Tàu Juno của NASA hé lộ bí mật về lò gia tốc vũ trụ khổng lồ ngay trong Hệ Mặt Trời

Tàu vũ trụ Juno của NASA, vốn nổi tiếng với những bức ảnh ngoạn mục về các cơn bão xoáy trên Sao Mộc, vừa mang đến một khám phá mang tính cách mạng khác. Lần này, nó không chỉ "chụp ảnh" mà còn đóng vai trò như một phòng thí nghiệm vật lý thiên văn di động, hé lộ cách thức vũ trụ tạo ra những hạt năng lượng cao nhất, hay còn gọi là "tia vũ trụ" (cosmic rays).

Phát hiện chấn động từ lá chắn từ trường của Sao Mộc

Trọng tâm của khám phá nằm ở một khu vực hỗn loạn mang tên "vùng tiền xung kích" (foreshock). Hãy tưởng tượng từ trường khổng lồ của Sao Mộc hoạt động như một tấm khiên, làm chệch hướng dòng hạt mang điện từ Mặt Trời (gió Mặt Trời). Sự va chạm này tạo ra một ranh giới gọi là "sóng xung kích mũi" (bow shock), tương tự như sóng âm thanh tạo ra trước mũi một chiếc máy bay siêu thanh.

Ngay phía trước ranh giới này là vùng tiền xung kích, một "vạc dầu sôi sục" của từ trường và plasma. Tại đây, Juno đã ghi nhận được một sự kiện đặc biệt: các hạt, chủ yếu là electron, bất ngờ được gia tốc đạt tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng (gần 300.000 km/s). Mức năng lượng này cao hơn nhiều so với những gì thường thấy ở các phép đo tương tự gần Trái Đất. Dữ liệu từ thiết bị đo sóng plasma của Juno cũng ghi lại các dao động, cho phép các nhà khoa học ước tính mật độ electron ngay bên ngoài sóng xung kích của hành tinh khí khổng lồ này.

Quy luật tỷ lệ: "Lò luyện" càng to, "đạn" càng mạnh

Điểm mấu chốt của nghiên cứu là việc phát hiện ra một quan hệ tỷ lệ (scaling relationship) có vẻ như mang tính phổ quát. Bằng cách so sánh dữ liệu từ Juno tại Sao Mộc với các phép đo từ Trái Đất và các hành tinh khác, nhóm nghiên cứu nhận thấy một quy luật rất logic: kích thước của hệ thống sóng xung kích càng lớn, năng lượng tối đa mà nó có thể truyền cho các hạt càng cao.

Nói một cách dễ hiểu, nếu một "lò gia tốc" vũ trụ có kích thước càng khủng khiếp, thì những "viên đạn" (hạt) nó bắn ra càng có uy lực kinh hoàng. Hệ thống sóng xung kích của Sao Mộc lớn hơn Trái Đất rất nhiều, vì vậy nó đóng vai trò như một cầu nối hoàn hảo, một mắt xích bị thiếu giúp kết nối các quan sát ở quy mô hành tinh với những cấu trúc vĩ đại nhất trong vũ trụ.

Từ "lò luyện" Sao Mộc đến cỗ máy gia tốc siêu tân tinh

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta áp dụng quy luật này cho những đối tượng vật lý thiên văn lớn hơn gấp hàng triệu lần? Đó chính là điều nhóm nghiên cứu đã làm. Họ ngoại suy mối quan hệ tỷ lệ này cho các tàn dư siêu tân tinh (supernova remnants - SNR), những đám mây vật chất giãn nở dữ dội sau cái chết của một ngôi sao khổng lồ. Các sóng xung kích từ những vụ nổ này được cho là "ứng cử viên" hàng đầu cho việc sản sinh ra phần lớn tia vũ trụ trong Ngân Hà của chúng ta.

Bằng cách sử dụng quy luật phát hiện từ Sao Mộc, các nhà khoa học có thể ước tính năng lượng tối đa của electron tại các tàn dư siêu tân tinh mà không cần phải gửi tàu vũ trụ đến đó. Kết quả thật đáng kinh ngạc:

Đối tượng thiên văn	Quy mô so với Sao Mộc	Năng lượng electron tối đa dự đoán
Tia vật chất HH 211 (Protostellar jet)	Lớn hơn rất nhiều	Tương đương mức TeV
SN 1987A (tàn dư siêu tân tinh)	Lớn hơn rất nhiều	Tương đương mức TeV
SN 1006 (tàn dư siêu tân tinh)	Lớn hơn rất nhiều	Tương đương mức TeV

Những dự đoán lý thuyết này đặc biệt thú vị vì chúng khớp một cách ấn tượng với các quan sát thực tế. Ví dụ, tàn dư siêu tân tinh SN 1006 phát ra bức xạ tia X cực mạnh. Các nhà thiên văn đã xác định rằng bức xạ này được tạo ra bởi chính quá trình bức xạ synchrotron (synchrotron radiation), "dấu vân tay" cho thấy các electron ở đó phải đang di chuyển với năng lượng khủng khiếp, lên đến 100 TeV.

Sự nhất quán này gợi ý mạnh mẽ về một cơ chế gia tốc hạt phổ quát. Có vẻ như cùng một "công thức" vật lý cơ bản đang vận hành ở mọi nơi, từ sóng xung kích quanh một hành tinh trong Hệ Mặt Trời cho đến những đợt sóng xung kích khổng lồ từ một ngôi sao phát nổ cách xa hàng nghìn năm ánh sáng.

Thận trọng trước những ngoại suy

Dù đầy hứa hẹn, các nhà khoa học vẫn bảo lưu quan điểm thận trọng. Việc mở rộng một quy luật phát hiện ở quy mô hành tinh lên quy mô thiên hà vẫn chỉ là một phép ngoại suy. Chúng ta không thể bay đến một tàn dư siêu tân tinh để đo đạc trực tiếp. Sự trùng khớp với dữ liệu từ SN 1006 là một bằng chứng ủng hộ mạnh mẽ, nhưng nó chưa phải là một phép đo trực tiếp về quá trình gia tốc tại đó. Nó giống như việc nhìn thấy hình dáng một con voi qua lỗ khóa và suy luận ra kích thước của nó vậy – rất có thể đúng, nhưng vẫn cần thêm những mảnh ghép để hoàn thiện bức tranh.

Phát hiện của Juno đã mở ra một hướng đi mới đầy triển vọng trong vật lý thiên văn, cho thấy vũ trụ có thể sử dụng cùng một "bộ công cụ" để tạo ra những hiện tượng năng lượng cao nhất, bất kể quy mô lớn hay nhỏ.