Kính viễn vọng GLASL: Cửa sổ vào vũ trụ vùng năng lượng cao

Cơ quan NASA phóng vệ tinh GLAST (hình 1) nhằm nghiên cứu những vùng lạ như các lỗ đen siêu nặng, vật chất tối, sao neutron là nguồn các tia g với năng lượng lớn. Máy gia tốc siêu lớn LHC được xây dựng tại Trung tâm Nghiên cứu hạt cơ bản châu Âu (CERN), gần Genève (Thụy Sỹ) cũng sẽ được khởi động để nghiên cứu những vấn đề thuộc thế giới vi mô. GLAST sẽ cung cấp những kết quả đồng dạng để có thể tích hợp với các kết quả do LHC thu được. Đây quả là một sự phối hợp hiếm hoi trong khoa học.

Tia g là những tia bức xạ điện từ ở vùng năng lượng cao, có bước sóng ngắn ở cuối phổ điện từ. Những photon gamma năng lượng lớn có thể tạo nên những hạt cơ bản theo công thức cơ bản của Einstein: E = mc ². Những tia g cũng có thể sinh ra từ quá trình hủy các hạt lạ thuộc vật chất tối. Máy LHC cũng đeo đuổi mục tiêu tạo ra những hạt này trong phòng thí nghiệm.

Nhà vật lý người Mỹ Philip Morrison đã từng phát biểu về khả năng của một ngành vật lý là thiên văn học tia g (gamma-ray astronomy). Các tia g quan sát được thật ra chỉ là những bức xạ thứ cấp từ những bức xạ g nguyên thủy có năng lượng cao hơn phát ra từ các sao. Các tia g đã tạo nên những cơn mưa rào các hạt có năng lượng thấp hơn. Các tia g ban đầu có năng lượng khoảng 100 tỷ eV (1 GeV) khó ghi, đo dược bằng những đêtéctơ đặt trên mặt đất. Các nhà vật lý phải đưa những kính viễn vọng vào vũ trụ để ghi, đo và các quan trắc thu nhận được sẽ chắc chắn thuộc về các tia g nguyên thủy. Do đó, có dự án phóng trạm thăm dò GLAST vào không gian.

Những vấn đề lớn mà GLAST sẽ giúp làm sáng tỏ

Vật chất tối

Vào những năm 30 của thế kỷ trước, Fritz Zwicky, một nhà thiên văn trẻ tuổi người Thụy Sỹ lập nghiệp ở Mỹ, khi nghiên cứu chuyển động của 7 thiên hà trong chòm Coma đã nhận thấy rằng, 7 thiên hà này chuyển động quá nhanh so với tính toán thực hiện trên cơ sở các khối lượng quan sát được xung quanh. Muốn giải thích được chuyển động nhanh đó, xung quanh 7 thiên hà cần phải tồn tại một khối lượng vật chất lớn hơn 400 lần khối lượng quan sát được, nhưng khối lượng thiếu này không tìm thấy ở đâu cả. Bài toán vật chất tối (dark matter) đã ra đời (1933). Hơn 70 năm đã trôi qua mà bài toán vật chất tối - một trong những bài toán cơ bản của vật lý - vẫn chưa có lời giải!

Những hạt siêu đối xứng thuộc vật chất tối có thể không tối hoàn toàn. Mặc dù chúng không tương tác với vật chất thông thường và với ánh sáng, nhưng chúng có phản hạt, khi gặp phản hạt thì có thể hủy nhau và biến khối lượng lớn của chúng thành những hạt nặng và tia g. Vấn đề ở chỗ là phải ghi, đo được những phản ứng đặc biệt này và phân biệt được với các va chạm khác. Một dấu hiệu có thể sử dụng để phân biệt là 2 tia photon tạo thành sẽ có năng lượng tương đương với khối lượng của 2 hạt tối, khoảng vài trăm GeV, trong khi nếu positron và electron hủy nhau thì năng lượng các tia g sinh ra chỉ nằm trong khoảng 511 keV. Ngoài ra, các tia g từ vật chất tối thường phải xảy ra ở gần các thiên hà và điều này cho phép chúng ta phân biệt được với trường hợp ghi, đo các tia g khác.

Máy LHC cũng được thiết kế để có thể tạo những hạt tối, song các hạt này sẽ nhanh chóng biến khỏi máy gia tốc, nên GLAST sẽ là một công cụ bổ sung hữu hiệu để nghiên cứu các hạt tối trong một không gian lớn hơn khi chúng chuyển động về hành tinh chúng ta.

Những lỗ đen mini

Vào những năm 70 của thế kỷ trước, Stephen Hawking đã chứng minh một kết quả lý thuyết quan trọng: Sự kết hợp giữa hấp dẫn và các thăng giáng lượng tử sẽ dẫn đến tính mất ổn định của các lỗ đen. Các lỗ đen sẽ bức xạ, co nhỏ dần và kết thúc bằng một vụ nổ. Đối với những lỗ đen có khối lượng lớn thì quá trình này kéo dài rất lâu, song với những lỗ đen có khối lượng khoảng 1012 kg, tương đương khối lượng của một tiểu hành tinh thì quá trình này kéo dài khoảng 14 tỷ năm. Và nếu những lỗ đen mini này tồn tại từ lúc sơ sinh của vũ trụ (nhiều nhà vật lý tỏ ra bi quan về điểm này) thì GLAST có hy vọng sẽ phát hiện được chúng và chứng minh cho sự tích hợp giữa hấp dẫn và lượng tử.   

Các chiều dư

Theo các lý thuyết hiện đại như lý thuyết dây thì không - thời gian có 10 hoặc 11 chiều. Chúng ta không dễ cảm nhận được các chiều dư đó vì vật chất và các lực không phải là hấp dẫn đều cư trú trong không - thời gian 4 chiều thông thường. Riêng hấp dẫn là không chịu điều hạn chế đó. Hấp dẫn có thể lan truyền trong các chiều dư.

Những siêu sao khi bùng nổ có thể chuyển một phần năng lượng cho các graviton Kaluza-Klein, tức những lượng tử của hấp dẫn lan truyền trong các chiều dư. Các graviton này lại có thể phân rã thành những hạt khác trong đó có các tia g, và như vậy sẽ tạo điều kiện cho GLAST ghi, đo được để làm bằng chứng cho sự tồn tại các chiều dư.

Bùng nổ tia g

Những siêu lỗ đen với khối lượng khổng lồ là những nguồn g mạnh. Trong quá trình hình thành lỗ đen, vật chất của sao bị hút vào tâm lỗ đen làm bắn ra hai chùm plasma, chúng tương tác với vật chất gặp phải và tạo nên nhiều tia g (hình 2) dọc theo trục quay. Trạm GLAST có thể ghi, đo được những tia g này và giúp các nhà vật lý tìm hiểu thêm bản chất của những bùng nổ tia g này (Gamma Ray Bursts- GRB)*.

Những vi phạm lý thuyết tương đối

Một hệ quả của lý thuyết tương đối là vận tốc ánh sáng trong chân không không phụ thuộc vào độ dài bước sóng: Những photon năng lượng cao (bước sóng ngắn) cũng như các photon năng lượng thấp (bước sóng dài) đều chuyển động với một vận tốc như nhau. Đó là hệ quả của nguyên lý bất biến Lorentz.

Tuy nhiên, đây có phải là nguyên lý bất di bất dịch? Cấu trúc không - thời gian ở vùng vi mô có thể chịu nhiều thăng giáng lượng tử, các photon năng lượng cao sẽ nhạy cảm hơn với những thăng giáng đó. Điều này tương tự như một xe đẩy nhỏ thì dễ nhạy cảm với những chỗ gồ ghề trên đường hơn là một xe tải siêu trường siêu trọng. Những photon năng lượng cao khi du hành qua những thăng giáng đó có thể kéo dài hoặc rút ngắn thời gian bay trong vũ trụ (nhiều tỷ năm ánh sáng khi đến với chúng ta). GLAST có thể đo được sự khác nhau trong thời gian hành trình của photon năng lượng cao và photon năng lượng thấp. Sự khác nhau này sẽ càng lớn nếu hành trình từ các sao bùng nổ càng xa.

Các nhà vật lý hy vọng vào sự phối hợp nghiên cứu giữa LHC và GLAST để làm sáng tỏ những vấn đề quan trọng của vật lý học tương lai: Lỗ đen, vật chất tối, các chiều dư của không - thời gian, các bùng nổ tia g...

Các vấn đề trên, một khi được làm sáng tỏ, sẽ đưa vật lý lên một tầm cao mới.

*Bùng nổ tia g (Gamma Ray Bursts - GRB) trong vũ trụ là sự xuất hiện trong một thời gian rất ngắn những tia g với năng lượng rất lớn. Hiện tượng này được xem là một bài toán vật lý lớn của thế kỷ và đã 30 năm không có lời giải. Hiện nay, các nhà vật lý cho rằng GRB với năng lượng khổng lồ phát sinh từ những thiên hà xa xăm là do những lỗ đen trên quá trình hình thành phát ra.