Tia vũ trụ từ đâu tới? Các nhà vật lý tiến gần đến câu trả lời

Nghiên cứu mới của các nhà vật lý thiên văn ĐH bang Michigan có thể đưa các nhà khoa học tiến gần đến câu trả lời cho câu hỏi tồn tại cả thế kỷ: các tia vũ trụ trong thiên hà đến từ đâu?

Tia vũ trụ – những hạt năng lượng cao chuyển động gần với tốc độ ánh sáng – bắt nguồn từ đâu đó trong dải Ngân hà và xa hơn thế nữa nhưng chính xác là chỗ nào thì vẫn là một bí ẩn, kể từ khi người ta phát hiện ra tia vũ trụ vào năm 1912. Trương Thạc (Shuo Zhang), trợ lý giáo sư vật lý và thiên văn MSU, và nhóm nghiên cứu của cô đã dẫn dắt hai nghiên cứu góp phần thêm thông tin về việc tia vũ trụ có thể tới từ nơi nào.

Các phát hiện được công bố tại Hội nghị lần thứ 246 của hội Thiên văn học Mỹ ở Anchorage, Alaska.

Những nguồn phát các hạt năng lượng cao chuyển động siêu nhanh đó có thể mang tính chất của lỗ đen, các tàn tích siêu tân tinh và các vùng hình thành sao. Từ lâu, các sự kiện vật lý thiên văn cực đoan đó đã được biết đến là nguồn sinh ra các hạt neutrino – những hạt nhỏ bé, gần như không khối lượng được tìm thấy với số lượng lớn không chỉ ở không gian sâu thẳm của vũ trụ mà còn toàn bộ hành tinh của chúng ta.

“Các tia vũ trụ có nhiều liên quan đến sự sống trên trái đất hơn bạn nghĩ đấy”, Trương nói. “Có khoảng 100 nghìn tỉ hạt neutrino vũ trụ từ nơi xa, từ các nguồn như lỗ đen, xuyên qua cơ thể bạn từng giây. Bạn có muốn biết chúng đến từ nơi nào không?”

Các nguồn phát tia vũ trụ mạnh đến mức chúng có thể gia tốc một proton hoặc electron đến các mức năng lượng vượt xa những gì con người có thể làm với máy gia tốc hạt tiên tiến nhất. Nhóm của Trương đang nghiên cứu về máy gia tốc hạt vũ trụ đó, PeVatrons, để tìm ra chúng ở nơi nào và chúng là gì cũng như cách chúng có thể gia tốc các hạt nhỏ nhất đến mức năng lượng cao tới mức cực đoan như thế nào. Việc hiểu chúng nhiều hơn có thể giúp trả lời những câu hỏi cơ bản trong vật lý, như sự tiến hóa của thiên hà và bản chất của vật chất tối.

Những bài báo gần nhất của nhóm nghiên cứu này đã đưa ra khám phá đa bước sóng về những ứng viên PeVatron mà nguồn phát vẫn còn chưa rõ ràng. Bài báo thứ nhất trên The Astrophysical Journal, Stephen DiKerby, nghiên cứu sinh của Trương, tìm hiểu về một ứng viên PeVatron bí ẩn qua Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), tuy nhiên bản chất của nguồn phát này vẫn còn là bí mật.

Sử dụng dữ liệu tia X từ kính thiên văn XMM-Newton, DiKerby tìm thấy một tinh vân gió sao xung – một bong bóng giãn nở với những electron và positron tương đối tính với năng lượng tuôn ra từ một sao xung. Phát hiện này coi PeVatron như một tinh vân gió sao xung và là một dạng nguồn của tia vũ trụ cũng như một trong số ít trường hợp mà các nhà khoa học có thể nhận diện được bản chất của PeVatrons.

Trong bài báo thứ hai xuất bản trên tạp chí Research Notes of the AAS, ba học viên MSU trong nhóm nghiên cứu của Trương – Ella Were, Amiri Walker và Shaan Karim – đã sử dụng kính viễn vọng Swift X-ray của NASA để quan sát sự phát xạ tia X từ những nguồn tia vũ trụ do LHAASO phát hiện nhưng còn ít được khám phá. Nhóm nghiên cứu tính toán các giới hạn trên của phát xạ tia X, và công trình của họ có thể được coi như sự mở đường cho các nghiên cứu tương lai.

“Thông qua việc phát hiện và phân loại các nguồn tia vũ trụ, nỗ lực của chúng tôi có thể đem lại một bộ sưu tập nguồn tia vũ trụ toàn diện đã được phân loại”, Trương nói. “Có thể coi đó là một di sản cho những quan sát neutrino tương lai và các kính truyền thống để thực hiện những nghiên cứu sâu sắc hơn về các cơ chế gia tốc hạt”.

Bước tiếp theo, nhóm nghiên cứu của Trương lên kế hoạch thực hiện một nghiên cứu khác về các nguồn tia vũ trụ bằng việc kết hợp dữ liệu được thu thập từ Đài quan sát Neutrino IceCube với những nguồn từ các kính viễn vọng tia X và tia gamma. Họ muốn khám phá tại sao một số nguồn tia vũ trụ phát ra các hạt neutrino mà không phải hạt khác cũng như các hạt neutrino được tạo ra từ nơi nào và như thế nào.

“Công trình này sẽ kêu gọi hợp tác giữa các nhà vật lý hạt và thiên văn học”, Trương nói. “Đây là một dự án lý tưởng cho nhóm vật lý năng lượng cao ở MSU”.

Thanh Hương dịch từ ĐH bang Michigan

Nguồn: https://natsci.msu.edu/news/2025/2025-06-where-did-cosmic-rays-come-from.aspx