Tia vũ trụ nghe giống như một mối đe dọa khoa học viễn tưởng nào đó từ bên ngoài không gian. Và sự thật là với số lượng đủ cao, thì chúng là như vậy. Mặt khác, các tia vũ trụ đi qua chúng ta hàng ngày mà không gây hại gì nhiều (nếu có). Vậy, những mảnh năng lượng vũ trụ bí ẩn này là gì?
Định nghĩa các Tia vũ trụ
Thuật ngữ “tia vũ trụ” dùng để chỉ các hạt tốc độ cao di chuyển trong vũ trụ. Chúng có ở khắp mọi nơi. Rất có thể các tia vũ trụ đã đi qua cơ thể của mọi người vào lúc này hay lúc khác, đặc biệt nếu họ sống ở độ cao lớn hoặc bay trên máy bay. Trái đất được bảo vệ tốt để chống lại tất cả, trừ tia năng lượng mạnh nhất trong số các tia này, vì vậy chúng không thực sự gây nguy hiểm cho chúng ta trong cuộc sống hàng ngày.
Các tia vũ trụ cung cấp những manh mối hấp dẫn về các vật thể và sự kiện ở những nơi khác trong vũ trụ, chẳng hạn như cái chết của các ngôi sao lớn (được gọi là vụ nổ siêu tân tinh) và hoạt động trên Mặt trời, vì vậy các nhà thiên văn học nghiên cứu chúng bằng cách sử dụng khinh khí cầu độ cao và các thiết bị trong không gian. Nghiên cứu đó đang cung cấp cái nhìn mới thú vị về nguồn gốc và sự tiến hóa của các ngôi sao và thiên hà trong vũ trụ.
Tia vũ trụ là gì?
Tia vũ trụ là các hạt mang điện năng lượng cực cao (thường là proton) di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Một số đến từ Mặt trời (ở dạng các hạt năng lượng Mặt trời), trong khi số khác được phóng ra từ các vụ nổ siêu tân tinh và các sự kiện năng lượng khác trong không gian giữa các vì sao (và giữa các thiên hà). Khi các tia vũ trụ va chạm với bầu khí quyển của Trái đất, chúng tạo ra những cơn mưa rào “các hạt thứ cấp”.
Lịch sử của Nghiên cứu Tia vũ trụ
Sự tồn tại của các tia vũ trụ đã được biết đến trong hơn một thế kỷ. Chúng được tìm thấy lần đầu tiên bởi nhà vật lý Victor Hess. Ông đã phóng điện kế có độ chính xác cao lên khinh khí cầu vào năm 1912 để đo tốc độ ion hóa của các nguyên tử (nghĩa là, nguyên tử được cung cấp năng lượng nhanh chóng và tần suất như thế nào) trong các lớp trên của bầu khí quyển Trái đất. Điều mà ông phát hiện ra là tốc độ ion hóa càng lớn càng tăng cao trong khí quyển – một khám phá mà sau này ông đã đoạt giải Nobel.
Điều này đã trái ngược với sự khôn ngoan thông thường. Bản năng đầu tiên của ông về cách giải thích điều này là một số hiện tượng mặt trời đã tạo ra hiệu ứng này. Tuy nhiên, sau khi lặp lại các thí nghiệm của mình trong một lần gần nhật thực, ông thu được kết quả tương tự, loại trừ hiệu quả bất kỳ nguồn gốc nào của mặt trời. nguồn của trường sẽ là gì. Do đó, ông kết luận rằng phải có một số điện trường nội tại trong khí quyển tạo ra quá trình ion hóa quan sát được, mặc dù ông không thể suy ra nguồn của trường đó là gì.
Phải hơn một thập kỷ sau, nhà vật lý Robert Millikan mới có thể chứng minh rằng điện trường trong khí quyển mà Hess quan sát được thay vào đó là một dòng của các photon và electron. Ông gọi hiện tượng này là “tia vũ trụ” và chúng truyền qua bầu khí quyển của chúng ta. Ông cũng xác định rằng những hạt này không phải từ Trái đất hay môi trường gần Trái đất, mà là đến từ không gian sâu thẳm. Thử thách tiếp theo là tìm ra những quy trình hoặc đối tượng nào có thể đã tạo ra chúng.
Các nghiên cứu đang thực hiện về các thuộc tính của tia vũ trụ
Kể từ thời điểm đó, các nhà khoa học tiếp tục sử dụng khinh khí cầu bay cao để bay lên trên bầu khí quyển và lấy mẫu nhiều hơn các hạt tốc độ cao này. Khu vực phía trên Nam Cực ở cực nam là một điểm phóng thích hợp và một số sứ mệnh đã thu thập thêm thông tin về các tia vũ trụ. Ở đó, Cơ sở Khí cầu Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ là nơi tổ chức một số chuyến bay chở đầy dụng cụ mỗi năm. “Máy đếm tia vũ trụ” mà chúng mang theo để đo năng lượng của các tia vũ trụ, cũng như hướng và cường độ của chúng.
Trạm Vũ trụ Quốc tế cũng chứa các công cụ nghiên cứu các đặc tính của tia vũ trụ, bao gồm thí nghiệm Năng lượng và Khối lượng Vũ trụ (Cosmic Ray Energetics and Mass – CREAM). Được lắp đặt vào năm 2017, nó có sứ mệnh kéo dài 3 năm để thu thập càng nhiều dữ liệu càng tốt về các hạt chuyển động nhanh này. CREAM thực sự bắt đầu như một thử nghiệm khinh khí cầu và nó đã bay bảy lần trong khoảng thời gian từ năm 2004 đến năm 2016.
Tìm ra Nguồn gốc của các Tia Vũ trụ
Bởi vì tia vũ trụ bao gồm các hạt mang điện, đường đi của chúng có thể bị thay đổi bởi bất kỳ từ trường nào mà nó tiếp xúc. Đương nhiên, các vật thể như sao và hành tinh có từ trường, nhưng từ trường giữa các vì sao cũng tồn tại. Điều này làm cho việc dự đoán vị trí (và mức độ mạnh) của từ trường là vô cùng khó khăn. Và vì những từ trường này tồn tại trong mọi không gian nên chúng xuất hiện theo mọi hướng. Do đó, không có gì ngạc nhiên khi từ vị trí thuận lợi của chúng ta ở đây trên Trái đất, các tia vũ trụ dường như không đến từ bất kỳ điểm nào trong không gian.
Việc xác định nguồn phát ra tia vũ trụ tỏ ra khó khăn trong nhiều năm. Tuy nhiên, có một số giả thiết có thể được giả định. Trước hết, bản chất của tia vũ trụ là các hạt mang điện năng lượng cực cao ngụ ý rằng chúng được tạo ra bởi các hoạt động khá mạnh. Vì vậy, các sự kiện như siêu tân tinh hoặc các vùng xung quanh lỗ đen dường như có thể là ứng cử viên. Mặt trời phát ra một thứ tương tự như tia vũ trụ dưới dạng các hạt có năng lượng cao.
Năm 1949, nhà vật lý Enrico Fermi cho rằng tia vũ trụ chỉ đơn giản là các hạt được gia tốc bởi từ trường trong các đám mây khí giữa các vì sao. Và, vì bạn cần một trường khá lớn để tạo ra các tia vũ trụ có năng lượng cao nhất, các nhà khoa học bắt đầu xem xét tàn dư siêu tân tinh (và các vật thể lớn khác trong không gian) như là nguồn có thể.
Vào tháng 6 năm 2008, NASA đã phóng một kính thiên văn tia gamma được gọi là Fermi – được đặt theo tên của Enrico Fermi. Trong khi Fermi là kính thiên văn tia gamma, một trong những mục tiêu khoa học chính của nó là xác định nguồn gốc của các tia vũ trụ. Cùng với các nghiên cứu khác về tia vũ trụ bằng khinh khí cầu và các thiết bị trong không gian, các nhà thiên văn học hiện đang tìm kiếm tàn tích của siêu tân tinh và những vật thể kỳ lạ như lỗ đen siêu lớn làm nguồn cung cấp các tia vũ trụ có năng lượng cao nhất được phát hiện ở đây trên Trái đất.
John P. Millis, Ph.D, Carolyn Collins Petersen
