Câu hỏi bí ẩn lớn thứ hai của vật lý thiên văn học

Đài thiên văn Pierre Auger sẽ canh gác cả vòm trời

Tại vùng Pampa Amrilla, một địa điểm phía Bắc vùng Patagonie thuộc Áchentina, Nam Mỹ, một tối sáng trời và không trăng, vào lúc 2 giờ đêm ngày 23 - 5 - 2001, bất thình lình một vệt sáng xuyên ngang trời. Mắt thường, không nhìn thấy nhưng một máy phát hiện đặt tại vùng đó đã phát hiện được. Trên một quả đồi nhỏ gần thành phố Malargue đã đặt một kính viễn vọng huỳnh quang có 440 ống nhân quang. Trong số hàng trăm ống đó, 14 ống đã phát hiện tia vũ trụ đầu tiên mà chúng nhận được sau khi tia từ vũ trụ đến và kích hoạt chúng. Vài tuần sau, ngày 19 - 8, lúc 2 giờ 33 phút đêm một chùm hàng tỉ hạt nhỏ tưới vào 5 bể chứa Huron, Ursula, Susana, Carmen, và Miranda, mỗi bể chứa 12 tấn nước. Biến cố này được ghi ngay đồng thời phân phát đi các trung tâm tính toán trên toàn thế giới. Ngày hôm sau, học sinh các trường ở các vùng này được thông báo tin trên thì đồng thời các vùng đó cũng được đón nhận hơn 300 nhà vật lý thiên văn học và kỹ sư đến từ 18 nước.

Sự kiện này chứng tỏ giai đoạn chuẩn bị xây dựng một thị trấn khoa học bắt đầu đã cách đây 10 năm, năm 1991, nay đã hoàn thành và báo trước một thời kỳ mới bắt đầu, thời kỳ hoạt động trong khoảng hai chục năm tới của một Đài Thiên văn, tiếp đón hàng trăm nhà vật lý thiên văn học tới làm việc.

Vào cuối năm 2004, khi các công trình xây dựng sẽ được xong xuôi thì Đài Thiên văn sẽ phủ một diện tích hơn 3000 km ², vùng hoạt động của một số máy phát hiện lớn chưa từng có đến lúc này. Đài được mang tên Đài Thiên văn Pierre Auger, tôn vinh nhà thiên văn học người Pháp, một trong số những người đi tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu tia vũ trụ.

Trên mặt bằng của các cao nguyên Pampa , Amarilla, người ta trưng hứng 1.600 bể chứa gống nhau. Bầu trời trên các cao nguyên đó được theo dõi bởi các kính viễn vọng huỳnh quan suốt một diện tích tổng thể đến 13000 pixel, mỗi kính phụ trách một khoảng trời vuông mỗi cạnh khoảng 1,5 độ. Nếu dự kiến được thực hiện xuôi sẻ thì trong vài năm tới, một công trình tương tự sẽ được hoàn thành tại Bắc Mỹ, có thể là Utah, nó sẽ phủ một diện tích khoảng 6.000 km ². Như vậy, với hai đội của Đài Thiên văn Pierre Auger, toàn vòm trời được theo dõi.

Lý do mà các nhà khoa học đầu tư vào một công trình đến như vậy là nhằm tìm lời giải cho một trong số các câu hỏi thuộc loại bí ẩn lớn nhất của vật lý thiên văn học hiện đại: nguồn gốc các hạt vũ trụ năng lượng cực lớn, vượt quá 10 ²⁰electronvon.

Để giải thích nguồn gốc các hạt vũ trụ ấy các nhà lý thuyết các tương tác cơ bản đã thiết lập hàng chục mô hình khác nhau nhưng chưa một mô hình nào trong đó tỏ ra được thoả mãn. Nếu như trả lời được câu hỏi này, có thể một khoa học vật lý mới sẽ ra đời. Các tia vũ trụ năng lượng cực lớn ấy rất hiếm gặp (chỉ vài sự kiện trên một kilomét vuông và phải hàng thế kỷ mới gặp được), vì vậy muốn có được số lượng sự kiện đủ để thực nghiệm thì nhất thiết phải xây dựng một thiết bị phát hiện phủ hàng chục triệu kilomet vuông. Triển vọng của một phát minh cơ bản đã thúc đẩy các nhà khoa học quyết tâm đi theo hướng đó.

Vấn đề lớn thứ hai của vật lý thiên văn học

Bí ẩn về các tia vũ trụ năng lượng siêu cao nào đó là bài toán thứ hai trong số các bài toán lớn của vật lý thiên văn học. “Vật chất đen” là bài toán lớn thứ nhất, nói như nhà vật lý thiên văn học Ludwik Celnikier, Đài Thiên văn Paris – Meudon, là việc nghiên cứu các hạt phải tồn tại (vì khối lượng của chúng đã tính toán được ở mức độ vũ trụ), nhưng cho đến nay, điều trái ngược xảy ra trong thực nghiệm, chúng không tồn tại (vì người ta không phát hiện ra chúng).

Điều đáng quan tâm nói đây thì ngược lại: các tia vũ trụ năng lượng cực cao là những hạt đã hiển nhiên tồn tại, nhưng có thể “không phải” chính chúng.

Thực vậy, các tia vũ trụ vận chuyển các năng lượng khổng lồ của các hạt vi mô. Kỷ lục thuộc về một hạt đã quan sát được năm 1992 tại Utah , do chiếc kính viễn vọng huỳnh quang đầu tiên đưa vào sử dụng. Hiện tượng xảy ra rất lạ, đến mức nhóm “canh tác” kết luận rằng đó là do máy móc vận hành sai. Một nhà vật lý học trẻ rất kiên trì sau rất nhiều lần thử (và phải ba năm chờ đợi), cuối cùng được biết đấy là kết quả do một hạt vũ trụ gây ra với một năng lượng tương đương với năng lượng của một viên đạn súng. Năng lượng chỉ do một hạt đã gấp 100 triệu lần mạnh hơn các chùm hat sinh ra trong máy gia tốc mạnh nhất thế giới hiện nay, máy LHC đặt tại Geneve. Phải nói rằng, với năng lượng như vậy không bao giờ có thể sản sinh được trong các máy gia tốc nhân tạo. Các hạt ấy được sinh ra như thế nào? Hãy xem các tia vũ trụ và một vài giả thiết có liên quan đến năng lượng mạnh của chúng.

Trong lĩnh vực vật lý thực nghiệm, các nhà vật lý thiên văn có một thiết chế khác đặc biệt. Khác với các ngành khoa học khác, ở đây, các nhà khoa học không thể sản sinh ra tại phòng thí nghiệm hiện tượng mà họ cần nghiên cứu: phải chờ đợi hiện tượng đó xuất hiện. Trong trường hợp tốt nhất là tiếp cận các hiệu ứng thứ cấp mà chúng sinh ra trong các thiết bị do con người chế tạo ra trên Trái đất, các hiệu ứng cần rút ra là các thông tin về bản thân các cơ chế sinh ra ở cách xa Trái đất chúng ta hàng năm ánh sáng. Do đó, vật lý thiên văn học lệ thuộc vào các thiết bị sử dụng các thiên thể vũ trụ cũng như bản chất của các thông điệp đó.

Các thông điệp ấy được xếp thành hai loại. Loại thứ nhất gồm các thông điệp liên quan đến các sóng điện từ trong đó có các ánh sáng khả kiến, là nguồn thông điệp chính của các nhà thiên văn học. Trước tiên chúng được quan sát bằng mắt thường, tiếp theo bởi các viễn kính càng ngày càng hoàn chỉnh là các thiết bị của quang học thiên văn. Một số thiên thể cũng được phát hiện trong các lĩnh vực của phổ sóng điện từ như sóng radio hay tia hồng ngoại.

Một loại các thông điệp khác thuộc các hạt từ nơi xa thẳm mà ta gọi là các hạt vũ trụ. Các hạt vũ trụ đi những quãng đường rất lớn từ nguồn đến Trái đất; chúng phải bền vững trong những thời gian dài khiến những hạt loại như chúng chỉ kể được một số loại hiếm hoi mà thôi: một tia vũ trụ hoặc một “tia gama” (một photon năng lượng rất cao tác động một mình vào máy phát điện của chúng ta, khác với các photon năng lượng rất thấp tác động bằng một số rất lớn các hạt và dưới dạng sóng điện từ) hoặc một electron hoặc một nơtrino hoặc hơn nữa, một nhân nguyên tử mà thông thường nhất là một proton (nhân của nguyên tử hydro).

Để thử giải thích câu hỏi bí ẩn về các tia vũ trụ năng lượng rất cao, một số các nhà khoa học, trong các mô hình của mình, đặt ra vấn đề các hạt ngoại lai mà sự tồn tại của chúng, vào thời điểm này, chưa quan sát được bằng bất kỳ một thí nghiệm nào. Vật lý thiên văn các hạt là một lĩnh vực nghiên cứu các đối tượng của vật lý thiên văn qua các hạt mang các thông điệp đến từ vũ trụ.

(trích theo Các hạt vũ trụ năng lượng cực cao, pls 02)