Mô hình toán học làm sáng tỏ cách tia chớp tạo ra tia X

Vào đầu những năm 2000, các nhà khoa học đã quan sát sự phóng điện của tia chớp tạo ra tia X, bao gồm các photon năng lượng cao – đồng dạng với tia X trong chụp ảnh y khoa. Các nhà nghiên cứu đã có thể tái tạo hiện tượng này trong phòng thí nghiệm nhưng lại không thể giải thích một cách đầy đủ về việc vì sao và như thế nào mà tia chớp lại tạo ra được các tia X.

Postdoct Reza Janalizadeh (trái) và giáo sư Victor Pasko. Nguồn: PSU

Hiện tại, hai thập kỷ sau, một nhóm nghiên cứu ở Penn đã khám phá được cơ chế vật lý giải thích sự xuất hiện tự nhiên của các tia X liên quan đến hoạt động của các tia chớp trong bầu khí quyển trái đất.

Họ đã công bố các kết quả của mình trên tạp chí Geophysical Research Letters 1, “Conditions for Inception of Relativistic Runaway Discharges in Air”.

Phát hiện của nhóm nghiên cứu có thể rọi ánh sáng vào một hiện tượng khác: cú sốc nhỏ mà thi thoảng người ta cảm nhận được khi chạm vào một tay nắm cửa bằng kim loại. Được gọi là phóng tia lửa điện, hiện tượng này xuất hiện khi có sự chênh lệch về điện áp giữa một cơ thể và một vật dẫn. Trong một loạt thí nghiệm được thực hiện vào những năm 1960, các nhà khoa học đã khám phá ra sự phóng tia lửa điện tạo ra tia X – giống như tia chớp. Hơn 60 năm sau, các nhà khoa học vẫn còn thực hiện các thí nghiệm như vậy trong phòng thí nghiệm để hiểu rõ hơn về cơ chế nằm trong quá trình này.

Tia chớp bao gồm một phần của các electron có tương đối tính, phát ra những bùng phát tia X năng lượng cao một cách ngoạn mục với năng lượng hàng chục mega electron-volt mà người ta gọi là chớp tia gamma địa cầu (terrestrial gamma-ray flashes TGFs). Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các mô phỏng và mô hình để giải thích những quan sát TGF này nhưng vẫn chưa đủ khớp giữa mô phỏng và thực tế, theo tác giả liên hệ Victor Pasko, giáo sư kỹ thuật điện trường Penn. Pasko và nhóm nghiên cứu của mình mô hình hóa về mặt toán học hiện tượngTGF để hiểu sâu hơn cách hiện tượng xuất hiện trong không gian compact được quan sát.

“Các mô phỏng này rất lớn – thông thường ở quy mô hàng ki lô mét – và cộng đồng vật lý giờ có thể không còn tranh cãi về sự khác biệt giữa mô phỏng và thực tế quan sát bởi vì khi tia chớp lan truyền trong không gian, nó được nén chặt”, Pasko nói và giải thích là kênh không gian của tia chớp cụ thể vài cm trong khi hoạt động phóng điện tạo ra tia X trải rộng các kênh đó tới 100 mét trong những trường hợp cực đoan. “Vì sao nguồn tại được nén chặt như vậy? Cho đến hiện nay thì nó vẫn là câu đố. Khi chúng tôi tìm hiểu vấn đề ở quy mô rất nhỏ, dường như nó cũng gợi ý cho những thực nghiệm được thực hiện từ những năm 1960”.

Pasko cho biết, họ phát triển lời giải về điện trường khuếch đại số electron, điều hướng hiện tượng. Các  electron tán xạ các nguyên tử trong không khí khi chúng được gia tốc. Khi các electron di chuyển, phần lớn chúng hướng về phía chúng nhận năng lượng và nhân lên, tương tự như một vụ lở tuyết, cho phép chúng tạo ra nhiều electron hơn. Khi các electron thành “thác lũ”, chúng tạo ra tia X-ray, phóng các photon ra phía sau và tạo ra các electron mới.

“Từ đó, câu hỏi mà chúng tôi muốn trả lời về mặt toán học là ‘cái gì là điện trường anh cần để đưa vào cho chúng sao chép, đủ để phóng các tia X về phía sau, cho phép khuếch đại những electron được lựa chọn đó?’’’, Pasko nói.

Mô hình toán học thiết lập một ngưỡng cho điện trường, theo Pasko, để xác nhận cơ chế phản hồi khuếch đại cơn ‘lở tuyết’ electron khi phát ra tia X bằng việc phóng các electron ra phía sau và tạo ra các electron mới. “Các kết quả của mô hình này phù hợp với bằng chứng quan sát và thực nghiệm, nó chỉ dấu là TGFs được sinh ra từ những vùng compact tương đối tính của không gian với sự mở rộng không gian của trật tự từ 10 đến 100 mét”, Pasko giải thích.

Thêm vào việc miêu tả hiện tượng năng lượng cao liên quan đến tia chớp, Pasko nói công trình này có thể cuối cùng giúp thiết kế được các nguồn tia X. Các nhà nghiên cứu nói họ lên kế hoạch để kiểm tra cơ chế này bằng việc sử dụng các vật liệu và khí khác nhau cũng như các ứng dụng khác cho phát hiện của mình.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-03-mathematical-lightning-produced-x-rays.html

https://news.engr.psu.edu/2023/pasko-victor-mathematical-model.aspx

———————————————-

1. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022GL102710

Tác giả