Các nhà thiên văn học từ lâu đã tự hỏi các tia vũ trụ năng lượng cao bắt nguồn từ đâu trong thiên hà của chúng ta? Những quan sát mới với sự trợ giúp của đài quan sát Thí nghiệm Cherenkov dưới nước ở độ cao lớn (HAWC) đã phát hiện ra một ứng cử viên gần như bất khả thi: nếu không, một đám mây phân tử khổng lồ là một hiện tượng phổ biến.
Các tia vũ trụ hoàn toàn không phải là các tia, mà là các hạt cực nhỏ di chuyển trong vũ trụ với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Chúng có thể bao gồm các electron, proton hoặc thậm chí là các ion của các nguyên tố nặng hơn. Chúng được tạo ra trong tất cả các loại quy trình năng lượng cao trong vũ trụ, từ vụ nổ siêu tân tinh đến sự hợp nhất của các vì sao và ngay cả khi một lỗ đen hút khí. Các tia vũ trụ có nhiều loại năng lượng khác nhau và nói chung, các tia vũ trụ năng lượng cao ít phổ biến hơn so với các tia vũ trụ năng lượng thấp hơn. Tỷ lệ này thay đổi rất ít ở một năng lượng nhất định - 10^15 electron volt - được gọi là "đầu gối". Electron volt, hay eV, đơn giản là cách các nhà vật lý hạt muốn đo mức năng lượng. Để so sánh, máy va chạm hạt mạnh nhất trên Trái đất, Máy Va chạm Hadron Lớn, có thể đạt tới 13×10^12 eV, thường được ký hiệu là 13 teraelectron volt hoặc 13 TeV.
Các tia vũ trụ có năng lượng trên 10-15 eV hiếm hơn nhiều so với người ta tưởng. Điều này khiến các nhà thiên văn học tin rằng bất kỳ tia vũ trụ nào ở mức năng lượng này trở lên đều đến từ bên ngoài thiên hà, trong khi các quá trình trong Dải Ngân hà có khả năng tạo ra các tia vũ trụ lên tới và bao gồm 10-15 eV. Bất cứ thứ gì đang tạo ra các tia vũ trụ này sẽ nằm trong phạm vi "peta" và do đó mạnh hơn 1000 lần so với các máy gia tốc hạt tốt nhất của chúng ta - các "pevatron" tự nhiên đang di chuyển trong thiên hà.
Nhiệm vụ rất đơn giản: tìm ra nguồn tia vũ trụ cỡ PEV trong Dải Ngân hà. Nhưng bất chấp năng lượng của chúng, thật khó để xác định nguồn gốc của chúng. Đó là bởi vì các tia vũ trụ được tạo thành từ các hạt tích điện và các hạt tích điện di chuyển trong không gian giữa các vì sao sẽ phản ứng với từ trường của thiên hà chúng ta. Vì vậy, khi bạn nhìn thấy một tia vũ trụ năng lượng cao đến từ một hướng nhất định trên bầu trời, bạn thực sự không biết nó thực sự đến từ đâu - đường đi của nó đã bị xoắn và vặn vẹo trong hành trình đến Trái đất. Nhưng thay vì trực tiếp tìm kiếm các tia vũ trụ, chúng ta có thể tìm kiếm họ hàng của chúng.
Khi các tia vũ trụ vô tình va phải một đám mây khí giữa các vì sao, chúng có thể phát ra tia gamma, một dạng bức xạ năng lượng cao. Các tia gamma này đi qua thiên hà theo đường thẳng, cho phép chúng ta xác định trực tiếp nguồn gốc của chúng. Do đó, nếu chúng ta nhìn thấy một nguồn tia gamma mạnh, chúng ta có thể tìm kiếm các nguồn tia vũ trụ PEV gần đó.
Cũng thú vị:
Phương pháp này được sử dụng bởi một nhóm các nhà nghiên cứu sử dụng HAWC, nằm trên núi lửa Sierra Negra ở trung nam Mexico. HAWC “ngắm” bầu trời bên những bể chứa đầy nước siêu tinh khiết. Khi các hạt hoặc bức xạ năng lượng cao chạm vào các hồ chứa, chúng sẽ phát ra một tia sáng xanh, cho phép các nhà thiên văn học theo dõi nguồn trên bầu trời.
Chi tiết trong một bài báo được xuất bản gần đây trên tạp chí arXiv, các nhà thiên văn học đã xác định được một nguồn tia gamma vượt quá 200 TeV chỉ có thể được tạo ra bởi các tia vũ trụ thậm chí còn mạnh hơn – loại tia vũ trụ đạt đến cấp độ PEV. Nguồn có tên HAWC J1825-134, nằm gần trung tâm của Thiên hà. HAWC J1825-134 xuất hiện với chúng ta dưới dạng một mảng tia gamma sáng được chiếu sáng bởi một nguồn tia vũ trụ chưa biết nào đó – có thể là nguồn tia vũ trụ mạnh nhất được biết đến trong Dải Ngân hà.
Một số nghi phạm nguồn tia vũ trụ năng lượng cao phổ biến nằm trong phạm vi vài nghìn năm ánh sáng của HAWC J1825-134, nhưng không ai trong số họ có thể dễ dàng giải thích tín hiệu. Ví dụ, bản thân trung tâm thiên hà là nơi phát ra các tia vũ trụ cường độ cao đã biết, nhưng nó ở quá xa so với HAWC J1825-134 để có thể liên quan đến các phép đo này. Có một số tàn dư siêu tân tinh, và các siêu tân tinh chắc chắn rất mạnh. Nhưng tất cả các siêu tân tinh trong khu vực HAWC J1825-134 đã phát nổ cách đây rất lâu – quá lâu để tạo ra các tia vũ trụ năng lượng cao này.
Các pulsar—tàn dư dày đặc, quay nhanh của lõi các ngôi sao nặng—cũng tạo ra một lượng lớn các tia vũ trụ. Nhưng chúng cũng ở quá xa nguồn bức xạ gamma - năng lượng của các electron và proton đến từ pulsar - đơn giản là chúng không đủ cao để di chuyển hàng nghìn năm ánh sáng tới nơi phát ra bức xạ gamma.
Ngạc nhiên thay, nguồn gốc của những tia vũ trụ kỷ lục này hóa ra không gì khác chính là một đám mây phân tử khổng lồ. Những đám mây này là những sinh vật khổng lồ, vụng về chứa đầy bụi và khí đi lang thang trong thiên hà. Đôi khi chúng co lại và trở thành những ngôi sao, nhưng nếu không thì chúng có thể nằm yên và lỏng lẻo trong hàng tỷ năm.
Bên trong quần thể đám mây là một cụm các ngôi sao mới sinh, nhưng ngay cả những ngôi sao trẻ đẹp nhất và ồn ào nhất cũng không được cho là đủ mạnh để phóng ra những tia vũ trụ như vậy. Bản thân các nhà nghiên cứu thừa nhận họ không biết làm thế nào đám mây này làm được điều đó, nhưng bằng cách nào đó, khi không ai chú ý, nó đã tạo ra một số hạt mạnh nhất trong toàn bộ thiên hà.
Đọc thêm:
- Một electron trung hòa kỳ lạ đã được phát hiện trong một trạng thái vật chất mới
- Năm cách trí tuệ nhân tạo có thể giúp chúng ta khám phá không gian