Tia gamma phát ra từ các ngôi sao xa xôi, như thể hiện trong hình minh họa của nghệ sĩ này, là một trong những nguồn có thể của các "hạt OMG" cực mạnh đôi khi tấn công các máy dò của các nhà khoa học trên Trái đất.
(Ảnh: © NASA / SkyWorks Digital)
Paul Sutter là nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio và là nhà khoa học trưởng tại trung tâm khoa học COSI. Sutter cũng là người dẫn chương trình "Ask a Spaceman" và "Space Radio" và dẫn dắt AstroTours trên toàn thế giới. Sutter đã đóng góp bài viết này cho Chuyên gia lên tiếng của Space.com: Op-Ed & Insights.
Ngay bây giờ, khi bạn đọc chính văn bản này, DNA của bạn đang bị cắt bởi những viên đạn nhỏ, vô hình. Những kẻ gây sát thương được gọi là tia vũ trụ, mặc dù chúng hoàn toàn không phải là tia - nhưng cái tên bị mắc kẹt từ một sự hiểu lầm lịch sử. Thay vào đó, chúng là các hạt: electron và proton, chủ yếu, nhưng đôi khi những thứ nặng hơn như helium hoặc thậm chí là hạt nhân sắt.
Những hạt vũ trụ này là rắc rối, bởi vì a) chúng rất nhanh và do đó có rất nhiều động năng để ném xung quanh và b) chúng được tích điện. Điều này có nghĩa là chúng có thể ion hóa các nucleotide DNA kém của chúng ta, tách chúng ra và đôi khi dẫn đến các lỗi sao chép không thể kiểm soát (hay còn gọi là ung thư). ['Siêu sao' Eta Carinae hành động như một khẩu súng vũ trụ khổng lồ, nhưng tại sao?]
Như thể điều này không đủ tồi tệ, cứ sau một lần, khoảng một km vuông mỗi năm, một hạt lại gào thét vào bầu khí quyển phía trên của chúng tôi với tốc độ thực sự khủng khiếp, chống lại một phân tử nitơ hoặc oxy không may và rơi vào một cơn mưa năng lượng thấp hơn (nhưng vẫn gây chết người, tất nhiên) các hạt thứ cấp.
Chỉ có một phản ứng thích hợp khi đối mặt với một hạt có tiềm năng phi lý như vậy: "OMG."
Bóng nhanh
"OMG" là biệt danh được đặt cho ví dụ đầu tiên về cái được gọi là tia vũ trụ năng lượng cực cao, được phát hiện vào năm 1991 bởi máy dò tia vũ trụ Fly's Eye của Đại học Utah. Đó là một proton đâm vào bầu khí quyển của chúng ta với tốc độ khoảng 99.99999999999999999999951 phần trăm tốc độ ánh sáng. Và không, tất cả các số tiền đó không chỉ cho hiệu ứng ấn tượng để làm cho con số trông ấn tượng - nó thực sự rất nhanh. Hạt này có cùng một động năng như một quả bóng chày ném mạnh mẽ đã nén xuống một vật thể có kích thước của một proton.
Điều đó có nghĩa là hạt này có năng lượng gấp hơn 10 triệu lần so với thứ mà máy va chạm hạt mạnh nhất của chúng ta, LHC, có thể tạo ra. Do sự giãn nở thời gian tương đối tính, với tốc độ đó, hạt OMG có thể di chuyển đến ngôi sao láng giềng gần nhất của chúng ta, Proxima Centauri, trong 0,43 mili giây của thời gian của hạt. Nó có thể tiếp tục đến lõi thiên hà của chúng ta khi bạn đọc xong câu này (theo quan điểm riêng của nó).
OMG, thực sự.
Kể từ khi phát hiện hạt đó, chúng tôi tiếp tục theo dõi bầu trời cho những sự kiện cực đoan này bằng cách sử dụng kính viễn vọng và máy dò chuyên dụng trên khắp thế giới. Tất cả đã nói, chúng tôi đã ghi nhận khoảng một trăm hạt OMG trong vài thập kỷ qua.
Vài chục ví dụ vừa làm sáng tỏ vừa đào sâu những bí ẩn về nguồn gốc của chúng. Nhiều dữ liệu luôn luôn tốt, nhưng cái quái gì trong vũ trụ của chúng ta đủ mạnh để tạo cho một proton một vết nứt đủ tốt để nó gần như - gần như - thách thức chính ánh sáng của một chủng tộc?
Bóng ném
Để tăng tốc một hạt tích điện đến vận tốc điên cuồng, bạn cần hai thành phần chính: rất nhiều năng lượng và từ trường. Từ trường thực hiện công việc chuyển sang hạt bất kể năng lượng nào trong sự kiện của bạn (giả sử, động năng nổ của vụ nổ siêu tân tinh hoặc lực hấp dẫn xoáy khi vật chất rơi xuống lỗ đen). Các vật lý chi tiết, tự nhiên, vô cùng phức tạp và không được hiểu rõ lắm. Nơi sinh ra các tia vũ trụ rất phức tạp và nằm trong các vùng cực đoan của vũ trụ của chúng ta, vì vậy một bức tranh vật lý hoàn chỉnh sẽ khó có thể xuất hiện.
Nhưng chúng ta vẫn có thể đưa ra một số phỏng đoán có giáo dục về việc các ví dụ cực đoan như người bạn của chúng ta, hạt OMG đến từ đâu. Dự đoán đầu tiên của chúng tôi có thể là siêu tân tinh, cái chết kinh hoàng của những ngôi sao lớn. Từ trường? Kiểm tra. Nhiều năng lượng? Kiểm tra. Nhưng không đủ năng lượng để thực hiện các mẹo. Phát nổ sao đa dạng trong khu vườn của bạn chỉ không có đủ sức mạnh thô để phun ra các hạt với tốc độ chúng tôi đang xem xét.
Cái gì tiếp theo? Hạt nhân thiên hà hoạt động là những ứng cử viên mạnh mẽ. Những hạt nhân này được tạo ra khi vật chất xoáy đến tận cùng của nó xung quanh một lỗ đen siêu lớn nằm ở trung tâm của một thiên hà; vật liệu đó nén và nóng lên, tạo thành một đĩa bồi tụ trong những khoảnh khắc cuối cùng của nó. Địa ngục xoắn đó tạo ra từ trường cực mạnh từ các hoạt động của động lực, tạo thành hỗn hợp mạnh của các thành phần cần thiết để thêm một số mã lực nghiêm trọng cho các hạt bị đẩy ra.
Ngoại trừ (và bạn biết rằng sẽ có một "ngoại trừ"), các hạt nhân thiên hà hoạt động ở quá xa để tạo ra các tia vũ trụ chạm tới Trái đất. Ở tốc độ lố bịch của một tia vũ trụ năng lượng cực cao, bay qua vũ trụ giống như cố gắng cày qua một trận bão tuyết. Đó là bởi vì ở tốc độ đó, nền vi sóng vũ trụ - cơn lũ của các photon năng lượng thấp còn sót lại từ vũ trụ rất sơ khai - xuất hiện rất cao đối với các năng lượng cao hơn. Vì vậy, ánh sáng cường độ cao đó đập và quét vào tia vũ trụ đang di chuyển, làm chậm và cuối cùng ngăn chặn nó.
Do đó, chúng ta không nên mong đợi các tia vũ trụ mạnh nhất sẽ truyền đi xa hơn một trăm triệu năm ánh sáng - và hầu hết các hạt nhân thiên hà hoạt động cách chúng ta rất xa, nhiều hơn thế.
Đường cong
Trong một thời gian dài, một nghi phạm chính của thế hệ OMG là Centaurus A, một hạt nhân thiên hà hoạt động tương đối gần đó nằm ở khoảng cách từ 10 triệu đến 16 triệu năm ánh sáng. Mạnh mẽ, từ tính và gần gũi - sự kết hợp hoàn hảo. Nhưng trong khi một số khảo sát đã gợi ý rằng các tia vũ trụ có thể đến từ hướng chung của nó, thì chưa bao giờ có một mối tương quan rõ ràng nào đủ để khiến thiên hà đó nghi ngờ kết án. [Một cái nhìn sâu sắc về Thiên hà kỳ lạ A]
Một phần của vấn đề là từ trường của Dải Ngân hà tinh tế làm thay đổi quỹ đạo của các tia vũ trụ tới, ngụy trang các hướng ban đầu của chúng. Vì vậy, để tái tạo lại nguồn phát tia vũ trụ, bạn cũng cần các mô hình cho cường độ và hướng của từ trường thiên hà của chúng ta - thứ mà chúng ta không thực sự nắm được.
Nếu máy phát OMG không phải là Centaurus A, thì có lẽ đó là các thiên hà Seyfert, một phân lớp thiên hà nhất định của các hạt nhân thiên hà hoạt động nói chung gần hơn, yếu hơn (nhưng vẫn cực kỳ sáng và mạnh). Nhưng một lần nữa, với thậm chí không có một trăm mẫu để rút ra, thật khó để đưa ra quyết định thống kê nghiêm ngặt.
Có lẽ đó là vụ nổ tia gamma, được cho là phát ra từ kết thúc thảm khốc kỳ lạ đến một số ngôi sao cực đoan nhất. Nhưng sự hiểu biết của chúng tôi về vật lý của tình huống đó là (bạn có tin được không?) Khá sơ sài.
Có lẽ đó là một cái gì đó kỳ lạ hơn, như khiếm khuyết tôpô từ những khoảnh khắc đầu tiên của Vụ nổ lớn hoặc một số tương tác thú vị trong vật chất tối. Có lẽ chúng ta đang hiểu sai về vật lý và các tính toán giới hạn khoảng cách của chúng ta không chính xác. Có lẽ, có thể, có thể là huấn luyện
Nguồn gốc thực sự của các hạt "OMG" năng lượng cực cao này rất khó để xác định, và mặc dù đã có gần 30 năm lịch sử phát hiện, chúng tôi không có nhiều câu trả lời chắc chắn. Điều đó là tốt - thật tốt khi có ít nhất một số bí ẩn còn sót lại trong vũ trụ. Các nhà vật lý thiên văn cũng có thể sử dụng một số bảo mật công việc.
Tìm hiểu thêm bằng cách nghe tập trên podcast "Ask A Spaceman", có sẵn trên iTunes và trên web tại http://www.askaspaceman.com. Cảm ơn hchrissscottt cho các câu hỏi dẫn đến tác phẩm này! Đặt câu hỏi của riêng bạn trên Twitter bằng cách sử dụng #AskASpaceman hoặc bằng cách theo dõi Paul @PaulMattSutter và facebook.com/PaulMattSutter. Theo dõi chúng tôi @Spacesotcom, Facebook và Google+. Bài viết gốc trên Space.com.
