Tín dụng hình ảnh: NASA
Các nhà thiên văn học tin rằng các vụ nổ tia gamma, vụ nổ mạnh nhất trong Vũ trụ, có thể tạo ra các tia vũ trụ siêu năng lượng, các hạt năng lượng mạnh nhất trong Vũ trụ. Bằng chứng được thu thập bởi Đài thiên văn Compton Gamma-Ray đã được định hướng của NASA cho thấy rằng trong một trường hợp vụ nổ tia gamma, các hạt năng lượng cao này đã thống trị khu vực tạo ra mối liên hệ giữa chúng, nhưng điều này hầu như không đủ bằng chứng để nói rằng chúng được liên kết một cách thuyết phục .
Các vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ, vụ nổ tia gamma, có thể tạo ra các hạt năng lượng mạnh nhất trong vũ trụ, được gọi là các tia vũ trụ năng lượng siêu cao (UHECRs), theo một phân tích mới về các quan sát từ Đài thiên văn Compton Gamma-Ray của NASA.
Các nhà nghiên cứu báo cáo trong ấn bản Tự nhiên ngày 14 tháng 8 của một mô hình mới được xác định dưới ánh sáng từ những vụ nổ bí ẩn này có thể được giải thích bằng các proton di chuyển trong một dải tóc tốc độ ánh sáng.
Những proton này, giống như mảnh đạn từ vụ nổ, có thể là UHECR. Các tia vũ trụ như vậy rất hiếm và tạo thành một bí ẩn lâu dài trong vật lý thiên văn, dường như bất chấp lời giải thích vật lý, vì chúng đơn giản là quá mạnh mẽ để được tạo ra bởi các cơ chế nổi tiếng như vụ nổ siêu tân tinh.
Tác giả chính Maria Magdalena Gonzalez của Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico và sinh viên tốt nghiệp tại Đại học Wisconsin cho biết, các tia vũ trụ quên đi nơi mà chúng đến từ vì không giống như ánh sáng. Kết quả này là một cơ hội thú vị để có thể thấy bằng chứng về việc chúng được sản xuất tại nguồn của họ.
Các vụ nổ tia gamma - một nhà khoa học bí ẩn cuối cùng đã bắt đầu làm sáng tỏ - có thể tỏa sáng rực rỡ như một triệu tỷ mặt trời, và nhiều người có thể đến từ một ngôi sao nổ mạnh mẽ khác thường. Các vụ nổ là phổ biến nhưng ngẫu nhiên và thoáng qua, chỉ kéo dài trong vài giây.
Tia vũ trụ là các hạt nguyên tử (ví dụ, electron, proton hoặc neutrino) di chuyển gần với tốc độ ánh sáng. Các tia vũ trụ năng lượng thấp hơn bắn phá Trái đất liên tục, được đẩy bởi các ngọn lửa mặt trời và các vụ nổ sao điển hình. Các UHECR, với mỗi hạt nguyên tử mang năng lượng của một quả bóng chày ném ở Major Leagues, có năng lượng gấp trăm triệu lần so với các hạt được tạo ra trong các máy gia tốc hạt nhân tạo lớn nhất.
Các nhà khoa học nói rằng UHECR phải được tạo ra tương đối gần Trái đất, vì bất kỳ hạt nào đi xa hơn 100 triệu năm ánh sáng sẽ mất một phần năng lượng khi chúng đến được chúng ta. Tuy nhiên, không có nguồn tia vũ trụ thông thường nào có vẻ đủ mạnh để tạo ra UHECR.
Bài báo do Gonzalez dẫn đầu không tập trung đặc biệt vào sản xuất UHECR mà là một mô hình ánh sáng mới nhìn thấy trong vụ nổ tia gamma. Đi sâu vào kho lưu trữ của Đài thiên văn Compton (nhiệm vụ kết thúc năm 2000), nhóm phát hiện ra rằng vụ nổ tia gamma từ năm 1994, có tên GRB941017, xuất hiện khác với 2.700 vụ nổ khác được ghi lại bởi tàu vũ trụ này. Vụ nổ này nằm ở hướng của chòm sao Sagitta, Mũi tên, có khả năng cách xa mười tỷ năm ánh sáng.
Cái mà các nhà khoa học gọi là tia gamma là các photon (hạt ánh sáng) bao phủ một dải năng lượng rộng, trên thực tế, rộng hơn một triệu lần so với năng lượng mà mắt chúng ta ghi nhận là màu sắc trong cầu vồng. Nhóm Gonzalez Nhìn vào các photon tia gamma năng lượng cao hơn. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng các loại photon này chiếm ưu thế trong vụ nổ: Chúng trung bình mạnh hơn ít nhất ba lần so với thành phần năng lượng thấp hơn, đáng ngạc nhiên, mạnh hơn hàng nghìn lần sau khoảng 100 giây.
Đó là, trong khi dòng các photon năng lượng thấp hơn chạm vào các máy dò vệ tinh quét bắt đầu giảm bớt, thì dòng photon năng lượng cao hơn vẫn ổn định. Phát hiện này không phù hợp với mô hình sốc synchrotron nổi tiếng mà mô tả hầu hết các vụ nổ. Vì vậy, những gì có thể giải thích sự làm giàu của các photon năng lượng cao hơn?
Tiến sĩ Brenda Dingus của LANL, đồng tác giả trên tờ báo cho biết, một cách giải thích là một tia vũ trụ siêu năng lượng chịu trách nhiệm, nhưng chính xác là cách chúng tạo ra các tia gamma với các mẫu năng lượng mà chúng ta thấy cần rất nhiều tính toán. Càng chúng tôi sẽ giữ một số nhà lý thuyết bận rộn cố gắng tìm ra điều này.
Tiến sĩ Charles Dermer, đồng tác giả, việc tiêm chậm các electron năng lượng cực cao cung cấp một cách khác để giải thích dòng tia gamma năng lượng cao lớn bất ngờ được quan sát thấy trong GRB 941017. Nhưng lời giải thích này sẽ yêu cầu sửa đổi mô hình vụ nổ tiêu chuẩn. một nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ ở Washington. Trong cả hai trường hợp, kết quả này cho thấy một quá trình mới xảy ra trong các vụ nổ tia gamma, ông nói.
Các vụ nổ tia gamma chưa được phát hiện có nguồn gốc trong vòng 100 triệu năm ánh sáng từ Trái đất, nhưng thông qua các eons, các vụ nổ này có thể xảy ra cục bộ. Nếu vậy, Dingus nói, cơ chế mà nhóm của cô đã thấy trong GRB 941017 có thể đã được nhân đôi gần nhà, đủ gần để cung cấp các UHECR mà chúng ta thấy ngày nay.
Các vụ nổ khác trong kho lưu trữ của Đài thiên văn Compton có thể đã thể hiện một mô hình tương tự, nhưng dữ liệu không được kết luận. Kính viễn vọng không gian khu vực lớn tia gamma của NASA (GLAST), dự kiến ra mắt năm 2006, sẽ có các máy dò đủ mạnh để giải quyết các photon tia gamma năng lượng cao hơn và giải quyết bí ẩn này.
Đồng tác giả trên báo cáo Tự nhiên cũng bao gồm Ph.D. sinh viên tốt nghiệp Yuki Kaneko, Tiến sĩ Robert Preece và Tiến sĩ Michael Briggs của Đại học Alabama ở Huntsville. Nghiên cứu này được tài trợ bởi NASA và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân.
Các UHECR được quan sát thấy khi chúng đâm vào bầu khí quyển của chúng ta, như được minh họa trong hình. Năng lượng từ vụ va chạm tạo ra một trận mưa không khí gồm hàng tỷ hạt hạ nguyên tử và các tia sáng cực tím, được phát hiện bởi các dụng cụ đặc biệt.
Quỹ khoa học quốc gia và các cộng tác viên quốc tế đã tài trợ cho các thiết bị trên mặt đất, như Mắt ruồi độ phân giải cao ở Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) và Đài thiên văn Auger ở Argentina (http: / /www.auger.org/). Ngoài ra, NASA đang hợp tác với Cơ quan Vũ trụ châu Âu để đặt Đài quan sát vũ trụ cực đoan (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) trên Trạm vũ trụ quốc tế. Nhiệm vụ OWL được đề xuất, từ quỹ đạo, nhìn xuống phía dưới vòi sen, xem một khu vực rộng lớn như Texas.
Các nhà khoa học này ghi lại các chớp sáng và điều tra dân số về các mảnh đạn hạ nguyên tử, làm việc ngược lại để tính toán một hạt cần bao nhiêu năng lượng để tạo ra tầng khí quyển. Họ đạt đến một con số gây sốc từ 10 ^ 20 volt (eV) trở lên. (Để so sánh, năng lượng trong một hạt ánh sáng màu vàng là 2 eV và các electron trong ống truyền hình của bạn nằm trong dải năng lượng nghìn volt.)
Những hạt năng lượng siêu cao này trải nghiệm những hiệu ứng kỳ quái được dự đoán bởi thuyết tương đối đặc biệt của Einstein. Nếu chúng ta có thể quan sát chúng đến từ một góc xa của vũ trụ, giả sử cách xa một trăm triệu năm ánh sáng, chúng ta phải kiên nhẫn - sẽ mất cả trăm triệu năm để hoàn thành hành trình. Tuy nhiên, nếu chúng ta có thể di chuyển cùng các hạt, chuyến đi kết thúc sau chưa đầy một ngày do sự giãn nở thời gian của các vật thể chuyển động nhanh như được đo bởi một người quan sát.
Các tia vũ trụ năng lượng cao nhất thậm chí không thể chiếu tới chúng ta nếu được tạo ra từ các nguồn ở xa, vì chúng va chạm và mất năng lượng với các photon vi sóng vũ trụ còn sót lại từ vụ nổ lớn. Nguồn của các tia vũ trụ này phải được tìm thấy tương đối gần chúng ta, ở khoảng cách vài trăm triệu năm ánh sáng. Các ngôi sao phát nổ khi các vụ nổ tia gamma được tìm thấy trong khoảng cách này, vì vậy các nỗ lực quan sát chuyên sâu đang được tiến hành để tìm thấy tàn dư vụ nổ tia gamma được phân biệt bởi các tia phóng xạ được tạo ra bởi các tia vũ trụ.
Rất ít loại thiên thể sở hữu các điều kiện khắc nghiệt cần thiết để làm nổ các hạt theo tốc độ UHECR. Nếu các vụ nổ tia gamma tạo ra UHECR, chúng có thể làm như vậy bằng cách gia tốc các hạt trong các tia vật chất được đẩy ra từ vụ nổ với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Các vụ nổ tia gamma có khả năng tăng tốc UHECR, nhưng các vụ nổ tia gamma quan sát được cho đến nay đã ở xa, cách xa hàng tỷ năm ánh sáng. Điều này không có nghĩa là họ có thể xảy ra gần đó, trong khoảng cách cắt UHECR.
Một ứng cử viên hàng đầu cho các loại vụ nổ tia gamma tồn tại lâu như GRB941017 là mô hình siêu tân tinh / sập. Siêu tân tinh xảy ra khi một ngôi sao nặng hơn nhiều lần so với Mặt trời làm cạn kiệt nhiên liệu của nó, khiến lõi của nó sụp đổ dưới trọng lực của chính nó trong khi các lớp bên ngoài của nó bị thổi bay trong một vụ nổ nhiệt hạch lớn. Collapsar là một loại siêu tân tinh đặc biệt, trong đó lõi rất lớn, nó sụp đổ thành một lỗ đen, một vật thể dày đặc đến nỗi không gì, thậm chí không ánh sáng, có thể thoát khỏi lực hấp dẫn của nó trong chân trời sự kiện lỗ đen. Tuy nhiên, các quan sát cho thấy các lỗ đen là những kẻ ăn chơi cẩu thả, đẩy vật chất đi qua, nhưng không vượt qua, chân trời sự kiện của chúng.
Trong một vụ sập, lõi sao Star tạo thành một đĩa vật liệu xung quanh lỗ đen mới hình thành, giống như nước xoáy quanh cống. Lỗ đen tiêu thụ hầu hết các đĩa, nhưng một số vấn đề được thổi vào các tia từ các cực của lỗ đen. Các tia nước xé xuyên qua ngôi sao đang sụp đổ với tốc độ ánh sáng, và sau đó đấm xuyên qua khí bao quanh ngôi sao bị hủy diệt. Khi các máy bay phản lực đâm vào môi trường liên sao, chúng tạo ra sóng xung kích và chậm lại. Những cú sốc bên trong cũng hình thành trong các máy bay phản lực khi các cạnh hàng đầu của chúng chậm lại và bị đập từ phía sau bởi một luồng vật chất tốc độ cao. Các cú sốc làm tăng tốc các hạt tạo ra tia gamma; họ cũng có thể tăng tốc các hạt đến tốc độ UHECR, theo nhóm nghiên cứu.
Càng ném nó như nảy một quả bóng bàn giữa một mái chèo và một cái bàn, ông Đinh nói. Khi bạn di chuyển mái chèo đến gần bàn hơn, bóng nảy càng lúc càng nhanh. Trong một vụ nổ tia gamma, mái chèo và cái bàn là những quả đạn được đẩy ra trong máy bay phản lực. Từ trường hỗn loạn buộc các hạt phát lại giữa các lớp vỏ, tăng tốc chúng lên gần như tốc độ ánh sáng trước khi chúng thoát ra như UHECR.
Việc phát hiện neutrino từ vụ nổ tia gamma sẽ giải quyết trường hợp gia tốc tia vũ trụ bằng vụ nổ tia gamma. Neutrino là các hạt khó nắm bắt được tạo ra khi các proton năng lượng cao va chạm với các photon. Neutrino không có điện tích, vì vậy vẫn quay trở lại hướng của nguồn.
Quỹ khoa học quốc gia hiện đang xây dựng IceCube (http://icecube.wisc.edu/), một máy phát hiện km khối nằm trong băng dưới Nam Cực, để tìm kiếm phát xạ neutrino từ vụ nổ tia gamma. Tuy nhiên, các đặc tính của máy gia tốc hạt năng lượng cao nhất của tự nhiên vẫn là một bí ẩn lâu dài, mặc dù gia tốc của các ngôi sao phát nổ tạo ra vụ nổ tia gamma đã được ưa chuộng kể từ khi Mario Vietri (Đại học di Roma) và Eli Waxman (Viện Weizmann) đề xuất. vào năm 1995.
Nhóm nghiên cứu tin rằng trong khi các giải thích khác có thể cho quan sát này, kết quả phù hợp với gia tốc UHECR trong các vụ nổ tia gamma. Họ đã nhìn thấy cả tia gamma năng lượng thấp và năng lượng cao trong vụ nổ GRB941017. Các tia gamma năng lượng thấp là những gì các nhà khoa học mong đợi từ các electron tốc độ cao bị lệch từ trường cực mạnh, trong khi các tia năng lượng cao là điều được mong đợi nếu một số UHECR được tạo ra trong vụ nổ rơi vào các photon khác, tạo ra một hạt mưa , một số trong đó nhấp nháy để tạo ra các tia gamma năng lượng cao khi chúng phân rã.
Thời điểm phát xạ tia gamma cũng rất đáng kể. Các tia gamma năng lượng thấp biến mất tương đối nhanh chóng, trong khi các tia gamma năng lượng cao kéo dài. Điều này có ý nghĩa nếu hai loại hạt khác nhau - electron và proton của UHECR - chịu trách nhiệm cho các tia gamma khác nhau. 100 Nó dễ dàng hơn nhiều đối với các điện tử so với các proton để tỏa năng lượng của chúng. Do đó, sự phát xạ của các tia gamma năng lượng thấp từ các electron sẽ ngắn hơn các tia gamma năng lượng cao từ các proton, theo ông Dingus.
Đài thiên văn Compton Gamma Ray là đài quan sát thứ hai của NASA Đài quan sát lớn và tia gamma tương đương với Kính viễn vọng Không gian Hubble và Đài quan sát tia X Chandra. Compton đã được đưa lên tàu con thoi Atlantis vào tháng 4 năm 1991 và ở mức 17 tấn, là trọng tải vật lý thiên văn lớn nhất từng bay vào thời điểm đó. Khi kết thúc nhiệm vụ tiên phong của mình, Compton đã bị khử mùi và trở lại bầu khí quyển Trái đất vào ngày 4 tháng 6 năm 2000.
Nguồn gốc: NASA News Release
