Phát hiện tia gamma được tạo ra bởi vụ nổ lớn nhất kể từ Big Bang

04/8/2024 Gốc

Theo một nghiên cứu mới từ Trung Quốc, trong hậu quả của một vụ nổ vũ trụ có thể là lớn nhất kể từ Big Bang, vật chất và phản vật chất đã va chạm với tốc độ gần bằng ánh sáng, hủy diệt lẫn nhau và giải phóng năng lượng của chúng trở lại vũ trụ.

Big Bang là một lý thuyết khoa học mô tả về nguồn gốc và sự tiến hóa ban đầu của vũ trụ. Theo lý thuyết này, vũ trụ bắt đầu từ một trạng thái vô cùng nhỏ gọn, nóng và đặc, rồi đột ngột giãn nở ra một cách nhanh chóng và mạnh mẽ.

Bằng cách phân tích dữ liệu từ các kính thiên văn vũ trụ của Trung Quốc và Mỹ, một nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) dẫn đầu đã xác định được một vạch phổ với mức năng lượng đạt đỉnh ở 37 triệu electron volt (MeV) trong một vụ nổ tia gamma cực mạnh, được gọi là Brightest Of All Time hay BOAT (vụ nổ tia gamma sáng nhất mọi thời đại).

Vạch phổ là những vạch sáng hoặc tối riêng biệt xuất hiện trong một phổ điện từ. Chúng đại diện cho các bước sóng hoặc tần số cụ thể của ánh sáng được phát ra hoặc hấp thụ bởi một chất.

Vì BOAT bao gồm các hạt năng lượng cao khác nhau, gồm electron và hạt phản vật chất của chúng là positron, nên rất có thể các hạt này trải qua quá trình hủy diệt, giải phóng photon tia gamma và dẫn đến vạch phổ được quan sát. Nhóm nghiên cứu Trung Quốc đã báo cáo điều này trên tạp chí Science China: Physics, Mechanics & Astronomy.

"Những phát hiện của chúng tôi có giá trị quan trọng và độc đáo cho việc nghiên cứu các đặc tính vật lý và cơ chế sản sinh vụ nổ tia gamma", Xiong Shaolin, tác giả chính của bài báo từ Viện Vật lý Năng lượng Cao, nói với truyền thông Trung Quốc.

Năng lượng dòng 37 MeV là "cao nhất được phát hiện từ bất kỳ vụ nổ tia gamma nào và bất kỳ vật thể nào cho đến nay", Bing Zhang từ Đại học Nevada (Mỹ), người không tham gia nghiên cứu, cho biết.

Ông nói với tờ SCMP rằng điều đó có nghĩa là vật chất phóng ra từ vụ nổ tia gamma đã di chuyển với tốc độ ít nhất bằng 99,98% tốc độ ánh sáng.

Các nhà khoa học biết rằng BOAT được gây ra bởi cái chết của một ngôi sao khổng lồ theo hướng chòm sao Sagitta (Thiên Tiễn) cách đây hơn 2 tỉ năm. Ngôi sao cạn kiệt nhiên liệu và sụp đổ thành một lỗ đen, phun ra một cặp tia vào không gian. Chòm sao Sagitta là một chòm sao nhỏ và mờ trên bầu trời phía bắc. Tên gọi của nó bắt nguồn từ tiếng Latinh, có nghĩa là "mũi tên".

Khi một trong những tia đó chạm tới Trái đất vào tháng 10.2022, hiện tượng này lần đầu tiên được phát hiện bởi một số kính thiên văn vũ trụ, bao gồm Kính thiên văn không gian Fermi của NASA (Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ) và GECAM-C của Trung Quốc.

Trên thực tế, vụ nổ quá sáng đến mức làm mù các bộ dò của một số kính thiên văn và để lại những điểm ảnh hoàn toàn trắng, các nhà thiên văn học phát hiện ra điều này sau đó.

Nhờ thiết kế của GECAM-C và cài đặt chế độ hoạt động đặc biệt, nó đã quản lý để ghi lại dữ liệu độ phân giải cao, không bão hòa và cung cấp phép đo chính xác độc đáo về sự kiện một lần trong 10.000 năm này, theo nhóm nghiên cứu Trung Quốc.

Các nhà khoa học đã xác định được vạch quang phổ có mức năng lượng đạt đỉnh ở mức 37 triệu electron volt (MeV) trong một vụ nổ tia gamma cực mạnh - Ảnh: SCMP

Năm ngoái, nhóm nghiên cứu từ Ý lần đầu tiên phát hiện ra một vạch phổ tia gamma từ dữ liệu Fermi, với thời gian bắt đầu khoảng 5 phút sau khi phát hiện ra vụ nổ và năng lượng ban đầu khoảng 12 MeV giảm dần theo thời gian, Bing Zhang cho biết.

Nhóm GECAM đã xử lý dữ liệu Fermi độc lập và phân tích chung với dữ liệu GECAM-C. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu không chỉ xác nhận vạch trong khoảng thời gian được nhóm Ý tuyên bố, mà còn phục hồi một vạch ở thời điểm sớm hơn (4 phút sau khi phát hiện) và năng lượng cao hơn ở mức 37 MeV.

"Phân tích kết hợp cho phép nhóm Trung Quốc phục hồi vạch phát xạ với ý nghĩa cao hơn trong khoảng thời gian rộng hơn", Bing Zhang nói.

Vạch phát xạ là những vạch sáng rời rạc xuất hiện trong phổ điện từ, thường được quan sát thấy khi một chất khí bị kích thích (bằng nhiệt độ cao, điện trường…) và phát ra ánh sáng. Mỗi nguyên tố hóa học có một bộ vạch phát xạ đặc trưng, giống như một "dấu vân tay" riêng biệt, giúp chúng ta xác định thành phần hóa học của một vật thể phát sáng từ xa.

Dù Đài quan sát mưa lớn không khí cao của Trung Quốc trên cao nguyên Tây Tạng đã ghi nhận photon tia gamma có năng lượng lên tới hơn 10 tera-electron volt, nhưng photon riêng lẻ khác với vạch phổ, Bing Zhang giải thích.

"Một vạch cần tích lũy đủ số lượng photon xung quanh một năng lượng cụ thể, chẳng hạn như chủ yếu xung quanh 37 MeV. Photon ở trên hoặc dưới năng lượng không ấn tượng bằng vì chúng dễ tạo ra hơn với các cơ chế bức xạ đã biết", ông nói.

Đáng chú ý, chỉ có các cơ chế cụ thể mới có thể tạo ra photon ở một năng lượng cụ thể, theo Bing Zhang. Trong trường hợp này, vạch do cả hai nhóm xác định được gây ra bởi sự hủy diệt của các cặp electron và positron, một quá trình tạo ra các vạch 0,511 MeV.

Do đó, vạch đo được 37 MeV có thể giúp các nhà khoa học đo lường cái gọi là hiệu ứng Doppler, hoặc sự thay đổi bước sóng ánh sáng xảy ra khi một vật thể di chuyển về phía hoặc ra xa người quan sát.

Một yếu tố Doppler là 72 (37/0,511) có nghĩa là vật chất phóng ra từ vụ nổ tia gamma đã di chuyển ít nhất bằng 99,98% tốc độ ánh sáng về phía Trái đất, Bing Zhang nói.

Hiệu ứng Doppler là một hiện tượng vật lý thú vị, được đặt theo tên của nhà khoa học Christian Doppler, mô tả sự thay đổi tần số và bước sóng của sóng (như sóng âm, sóng điện từ...) khi nguồn phát sóng hoặc người quan sát chuyển động tương đối so với nhau.

Ví dụ đơn giản: Bạn đã bao giờ nghe thấy tiếng còi xe cứu thương thay đổi khi nó chạy qua chưa? Khi xe cứu thương đang đến gần, tiếng còi nghe có vẻ cao hơn (tần số cao hơn). Khi nó đi xa, tiếng còi lại trầm hơn (tần số thấp hơn). Đó chính là hiệu ứng Doppler đang xảy ra.

Sơn Vân