Vầng sáng quanh một Pulsar có thể giải thích cho phản vật chất đến từ không gian

Bình luận Văn Thiện • 17:00, 06/01/20

Các nhà thiên văn học đã quan sát thấy một pulsar - sao neutron xoay rất nhanh - và quầng sáng kỳ lạ xung quanh nó. Điều này có thể giúp các nhà khoa học trả lời một câu đố đã khiến họ bối rối trong một thời gian qua. 

Geminga, tên của pulsar, là một trong những pulsar gần Trái đất nhất, cách chòm sao Song Tử khoảng 800 năm ánh sáng. Không chỉ ở gần Trái đất, Geminga còn phát ra tia gamma rất mạnh.

Thực ra, quầng sáng này là vô hình đối với mắt người của chúng ta, vì nó ở bước sóng tia gamma (Kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi của NASA đã phát hiện ra nó). Nhưng nó rất lớn, độ bao phủ toàn bầu trời của nó tương đương với vầng sáng của 40 Mặt trăng.

Quầng sáng có thể giúp giải thích cho một số hiện tượng đang xảy ra gần hành tinh mà chúng ta đang ở: có rất nhiều phản vật chất gần Trái đất, và sự hiện diện của chúng đã khiến các nhà khoa học bối rối hàng thập kỷ.

Mattia Di Mauro, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Công giáo Hoa Kỳ ở Washington và trung tâm hàng không vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland nói: “Phân tích của chúng tôi cho thấy rằng pulsar này có thể chịu trách nhiệm cho một câu đố kéo dài hàng thập kỷ về lý do tại sao một loại hạt vũ trụ lại có nhiều bất thường ở gần Trái đất... Loại hạt này là những positron, phản vật chất của hạt electron, đến từ một nơi nào đó ngoài hệ mặt trời”.

Quầng sáng của Geminga. (Ảnh: NASA)

Pulsar là tàn dư của một ngôi sao trở thành siêu tân tinh - ngôi sao sáng được tạo thành từ vụ nổ khổng lồ cuối cùng đánh dấu sự hủy diệt của nó. Geminga là kết quả của Một vụ nổ siêu tân tinh khoảng 300.000 năm trước trong chòm sao Song Tử. Đó là một ngôi sao neutron quay theo một cách nhất định hướng về Trái đất, năng lượng của nó hướng về phía chúng ta như một ngọn hải đăng đang quét.

Pulsar trong vũ trụ thường được bao quanh bởi một đám mây electron và positron. Đó là bởi vì một ngôi sao neutron có trường điện từ cực mạnh, mạnh nhất trong số các vật thể mà chúng ta đã biết. Trường điện từ siêu mạnh khiến các hạt trên bề mặt của pulsar tăng tốc đến gần tốc độ ánh sáng.

Những hạt chuyển động nhanh này, bao gồm các electron và phản vật chất của chúng, positron, là các tia vũ trụ. Vì các tia vũ trụ mang điện tích, chúng phải chịu tác động của từ trường. Vì vậy, vào thời điểm các tia vũ trụ tới Trái đất, các nhà thiên văn học không thể xác định được nguồn gốc của chúng.

Trong hơn một thập kỷ qua, các đài quan sát khác nhau đã phát hiện ra nhiều positron năng lượng cao trong vùng lân cận Trái đất hơn dự kiến. Kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi của NASA, Máy quang phổ từ tính của NASA và các thí nghiệm khác đều đã phát hiện ra chúng. Các nhà khoa học cho rằng các pulsar gần chúng ta, bao gồm Geminga, là nguồn gốc của chúng. Nhưng do các positron bị ảnh hưởng bởi từ trường, họ đã không thể chứng minh được điều đó.

Cho đến năm 2017.

Vào năm đó, Đài quan sát tia Gamma Cherenkov (HAWC) đã xác nhận những gì mà một số phát hiện trên mặt đất đã tìm thấy: một quầng sáng tia gamma nhỏ nhưng cực mạnh xung quanh Geminga. HAWC đã phát hiện năng lượng trong cấu trúc hào quang là khoảng 5 - 40 TeV. Đó là ánh sáng với năng lượng lớn gấp hàng nghìn tỷ lần so với loại mà mắt chúng ta có thể nhìn thấy.

Ban đầu, các nhà khoa học nghĩ rằng quầng năng lượng cao là do các electron và positron gia tốc va chạm với ánh sáng sao, điều này sẽ tăng cường năng lượng và làm cho chúng siêu sáng. Khi một hạt tích điện chuyển một phần năng lượng của nó sang một photon, đó gọi là tán xạ Compton nghịch đảo.

Nhưng khi nhóm sử dụng HAWC để quan sát Geminga và kích thước quầng sáng của nó, họ đã đi đến kết luận: những positron năng lượng cao đó sẽ hiếm khi đến Trái đất. Vì vậy, cần có một lời giải thích khác cho sự phong phú của các positron gần Trái đất.

Mặc dù vậy các nhà khoa học nghiên cứu sự hiện diện của positron gần Trái đất vẫn chưa tìm ra cách giải thích cho vấn đề: cái gì có thể thay thế các pulsar. Và pulsar Geminga vẫn thu hút sự chú ý của họ.

Mattia Di Mauro đã lãnh đạo một nhóm nhỏ các nhà khoa học nghiên cứu dữ liệu về Geminga được thu thập từ Kính viễn vọng Khu vực Lớn của Fermi (LAT) trong một thập kỷ. LAT quan sát ánh sáng năng lượng thấp hơn HAWC. Di Mauro là tác giả chính của một nghiên cứu có tiêu đề “Phát hiện một vầng hào quang xung quanh Geminga với dữ liệu Fermi-LAT và ý nghĩa của thông lượng positron” xuất bản trên Physics Review.

Silvia Manconi, đồng tác giả của bài báo, là một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học RWTH Aachen ở Đức, trong một thông cáo báo chí cho biết, “Để nghiên cứu quầng sáng, chúng tôi đã phải trừ đi tất cả các nguồn tia gamma khác, bao gồm cả ánh sáng khuếch tán do va chạm tia vũ trụ với các đám mây khí liên sao. Chúng tôi đã khai thác dữ liệu bằng cách sử dụng 10 mô hình khác nhau về phát xạ giữa các vì sao”.

Khi nhóm nghiên cứu trừ đi tất cả các nguồn tia gamma khác trên bầu trời, dữ liệu đã tiết lộ một cấu trúc hình thuôn rộng lớn; một vầng hào quang xung quanh Geminga. Cấu trúc năng lượng cao bao phủ 20 độ trên bầu trời ở mức 20 tỷ volt, và thậm chí vùng bao phủ còn lớn hơn ở các mức năng lượng thấp hơn.

Fiorenza Donato, đồng tác giả khác của nghiên cứu đến từ Viện Vật lý hạt nhân quốc gia Ý và Đại học Turin, nói: “Các hạt năng lượng thấp di chuyển ra xa pulsar hơn trước khi chúng nhập vào ánh sáng của sao, truyền một phần năng lượng của chúng cho quầng sáng và tăng ánh sáng cho tia gamma. Đây là lý do tại sao phát xạ tia gamma bao phủ một khu vực lớn hơn ở mức năng lượng thấp hơn. Ngoài ra, quầng sáng của Geminga bị kéo dãn một phần là do chuyển động của pulsar trong không gian”.

Mô hình này cho thấy hào quang gamma của Geminga theo thời gian. (Ảnh: Trung tâm không gian Goddard của NASA / M. Di Mauro)

Nhóm nghiên cứu đã so sánh dữ liệu LAT với dữ liệu HAWC và kết luận rằng các bộ dữ liệu khớp với nhau. Họ cũng phát hiện ra rằng Geminga có thể là nguyên nhân của 20% các positron năng lượng cao mà thí nghiệm AMS-02 quan sát được. Ngoại suy từ đó đến tất cả các phát xạ pulsar tích lũy trong Dải Ngân hà, nhóm nghiên cứu nói rằng các pulsar vẫn là lời giải thích tốt nhất cho bí ẩn về nguồn gốc của tất cả các positron gần Trái đất.

Di Mauro nói thêm: “Công việc của chúng tôi cho thấy tầm quan trọng của việc nghiên cứu các nguồn riêng lẻ để dự đoán cách chúng đóng góp vào các tia vũ trụ. Đây là một khía cạnh của lĩnh vực mới thú vị được gọi là thiên văn học đa sứ giả (Multi-messenger astronomy), nơi chúng ta nghiên cứu vũ trụ bằng nhiều tín hiệu, như là các tia vũ trụ, ngoài ánh sáng”.

Video về quầng sáng quanh Geminga:

Văn Thiện (biên dịch)

Theo Universetoday

Xem thêm: