Máy gia tốc hạt khổng lồ trên bầu trời

Một đội khoa học quốc tế vừa thu thập được bằng chứng đầu tiên cho thấy bão sét có thể hoạt động như những máy gia tốc hạt khổng lồ.

Trong một bài thuyết trình tại cuộc họp của Hội Thiên văn học Hoàng gia Anh ở Glasgow hồi tuần rồi, Martin Füllekrug thuộc trường đại học Bath đã mô tả cách thức đội của ông phát hiện ra những sóng vô tuyến đi cùng với sự xuất hiện của “yêu râu xanh”- những vòng cầu phát sáng thỉnh thoảng thoáng xuất hiện phía trên cơn giông sét. Sóng vô tuyến ấy cho thấy “yêu râu xanh” có thể làm gia tốc những electron ở gần, tạo ra một chùm hạt có sức mạnh ngang ngửa với một nhà máy điện hạt nhân cỡ nhỏ.

Martin Füllekrug và các đồng nghiệp vừa chứng minh được những cỗ máy gia tốc hạt đầy sức mạnh đang ẩn chứa trong bầu khí quyển của Trái đất. (Ảnh: Shutterstock)

“Việc khám phá ra cỗ máy gia tốc hạt trên cho phép [người ta] áp dụng kiến thức đã có trong ngành vật lí hạt cho thế giới thực, và đặt ra những hệ quả bất ngờ cho việc kiểm tra thực nghiệm”,  Füllekrug nói.

Một quan điểm cũ

Ý tưởng về những cỗ máy gia tốc hạt tự nhiên tồn tại hàng kilo mét ngay trên đầu chúng ta xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1925, khi nhà vật lí người Anh và là người đạt giải Nobel Charles Wilson nghiên cứu những tác dụng của từ trường của những đám mây sét. Wilson khẳng định rằng điện trường đó có thể gây ra sự rò điện của khí quyển Trái đất phía trên đám mây, dẫn tới những hiện tượng thoáng nhanh như yêu râu xanh.

Những con yêu râu xanh này, theo các nhà vật lí đề xuất, sẽ làm nhiều việc hơn là chỉ thắp sáng bầu trời. Khi những hạt năng lượng cao hay “tia vũ trụ” từ không gian đến bắn phá bầu khí quyển của chúng ta, chúng bóc trần các phân tử không khí hết những electron ngoài cùng của chúng. Trong sự có mặt của điện trường của một yêu râu xanh, những electron này có thể bị buộc chuyển động hướng lên trong một chùm hẹp từ tầng đối lưu lên trên không gian gần Trái đất. Ngoài ra, dòng electron biến thiên, theo hệ phương trình Maxwell, sẽ sinh ra sóng điện từ trong ngưỡng tần số vô tuyến.

Năm 1998, người đồng nghiệp của Füllekrug, Robert Roussel-Dupré thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico, Mĩ, đã sử dụng một siêu máy tính mô phỏng những sóng vô tuyến này. Các mô phỏng dự đoán chúng sẽ xuất hiện thành từng xung với quang phổ khá phẳng – trái với phổ điện từ bản thân tia sét, nó tăng lên ở những tần số thấp.

Các tiên đoán được xác nhận

Năm 2008, trong khi một nhóm nhà khoa học châu Âu đo thời gian tới của những con yêu râu xanh từ một đỉnh núi trong dãy Pyrenées thuộc Pháp, thì Füllekrug ở lại trên mặt đất với một máy dò sóng vô tuyến chuyên dụng. Các tín hiệu mà ông phát hiện phù hợp với những sự kiện yêu râu xanh và phù hợp với những đặc trưng của các tiên đoán Roussel-Dupré.

“Thật hấp dẫn khi thấy tự nhiên sinh ra những cỗ máy gia tốc hạt chỉ vài ba dặm ngay trên đầu chúng ta”, Füllekrug nói. “Chúng cung cấp một thí dụ hấp dẫn cho tương tác giữa Trái đất và vũ trụ rộng lớn hơn bên ngoài”.

Füllekrug lưu ý rằng ông không có ứng dụng đặc biệt nào trong đầu cho một máy gia tốc hạt trên trời như thế này, mặc dù ông tin rằng có thể có những ứng dụng rộng rãi hơn cho khoa học. Các nhà nghiên cứu có nhiều câu hỏi về bầu khí quyển tầng giữa vì rất khó thiết lập những hệ thống quan sát ở đó. Nhưng bằng cách sử dụng cái các nhà vật lí vừa học được về cách thức những chùm electron tương tác với vật chất, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng hiện tượng này để nghiên cứu bộ phận này của khí quyển.

Thật vậy, chúng ta có thể sẽ nghe nói nhiều về những máy gia tốc hạt tự nhiên trong tương lai gần. Vệ tinh IBUKI của Nhật hiện đang khảo sát chuyển động của những hạt tích điện trong khí quyển. Trong vài năm tới, một vài sứ mệnh nữa – trong đó có CHIBIS của Nga và TARANIS của Pháp – sẽ cung cấp nhiều thông tin hơn về những máy gia tốc hạt này.

Theo physicsworld.com