Một nhóm các nhà khoa học do Trung Quốc dẫn đầu vừa phát hiện tín hiệu ánh sáng có năng lượng cao nhất từng được ghi nhận từ một nguồn thiên văn, mở ra bằng chứng mới cho thấy vũ trụ có thể gia tốc các hạt vật chất lên mức năng lượng cao hơn rất nhiều so với những giới hạn lâu nay được các nhà vật lý đặt ra.
Tín hiệu đặc biệt này bắt nguồn từ Cygnus X-3, một hệ sao đôi cực kỳ dữ dội nằm trong chòm sao Thiên Nga. Đây là một hệ thống trong đó một vật thể sao đã chết – có thể là sao neutron hoặc lỗ đen – tương tác mạnh với một ngôi sao đồng hành có khối lượng lớn.
Các quan sát mới cho thấy Cygnus X-3 có khả năng gia tốc các hạt mang điện lên ít nhất 30 peta-electron volt (PeV), cao gấp khoảng 30 lần ngưỡng 1 PeV từng được xem là giới hạn quan trọng đối với các máy gia tốc tự nhiên trong Ngân Hà.
Phát hiện được thực hiện nhờ Đài quan sát Shower không khí độ cao lớn (LHAASO) của Trung Quốc, một trong những cơ sở quan sát tia vũ trụ và tia gamma nhạy nhất thế giới. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí National Science Review.
Một “nhà máy gia tốc” khổng lồ nằm cách Trái đất gần 30.000 năm ánh sáng
Cygnus X-3 không phải một ngôi sao bình thường. Hệ sao đôi này là một môi trường cực đoan, nơi vật thể sao đặc và già cỗi tương tác với một ngôi sao khổng lồ, tạo ra những quá trình vật lý có thể giải phóng năng lượng ở quy mô khổng lồ.
Trong hệ thống này, vật thể sao đã chết hút vật chất từ ngôi sao đồng hành. Quá trình đó có thể tạo ra các dòng vật chất và năng lượng phóng ra không gian với tốc độ cực lớn.
Theo nhóm nghiên cứu, những quá trình dữ dội này có thể đóng vai trò như một “máy gia tốc hạt” tự nhiên.
Sau hành trình kéo dài gần 30.000 năm trong không gian, một phần tín hiệu từ Cygnus X-3 đã tới Trái đất vào tháng 3/2024. Nó được LHAASO ghi nhận tại tỉnh Tứ Xuyên, Trung Quốc.
LHAASO nằm ở độ cao khoảng 4.410 m trên mực nước biển, tại huyện Đạo Thành. Vị trí đặc biệt này giúp hệ thống giảm đáng kể ảnh hưởng của khí quyển và có thể theo dõi các trận mưa hạt thứ cấp hình thành khi tia vũ trụ năng lượng cao va chạm với khí quyển Trái đất.
Theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), LHAASO là một cơ sở hàng đầu thế giới trong nghiên cứu tia gamma năng lượng cực cao và tia vũ trụ. Đài quan sát này hoàn thành và đi vào vận hành ổn định từ năm 2021.
30 PeV – con số khiến giới vật lý phải xem lại giới hạn cũ
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học cho rằng những “máy gia tốc” tự nhiên trong Ngân Hà rất khó đẩy các hạt mang điện vượt qua ngưỡng khoảng 1 PeV.
Một PeV tương đương 10¹⁵ electron volt, tức 1 triệu tỷ electron volt.
Để hình dung quy mô năng lượng này, ngay cả Large Hadron Collider (LHC) – máy gia tốc hạt mạnh nhất do con người chế tạo – cũng hoạt động ở mức năng lượng thấp hơn rất nhiều khi so với những hạt vũ trụ riêng lẻ được quan sát trong các nghiên cứu này.
Cao Chấn (Cao Zhen), nhà khoa học chính của LHAASO thuộc Viện Vật lý Năng lượng cao của CAS, cho biết các quan sát mới cho thấy Cygnus X-3 có thể gia tốc hạt mang điện lên ít nhất 30 PeV.
Điều này đặc biệt đáng chú ý bởi 1 PeV từng được xem như một “trần năng lượng” tự nhiên đối với nhiều nguồn gia tốc trong Ngân Hà.
Nếu các hạt đạt tới mức 30 PeV thực sự được tạo ra tại Cygnus X-3, hệ thống này sẽ nằm trong nhóm những môi trường cực đoan nhất từng được biết đến trong thiên hà.
Vì sao các nhà khoa học từng tin rằng 1 PeV là giới hạn?
Tia vũ trụ là những hạt năng lượng cao liên tục lao vào Trái đất từ ngoài không gian. Chúng chủ yếu là các hạt mang điện như proton và hạt nhân nguyên tử.
Vấn đề là các nhà thiên văn không thể đơn giản nhìn thấy trực tiếp một proton đang lao đi với năng lượng cực lớn từ cách chúng ta hàng nghìn năm ánh sáng.
Thay vào đó, họ quan sát những dấu vết thứ cấp do các hạt này tạo ra khi va chạm với vật chất và trường bức xạ xung quanh.
Trong mô hình truyền thống, từ trường của Ngân Hà hoạt động giống như một chiếc “máy pinball” khổng lồ. Các hạt mang điện bị từ trường bẻ cong và bật qua lại, đặc biệt tại những vùng có sóng xung kích do các vụ nổ sao tạo ra.
Mỗi lần như vậy, chúng có thể nhận thêm năng lượng.
Nhưng khi năng lượng tăng quá cao, các hạt có xu hướng thoát khỏi vùng gia tốc trước khi tiếp tục được tăng tốc. Khoảng 1 PeV vì thế từng được xem là ngưỡng mà các máy gia tốc tự nhiên trong Ngân Hà khó vượt qua.
Phát hiện mới về Cygnus X-3 cho thấy bức tranh đó có thể chưa hoàn chỉnh.
LHAASO từng làm lung lay giới hạn này từ năm 2021
Thực tế, giới hạn 1 PeV đã bắt đầu bị đặt dấu hỏi từ vài năm trước.
Năm 2021, ngay cả khi LHAASO chưa hoàn thiện toàn bộ hệ thống, các nhà khoa học đã phát hiện những photon có năng lượng vượt 1 PeV.
Một trong những phát hiện khi đó đạt khoảng 1,4 PeV và được xem là bằng chứng cho thấy trong Ngân Hà tồn tại những nguồn có khả năng gia tốc hạt lên mức khoảng 10 PeV hoặc cao hơn.
Những kết quả này đã mở ra khái niệm “PeVatron” – tên gọi dành cho các nguồn thiên văn có khả năng gia tốc hạt lên mức peta-electron volt.
CAS cho biết LHAASO sau đó tiếp tục phát hiện nhiều nguồn tia gamma năng lượng cực cao trong Ngân Hà, góp phần giải quyết câu hỏi kéo dài hàng thế kỷ về nguồn gốc của tia vũ trụ.
Photon 3,7 PeV lập kỷ lục mới
Trong nghiên cứu mới, nhóm LHAASO đã phát hiện 11 tín hiệu gamma năng lượng cực cao từ Cygnus X-3 trong các quan sát kéo dài từ cuối năm 2019 đến giữa năm 2024.
Năm tín hiệu trong số đó có năng lượng vượt 1 PeV.
Đặc biệt, một photon đạt năng lượng khoảng 3,7 PeV, trở thành photon có năng lượng cao nhất từng được phát hiện từ một nguồn thiên văn.
Một tín hiệu khác đạt khoảng 3,1 PeV, đứng thứ hai trong số những photon năng lượng cao nhất từng được ghi nhận.
Đây là điểm cần phân biệt rõ: 3,7 PeV là năng lượng của photon gamma được quan sát, trong khi mức ít nhất 30 PeV là năng lượng của các hạt mang điện được suy ra từ những tín hiệu đó.
Các nhà nghiên cứu sử dụng những tín hiệu gamma làm “dấu vết” để tính ngược về năng lượng của các hạt ban đầu đã tạo ra chúng.
Từ đó, họ kết luận Cygnus X-3 có khả năng gia tốc các hạt mang điện lên ít nhất 30 PeV.
Tín hiệu 4,8 giờ hé lộ vị trí “động cơ” gia tốc
Một chi tiết đặc biệt khác khiến phát hiện này trở nên quan trọng là chu kỳ biến đổi của tín hiệu.
Các tín hiệu năng lượng cao nhất xuất hiện theo chu kỳ khoảng 4,8 giờ, gần trùng với chu kỳ quỹ đạo của hai vật thể trong Cygnus X-3.
Điều này cho phép các nhà khoa học thu hẹp vị trí nơi quá trình gia tốc diễn ra.
Nếu những tín hiệu này thực sự gắn với chuyển động quỹ đạo của hệ sao đôi, nguồn gia tốc nhiều khả năng nằm gần khu vực trung tâm – nơi hai vật thể tương tác mạnh – thay vì ở xa hơn trong các dòng vật chất phóng ra từ hệ thống.
Nói cách khác, các nhà nghiên cứu không chỉ phát hiện một nguồn phát tia gamma cực mạnh mà còn có thêm manh mối về nơi “động cơ” gia tốc hạt của nó hoạt động.
Cygnus X-3 có thể là “siêu PeVatron” đầu tiên được xác nhận
Theo nhóm nghiên cứu, những kết quả trên cho phép xác định Cygnus X-3 là một “super-PeVatron” – nguồn gia tốc tự nhiên có khả năng đẩy các hạt lên mức năng lượng cao hơn rất xa ngưỡng 1 PeV truyền thống.
Đây là một bước tiến quan trọng trong việc giải mã nguồn gốc của các tia vũ trụ năng lượng cực cao.
Các nhà khoa học từ lâu đã biết Trái đất liên tục bị “bắn phá” bởi những hạt đến từ không gian, nhưng câu hỏi lớn là: những hạt này được tăng tốc ở đâu và bằng cơ chế nào?
Việc xác định được những nguồn có khả năng hoạt động như PeVatron giúp thu hẹp danh sách các “nghi phạm” trong cuộc truy tìm kéo dài hàng thế kỷ.
Theo SCMP
