Việt Nam là đồng tác giả của một phát hiện về thiên văn vũ trụ

Ngày 9/11/2007, các nhà khoa học của Đài thiên văn Pierre Auger đã tuyên bố các tâm thiên hà đang hoạt động mạnh (AGN) là những ứng cử viên thích hợp cho nguồn phát các tia vũ trụ năng lượng cao nhất đi tới Trái đất. Nhờ sử dụng Đài thiên văn tia vũ trụ lớn nhất thế giới Pierre Auger đặt tại Argentina, tập thể các nhà khoa học đến từ 17 quốc gia đã nhận thấy rằng, các nguồn phát ra các hạt năng lượng cao nhất phân bố không đồng đều trên bầu trời. Các kết quả của Đài thiên văn Auger chỉ ra mối liên hệ giữa nguồn gốc của các hạt này với vị trí của các thiên hà lân cận có tâm hoạt động mạnh. Kết quả nghiên cứu này đã được đăng trên Tạp chí Science số 318 ra ngày 9/11/2007.

Dưới sự chỉ đạo của cố GS Nguyễn Đinh Tứ, nhóm Auger - Vietnam được thành lập từ năm 1995 tại Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân(Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Bộ Khoa học và Công nghệ). Sau đó, với sự giúp đỡ của GS Pierre Darriulat, VATLY đã được xây dựng vào năm 2001. VATLY là thành viên của Dự án Pierre Auger, hiệnđang tham gia vào các nghiên cứu chung của dự án quốc tế này. Phòng thí nghiệm có một nhóm nghiên cứu trẻ có nhiệm vụ phân tích, xử lý các số liệu khoa học ghi nhận được tại Đài thiên văn Auger. Hiệnnay, các phương tiện truyền thông hiện đại cho phép truy cập một cách dễ dàng số liệu từ hầu hết các đài quan sát, các phòng thí nghiệm uy tín trên thế giới hoặc từ các trạm không gian, tạo điều kiệnrất thuận lợi cho các nước đang phát triển cùng hợp tác thực hiện nghiên cứu khoa học. Đây cũng chính là phương thức hoạt động của VATLY đồng thời với việc thực hành trên hệ đo được lắp đặt tại HàNội để đào tạo và giúp cho sinh viên cũng như cán bộ nghiên cứu nắm chắc phương pháp thí nghiệm và xử lý số liệu khoa học.

Các nhà khoa học cho rằng, các AGN được cung cấp năng lượng bởi các lỗ đen siêu nặng đang nuốt một lượng lớn vật chất xung quanh nó. Đã từ lâu, AGN được coi là nơi có thể gia tốc hạt tới năng lượng cao. Chúng nuốt khí, bụi và các loại vật chất khác từ thiên hà chứa chúng, đồng thời phun ra các hạt và năng lượng. Hầu hết các thiên hà đều có các lỗ đen ở tâm của chúng, tuy nhiên chỉ một số thiên hà có nhân hoạt động mạnh. Cơ chế chính xác trả lời cho câu hỏi bằng cách nào các AGN có thể gia tốc các hạt tới năng lượng lớn gấp 100 triệu lần so với năng lượng đạt được trên máy gia tốc hạt mạnh nhất trên thế giới hiện nay vẫn còn là một bí ẩn. Nói về sự kiện này, GS James Cronin, Đại học Chicago (giải thưởng Nobel vật lý năm 1980), người đã cùng với GS Alan Watson, Đại học Leeds khởi xướng xây dựng Đài thiên văn Pierre Auger, phát biểu: “Chúng tôi vừa tạo ra một bước tiến lớn trong việc giải đáp bí ẩn của tự nhiên, nguồn gốc của các tia vũ trụ năng lượng cao nhất, được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà vật lý người Pháp Pierre Auger năm 1938… Chúng tôi nhận thấy phân bố tia vũ trụ năng lượng siêu cao trên nửa bầu trời phía Nam không đồng nhất. Đây là một phát hiện có tính chất nền tảng. Thời kỳ của thiên văn tia vũ trụ đang đến. Trong một vài năm tới, số liệu của chúng tôi sẽ cho phép xác định chính xác nguồn phát các tia vũ trụ này và bằng cách nào chúng có thể gia tốc các hạt tới năng lượng cao như vậy”.

Tia vũ trụ là các hạt proton và các hạt nhân nguyên tử chuyển động trong vũ trụ với vận tốc gần bằng vận tốc ánh sáng. Khi các hạt này va chạm với thượng tầng khí quyển của Trái đất, chúng tạo ra tầng lớp các hạt thứ cấp, gọi là mưa rào khí quyển, có thể trải trên một diện tích khoảng 40 km2 hoặc rộng hơn nữa khi đến mặt đất. Đài thiên văn Pierre Auger ghi nhận mưa rào tia vũ trụ nhờ một mạng lưới với 1.600 trạm ghi nhận các hạt thứ cấp đặt cách nhau 1, 5 km trải đều trên một diện tích 3.000 km2. Hai mươi tư kính viễn vọng đã được thiết kế đặc biệt để ghi nhận bức xạ của ánh sáng huỳnh quang do mưa rào khí quyển tạo ra. Sự kết hợp của trạm ghi nhận hạt và kính viễn vọng huỳnh quang đã tạo nên một công cụ tốt nhất từ trước đến nay trong nghiên cứu tia vũ trụ. Đài thiên văn Pierre Auger đã ghi nhận được gần một triệu mưa rào tia vũ trụ nhưng chỉ một số rất ít trong đó có năng lượng cao nhất mới có thể được gắn kết với nguồn phát ra chúng với độ chính xác tin cậy. Tính đến thời điểm hiện tại, các nhà khoa học của Đài thiên văn Auger đã ghi nhận 81 tia vũ trụ với năng lượng trên 4x1019 electron vôn (còn được viết là 40 EeV). Đây là số lượng tia vũ trụ có năng lượng trên 40 EeV nhiều nhất ghi nhận được từ trước đến nay so với các đài quan sát khác. ở mức năng lượng siêu cao này, sai số hướng đến của tia vũ trụ chỉ khoảng vài độ, cho phép các nhà khoa học xác định được vị trí nguồn phát ra chúng. Chọn lọc tiếp, Đài thiên văn Auger đã phát hiện 27 sự kiện với năng lượng cao nhất, lớn hơn 57 EeV, không đến đồng đều từ mọi hướng. Đối chiếu các sự kiện này với vị trí của 381 AGN đã biết, các nhà khoa học thấy rằng hầu hết các sự kiện này tương ứng rất tốt với vị trí của các AGN ở một vài thiên hà lân cận, ví dụ như thiên hà Centaurus A. Theo các nhà khoa học, hầu hết các thiên hà đều có lỗ đen với khối lượng cỡ từ vài triệu đến vài tỷ lần khối lượng Mặt trời tại tâm của chúng. Lỗ đen nằm tại tâm thiên hà của chúng ta (thường gọi là Dải Ngân hà - Milky Way) có khối lượng gấp khoảng 3 triệu lần so với khối lượng Mặt trời nhưng đó không không phải là một AGN. Người ta cho rằng các thiên hà chứa AGN là các thiên hà đã từng va chạm với thiên hà khác hoặc trải qua một vài biến động vật chất lớn trong vòng vài trăm triệu năm trở lại đây.

Thiên văn tia vũ trụ là một khoa học phức tạp. Các tia vũ trụ năng lượng thấp không thể cung cấp được thông tin xác thực về vị trí nguồn phát ra chúng do trong quá trình truyền đi trong vũ trụ các tia này bị từ trường trong từng thiên hà và từ trường giữa các thiên hà làm lệch khỏi phương ban đầu. Ngược lại, hầu hết các hạt năng lượng cao đến Trái đất theo hướng của nguồn phát ra chúng do chịu ảnh hưởng rất ít bởi từ trường. Tuy nhiên, thật không may là chúng tới Trái đất với tần suất rất thưa thớt, trung bình cỡ 1 hạt trên 1 km2 trong 1 thế kỷ. Điều này dẫn đến việc cần có một đài quan sát rất lớn để có thể ghi nhận được một số lượng đáng kể các hạt năng lượng cao. Với kích thước của Đài thiên văn Auger, khoảng 30 sự kiện năng lượng cao nhất đã được ghi nhận mỗi năm.

Đài thiên văn Pierre Auger ở Nambán cầu được khởi công xây dựng ngày 17/3/1999 trên cao nguyên Mendoza, Argentina. Sau một giaiđoạn triển khai lắp đặt và thử nghiệm các trạm đo, việc thu thập số liệu khoa học đã được bắt đầu từ tháng 1.2004. Đài thiên văn được mang tên nhà khoa học người Pháp Pierre Victor Auger (1899-1993),người đầu tiên quan sát được các tia vũ trụ năng lượng cao vào năm 1938. Dự án được 40 tổ chức ở 17 nước cấp kinh phí hoạt động, đến nay đã chi khoảng 50 triệu USD vào công trình xây dựng đài thiênvăn Nam bán cầu. Trong vài năm tiếp theo, một đài thiên văn thứ hai sẽ được xây dựng ở Bắc bán cầu để quan sát toàn diện bầu trời. Hiện có hơn 370 nhà nghiên cứu và kỹ sư tham gia cuộc thí nghiệmkhoa học này. Bên cạnh 5 nước thành viên nhóm G7 còn có cả một số thành viên của các nước đang phát triển. Phần đông các thành viên khác thuộc châu âu và châu Mỹ. Đặc biệt, có một nước thành viênchâu á duy nhất là Việt Nam với nhóm Vật lý tia vũ trụ thuộc Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân.

Từ khi vận hành Phòng thí nghiệm tia vũ trụ VATLY tháng 5.2001 đến nay, nhóm Auger Việt Nam đã được Bộ Khoa học và Công nghệ liên tục cấp kinh phí nghiên cứu khoa học cơ bản và hỗ trợ tham gia hợp tác quốc tế, trao đổi song phương. Sau gần 7 năm hoạt động của VATLY, đã có một luận án tiến sỹ và 5 luận văn thạc sỹ được bảo vệ với chất lượng cao, đăng tải được 3 công trình khoa học trên các tạp chí quốc tế và là đồng tác giả trong 4 bài báo của Tập thể khoa học quốc tế Auger đăng tải trên các tạp chí khoa học quốc tế, chưa kể nhiều báo cáo tại các hội nghị khoa học, các bài báo trên các tạp chí khoa học trong nước. Các nghiên cứu sinh của VATLY được tham gia đo đạc và phân tích, xử lý số liệu khoa học mà Dự án quốc tế Pierre Auger cung cấp. GS James Cronin, GS Alan Watson và một số chuyên gia hàng đầu của Dự án Auger đã nhiều lần sang Việt Nam để trao đổi khoa học, hướng dẫn, giúp đỡ nhóm Auger Việt Nam hội nhập vào cộng đồng khoa học quốc tế. VATLY còn được sự hỗ trợ, giúp đỡ của nhiều nhà khoa học và các tổ chức quốc tế như CERN, World Lab, Hội Gặp gỡ Việt Nam và Trung tâm Nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp (CNRS).