Kết thúc một bí ẩn vũ trụ: các bùng nổ tia gamma đã được giải thích?

Người ta đã phát hiện GRB trong trường hợp nào ?
Sự phát hiện GRB cũng ly kỳ như bản thân hiện tượng đó. Các GRB được phát hiện tình cờ năm 1967 bởi những vệ tinh do thám của Mỹ đang thực hiện phi vụ ghi đo những thí nghiệm hạt nhân trong vũ trụ của Liên bang Xô viết cũ. Chỉ đến năm 1973 phía Mỹ mới công bố những tư liệu chung quanh  GRB  tại Hội thảo quốc tế về tia vũ trụ tổ chức tại Denver. Jacques Paul (CEA) đã phát biểu tại hội thảo về sự phát hiện GRB: “Tôi nhớ lại rằng mọi người đều vô cùng ngạc nhiên về sự tồn tại của những bùng nổ tia gamma và không thể nào hình dung được năng lượng khổng lồ cũng như cơ chế khó tưởng tượng đã sinh ra chúng“[1].
Trong 30 năm các nhà vật lý đã công bố hơn 2000 bài báo và đưa ra khoảng 135 mô hình lý thuyết để giải thích GRB. Hiện nay người ta thường xuyên ghi đo được GRB (với tần số gần đúng 1 GRB / ngày) và tìm xem các nguồn của GRB nằm ở đâu. 5 năm gần đây nhờ vệ tinh của Ý Beppo-SAX có trang bị đêtectơ tia g & tia X (Beppo là tên của một nhà thiên văn vật lý học người Ý ) người ta thấy rằng các nguồn của GRB nằm ở biên của vũ trụ, ở khoảng cách nhiều tỷ năm ánh sáng.
Nếu như nguồn GRB nằm trong thiên hà của chúng ta và GRB hướng về quả đất thì mọi cuộc sống đã bị quét sạch khỏi hành tinh (nhiều nhà vật lý cũng cho rằng những điều tương tự có thể đã xảy ra gây nên sự tuyệt chủng của nhiều loài trên Quả đất).

Các mô tả về GRB
GRB kéo dài chừng vài milligiây (GRB ngắn) đến chừng vài phút (GRB dài).
GRB thường có thể kèm theo một bức xạ tồn dư (afterglow) gồm cả  g (tia gamma) và những bước sóng dài hơn g, theo thứ tự dài dần: đó là tia X, cực tím UV, các tia ở vùng thấy được, hồng ngoại IR và radio [2,3].
GRB tìm thấy ngày 25 tháng giêng năm 1999 có năng lượng khổng lồ 1054 erg/giây tương đương với năng lượng thu được nếu tất cả khối lượng Mặt Trời biến thành tia gamma trong vài giây. Tuy không so được với Big Bang song người ta chưa quan sát được một hiện tượng nào với năng lượng lớn như vậy.
Sau đây là một số GRB chính (mã số của chúng như sau: năm, tháng, ngày phát hiện, ví dụ 670702 có nghĩa là GRB này được phát hiện năm 1967, tháng 07, ngày 02):
· 670702       GRB đầu tiên được phát hiện
· 970228       GRB cho thấy rõ bức xạ tồn dư và chứng tỏ rằng nguồn ở rất xa (xem hình 4)
· 971214       GRB với năng lượng rất lớn
· 980425       GRB cho những dữ liệu có liên quan đến các siêu sao
· 990123       GRB với bức xạ tồn dư rất lớn (xem hình 1 )
· 030329A    GRB với  những dữ liệu chứng tỏ mối liên quan đến các siêu sao
· 050509B    GRB ngắn
· 050904       GRB nằm xa nhất
· 060218       GRB phát hiện gần đây nhất (năm 2006)

Hình 1. Trên hình vẽ là GRB-990123 (chấm sáng trong hình vuông con ở nửa hình bên trái và phóng đại lên ở nửa hình bên phải). Một vật sáng mờ có dạng như hai ngón tay trên chấm sáng ở nửa hình bên phải là thiên hà nguồn.

Mô hình lý thuyết hiện đại về GRB
Các tác giả Thibault Damour (IHES-Institut des Hautes études Scientifiques), D. Christoloulou, R. Ruffini (đại học La Sapienza, Rome)[4] đã sử dụng GR (General Relativity-Lý thuyết tương đối tổng quát) & QFT (Quantum field Theory-Lý thuyết trường lượng tử) để đưa ra mô hình sau đây.
Trong quá trình hình thành lỗ đen vật chất của sao bị hút vào tâm lỗ đen làm phát ra hai tia (xem hình 2A và 2B) dọc theo trục quay (tại đây mật độ vật chất thấp nhất trên đĩa bồi-accretion disk).
 

 Hình 2A & 2B   Giai đoạn đầu của GRB. Sao co lại, một lỗ đen được hình thành trong tâm sao (2A) và trong một vài giây bắn ra hai tia vật chất (2B).

Các tác giả trên chứng minh rằng GRB với năng lượng khổng lồ phát sinh từ những thiên hà xa xăm là do những lỗ đen trong quá trình hình thành phát ra .
Trước hết cần giải thích vì sao lỗ đen là một thiên thể vốn nuốt hết mọi vật chất xung quanh lại có thể phát ra vật chất (thực ra như chúng ta biết lỗ đen không quá là đen, lỗ đen có thể bức xạ (bức xạ Hawking) [5]).
Xung quanh chân trời lỗ đen có một vùng có tên gọi là dyadosphère (đối với một lỗ đen có khối lượng khoảng 10 lần khối lượng mặt trời thì chân trời có khoảng cách 10 km còn dyadosphere khoảng 1.000 km). Gốc từ dyado là từ Hy lạp duas-duados có nghĩa là cặp (như cặp electron-positron).
Thibault Damour , D. Christoloulou,và R.Ruffini chứng minh rằng năng lượng điện từ quanh lỗ đen có thể “trích” ra (thu được) nhờ hiện tượng phân cực chân không, đối với một lỗ đen mang điện và có trường điện từ  rất mạnh trong vùng dyadosphere.
Năng lượng tích tụ trong vùng này khoảng năng lượng của GRB (1054 erg). Trong thời đoạn chừng trăm phần tỷ nano giây sự phân cực chân không (theo QFT) tạo ra những cặp electron-positron, những cặp này lại sẽ hủy nhau liên hồi. Và sau cân bằng nhiệt chúng ta có một plasma chứa e +, e- & photon (xem hình 3).

Hình 3. Hiện tượng phân cực của quá trình “trích” năng lượng từ lỗ đen. Nhiều cặp electron và positron được hình thành trong dyadosphere trong quá trình cân bằng nhiệt đã biến thành một plasma gồm e+, e- & photon.

Trong quá trình hình thành lỗ đen, plasma này (có thể có dạng tia như nói ở trên) giãn nở nhanh với tốc độ tương đối tính gần tốc độ ánh sáng (vì thế phải ứng dụng GR). Tình huống này tương tự như sự phát sinh của xung photon trong vụ nổ của một quả bom khinh khí (điều khác là ở đây chúng ta còn có những cặp electron & positron). Plasma này va chạm với phần khối lượng còn lại của sao đang tiếp tục bị hút về phía lỗ đen trong quá trình hình thành và bắt lấy proton và electron của phần khối lượng này. Plasma mới hình thành gồm lectron, positron, proton và photon tiếp tục giãn nở. Một số photon thoát khỏi tương tác bắn ra ngoài tạo thành GRB .
GRB vừa phát sinh được đặt tên là P- GRB (P = proper có nghĩa là chính, thật).

Phần plasma còn lại (gồm chính yếu proton và electron) tiếp tục giãn nở với vận tốc tương đối tính và va chạm phải một yếu tố mới: vật chất vũ trụ nằm giữa các sao. Sự va chạm này gây nên bức xạ tồn dư (afterglow) có cường độ giảm dần phụ thuộc vào mật độ vật chất vũ trụ gặp trên đường. Bức xạ này được đặt tên là E-APE (Extended-Afterglow Peak Emision=bức xạ đỉnh tồn dư kéo dài). Các tác giả [4] cho rằng E-APE chính là những GRB dài (xem hình 4).

Hình  4.   Trên đây là ảnh tia X của GRB 970228 chụp bởi vệ tinh BeppoSAX

Hình 5 Vệ tinh đang quan sát một lỗ đen có khối lượng lớn đang bức xạ tia gamma và tia X (nguồn tư liệu: NASA)

Sự có mặt hay không của E-APE phụ thuộc vào mật độ vất chất vũ trụ nằm giữa các sao xung quanh lỗ đen. Nếu mật độ đó quá nhỏ thì sẽ không có E-APE và trong trường hợp này mọi năng lượng “trích được” từ lỗ đen đều tích chứa trong P-GRB. Cho nên các GRB ngắn hay dài đều là biểu hiện của một quá trình thống nhất (xem hình 5 & 6).

Kết luận:
Như vậy các bùng nổ tia gamma GRB phát sinh từ quá trình hình thành của những lỗ đen mang điện tích và có khối lượng rất lớn.
Mô hình của các tác giả [4] hiện nay được nhiều nhà vật lý và thiên văn tỏ ý đồng tình vì giải thích được nhiều khía cạnh của hiện tượng bùng nổ tia gamma GRB, một hiện tượng đã được xem là một bí ẩn lớn của thế kỷ. Phải chăng mô hình này kết thúc tính bí ẩn của GRB đã tồn tại hơn 30 năm nay ?

Tài liệu tham khảo
[1] Les defis du CEA, số 97 tháng 10-11 năm 2003
[2] Bohdan Paczinski, Stan Woosley, Sir Martin Rees, Peter Meszaros, Remo Ruffini La Recherche, tháng 5 năm 2002
[3] Remo Ruffini, She-Shung Xue, Carlo Luciano, Federico Fraschetti, Pascal Chardonnet La Recherche, tháng 5 năm 2002
[4] D. Christoloulou, R. Ruffini, Phys.Rev.D4,5552,1971
[5] A brief history of time , Stephen Hawking
Lược sử thời gian, bản dịch của Cao Chi, Phạm Văn Thiều tái bản lần thứ 10, nhà Xuất bản Trẻ, 2006.