Tia vũ trụ là những hạt mang năng lượng cực cao di chuyển trong không gian, từ lâu đã là một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý thiên văn. Chúng xuất hiện khắp nơi trong vũ trụ, va chạm liên tục vào Trái Đất, góp phần định hình hóa học khí quyển và ảnh hưởng đến công nghệ cũng như an toàn trong du hành vũ trụ.
Tuy nhiên, điều khiến giới khoa học đau đầu suốt nhiều thập kỷ là nguồn năng lượng khổng lồ nào đã thúc đẩy những hạt nhỏ bé này lao đi với tốc độ gần bằng ánh sáng.
Giờ đây, một nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) đã tạo ra một "vụ nổ vũ trụ" thu nhỏ trong phòng thí nghiệm, mô phỏng thành công một trong những quá trình gia tốc có thể tạo nên tia vũ trụ, đây được xem là một bước tiến mang tính đột phá trong việc lý giải nguồn gốc của hiện tượng bí ẩn này.
Trong một thí nghiệm táo bạo sử dụng hệ thống laser Shenguang-2 cực mạnh, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng lại một hiện tượng mà ngoài không gian chỉ có thể xảy ra khi các ngôi sao phát nổ – sóng xung kích siêu mạnh.
Bằng cách tạo ra plasma từ hóa – một dạng khí mang điện thường thấy trong vũ trụ – và cho một luồng plasma khác va chạm với tốc độ hơn 400 km/giờ, họ đã tạo ra một làn sóng xung kích nhân tạo có cấu trúc tương tự với những gì xảy ra khi một siêu tân tinh phát nổ.
Điều đặc biệt là trong điều kiện hoàn toàn có kiểm soát của phòng thí nghiệm, các nhà khoa học đã có thể quan sát trực tiếp cách các hạt ion được tăng tốc qua tương tác này.
Kết quả thu được khiến nhiều người phải sửng sốt: các ion đã được đẩy tới tốc độ khổng lồ, dao động từ 1.100 đến 1.800 km/giây, nhanh hơn rất nhiều so với vận tốc ban đầu của làn sóng xung kích.
Đây là lần đầu tiên con người trực tiếp ghi nhận một quá trình tăng tốc tương tự như những gì có thể đã xảy ra trong vũ trụ, gợi mở cơ chế gia tốc đứng sau các tia vũ trụ năng lượng cao.
Để giải thích hiện tượng trên, các nhà khoa học từ trước tới nay đã đưa ra hai lý thuyết chính. Lý thuyết thứ nhất là "gia tốc trôi do va chạm" (Shock Drift Acceleration – SDA), hình dung các hạt trượt dọc theo biên của sóng xung kích giống như những người lướt sóng lướt trên mặt sóng, thu được năng lượng qua các tương tác điện từ tại rìa cú sốc.
Lý thuyết thứ hai, gọi là "gia tốc sóng xung kích" (Shock Surfing Acceleration – SSA), ví các hạt như đang cưỡi trực tiếp trên đỉnh sóng, bị giữ lại và đẩy về phía trước bởi trường điện từ mạnh của cú sốc.
Thí nghiệm của nhóm USTC đã mang lại bằng chứng rõ ràng ủng hộ lý thuyết SDA. Nhờ các công cụ chẩn đoán tiên tiến và các mô phỏng đi kèm, nhóm nghiên cứu nhận thấy các ion thu được năng lượng chủ yếu thông qua phản xạ bởi trường điện động học trong vùng xung kích, đúng như cơ chế mà SDA đề xuất.
Họ cho biết: “Các mô phỏng của chúng tôi tái tạo chính xác mức tăng năng lượng và cho thấy các ion được tăng tốc chủ yếu bởi trường điện chuyển động trong quá trình phản xạ. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các quan sát vệ tinh về xung kích mũi Trái Đất”.
Không chỉ góp phần phân định đúng sai giữa hai lý thuyết cạnh tranh suốt nhiều năm, thí nghiệm này còn mở ra cánh cửa mới để khám phá các hiện tượng vật lý khó nắm bắt của vũ trụ.
Trước đây, việc nghiên cứu trực tiếp tia vũ trụ là vô cùng khó khăn do tính chất không thể kiểm soát của chúng và điều kiện khắc nghiệt của không gian. Nhưng giờ đây, các nhà khoa học có thể mô phỏng môi trường vũ trụ ngay trên Trái Đất, quan sát và phân tích từng bước quá trình gia tốc hạt, từ đó hiểu rõ hơn về cách các ngôi sao phát nổ, lỗ đen tương tác với môi trường xung quanh và thậm chí là bản chất của vật chất và năng lượng trong vũ trụ.
Ý nghĩa của nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở việc lý giải nguồn gốc tia vũ trụ. Nó còn đặt nền móng cho các ứng dụng thực tiễn trong ngành năng lượng và công nghệ cao, đặc biệt trong lĩnh vực kiểm soát plasma, một yếu tố then chốt cho các lò phản ứng nhiệt hạch.
Ngoài ra, hiểu rõ hơn về cách các hạt được gia tốc sẽ giúp thiết kế tốt hơn các thiết bị điện tử trên vệ tinh và tàu vũ trụ, bảo vệ chúng trước những dòng bức xạ năng lượng cao luôn hiện diện ngoài không gian.
Nghiên cứu đột phá này vừa được công bố trên tạp chí Science Advances , một trong những tạp chí khoa học uy tín hàng đầu thế giới. Giới vật lý thiên văn quốc tế lập tức chú ý và đánh giá cao bước tiến mà nhóm nghiên cứu Trung Quốc đạt được.
Đây là một ví dụ điển hình cho xu hướng nghiên cứu liên ngành hiện đại, nơi vật lý plasma, công nghệ laser, vật lý thiên văn và khoa học máy tính cùng nhau hợp lực để giải mã những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ.
Việc Trung Quốc đi đầu trong công trình này cho thấy tham vọng rõ ràng của họ trong cuộc đua nghiên cứu không gian. Trong bối cảnh quốc tế đang hướng mạnh mẽ về các sứ mệnh liên hành tinh và khai phá không gian sâu, khả năng mô phỏng và tái tạo những hiện tượng vũ trụ phức tạp trong môi trường phòng thí nghiệm sẽ đóng vai trò cực kỳ quan trọng.
Không chỉ giúp nâng cao hiểu biết nền tảng, nó còn giảm đáng kể chi phí và rủi ro khi thực hiện các sứ mệnh ngoài không gian thật.
Lấy link