vũ trụ Quốc tế để tim kiếm các tương tác trong khí quyển Trái đất.”
Các nhà khoa học công bố kết quả của họ trên số ra ngày 15 tháng 2 của tạp chí Science và tại cuộc họp thường niên của Hiệp hội Mĩ vì Sự tiến bộ Khoa học ở Boston hôm 14 tháng 2, 2013.
Nguồn: Space.com
