Tia vũ trụ là gì: mưa hạt vô hình rơi từ không gian xuống

Tia vũ trụ không phải tia sáng, mà là các hạt mang điện — chủ yếu là proton và hạt nhân nguyên tử — bay tới Trái Đất từ Mặt Trời, từ các vụ nổ sao trong Dải Ngân Hà và từ những nguồn xa hơn nữa. Khi va vào khí quyển, chúng vỡ ra thành một "trận mưa" hạt thứ cấp rơi xuống mặt đất, xuyên qua người ta liên tục mà ta không hề hay biết. Victor Hess phát hiện ra chúng năm 1912 bằng những chuyến bay khinh khí cầu, và đoạt giải Nobel Vật lý năm 1936.

Một bí ẩn bắt đầu từ chiếc điện nghiệm

Đầu thế kỷ 20, các nhà vật lý để ý một chuyện lạ: một chiếc điện nghiệm (dụng cụ có hai lá kim loại mỏng xoè ra khi tích điện) dù được che chắn kỹ vẫn từ từ mất điện. Nghĩa là không khí luôn có một lượng nhỏ bị ion hoá, tức bị thứ bức xạ nào đó đánh bật electron. Người ta nghĩ thủ phạm là phóng xạ tự nhiên từ đất đá.

Nếu vậy, càng lên cao thì càng xa nguồn, độ ion hoá phải giảm. Năm 1910, nhà vật lý Theodor Wulf mang điện nghiệm lên đỉnh tháp Eiffel và thấy độ ion hoá giảm ít hơn dự tính. Còn phải lên cao hơn nữa mới rõ.

Victor Hess và chuyến bay ngày 7/8/1912

Nhà vật lý Áo Victor Hess thực hiện một loạt chuyến bay khinh khí cầu năm 1911–1912, mang theo điện nghiệm đã cải tiến. Chuyến quan trọng nhất cất cánh sáng 7/8/1912, lên tới độ cao khoảng 5.300 m. Kết quả: lên cao một chút thì độ ion hoá giảm, nhưng sau đó tăng mạnh — ở độ cao lớn nhất, nó gấp vài lần mặt đất.

Hess kết luận có một thứ bức xạ xuyên thấu rất mạnh đi vào khí quyển từ trên cao. Ông còn bay trong một lần nhật thực gần toàn phần tháng 4/1912 và bay cả ban đêm, thấy kết quả không đổi — nên nguồn chính không phải Mặt Trời. Năm 1925, Robert Millikan đặt tên "tia vũ trụ". Ông tin đó là tia gamma, nên dùng chữ "tia". Về sau mới rõ phần lớn là hạt mang điện, nhưng cái tên vẫn ở lại.

Tia vũ trụ gồm những gì

Nguồn gốc thay đổi theo mức năng lượng:

• Năng lượng thấp: phần lớn từ Mặt Trời, nhất là khi có bão Mặt Trời.
• Năng lượng trung bình đến cao: tin là được gia tốc trong sóng xung kích của các vụ nổ siêu tân tinh trong Dải Ngân Hà.
• Năng lượng cực cao: đến từ ngoài Dải Ngân Hà, có thể từ nhân thiên hà hoạt động quanh hố đen siêu nặng. Nguồn chính xác vẫn là câu hỏi mở.

Vì là hạt mang điện, tia vũ trụ bị từ trường trong thiên hà bẻ hướng liên tục trên đường đi, nên khi tới Trái Đất chúng đến đều từ mọi phía. Ta không thể "nhìn theo" hướng hạt tới để tìm nguồn như với ánh sáng — đó là lý do bí ẩn nguồn gốc kéo dài hơn một thế kỷ.

Trận mưa hạt: điều xảy ra trên đầu ta

Một proton năng lượng cao lao vào khí quyển, va vào hạt nhân nitơ hay ôxy ở độ cao vài chục kilômét. Va chạm sinh ra nhiều hạt mới; mỗi hạt mới lại va tiếp, sinh thêm hạt nữa. Kết quả là một "trận mưa khí quyển" có thể gồm hàng tỉ hạt trải trên diện tích nhiều kilômét vuông khi chạm đất. Hiện tượng này được Pierre Auger nghiên cứu ở Pháp cuối thập niên 1930 khi đặt nhiều máy dò cách xa nhau và thấy chúng kêu cùng lúc.

Hạt thứ cấp tới mặt đất nhiều nhất là muon — một "người anh em" nặng hơn của electron. Ở mực nước biển, cỡ một muon đi qua mỗi xăng-ti-mét vuông mỗi phút, tức qua lòng bàn tay bạn vài muon mỗi giây.

Muon và thuyết tương đối trong đời thường

Muon chỉ sống trung bình khoảng 2,2 micro giây trước khi phân rã. Dù bay gần tốc độ ánh sáng, trong thời gian ấy nó chỉ đi được chừng 660 m — không thể nào từ độ cao hơn chục km xuống tới mặt đất. Vậy mà nó tới được. Lời giải là thuyết tương đối hẹp của Einstein: với hạt chuyển động gần tốc độ ánh sáng, thời gian của nó trôi chậm hơn khi nhìn từ mặt đất. Mỗi muon chạm đất là một bằng chứng nhỏ cho thấy thời gian không tuyệt đối.

Những hạt mới tìm thấy nhờ tia vũ trụ

Trước khi có máy gia tốc lớn, tia vũ trụ là "máy gia tốc miễn phí" của tự nhiên. Nhiều hạt cơ bản được phát hiện trong đó:

• 1932 — Carl Anderson tìm thấy positron, hạt phản vật chất đầu tiên, trong ảnh buồng mây chụp tia vũ trụ (Nobel 1936, cùng năm với Hess).
• 1936–1937 — Anderson và Seth Neddermeyer phát hiện muon.
• 1947 — Cecil Powell và cộng sự phát hiện hạt pion qua nhũ tương ảnh mang lên núi cao.

Hạt "Ôi Chúa ơi" và các kỷ lục năng lượng

Ngày 15/10/1991, máy dò Fly's Eye ở bang Utah (Mỹ) ghi nhận một hạt tia vũ trụ có năng lượng khoảng 3,2 × 10²⁰ electronvolt. Các nhà vật lý đặt cho nó biệt danh "hạt Oh-My-God" (Ôi Chúa ơi). Một hạt hạ nguyên tử mang năng lượng cỡ một quả bóng chày được ném mạnh — gấp hàng chục triệu lần năng lượng mỗi proton trong máy gia tốc LHC.

Năm 2023, nhóm Telescope Array công bố một hạt khác, ghi nhận năm 2021, năng lượng khoảng 2,4 × 10²⁰ eV, đặt tên "Amaterasu" theo nữ thần Mặt Trời Nhật Bản. Điều kỳ lạ là hướng tới của nó chỉ về một vùng gần như trống rỗng của vũ trụ gần. Những hạt như vậy cực hiếm: trên mỗi kilômét vuông, có lẽ chỉ vài trăm năm mới rơi một hạt. Vì thế Đài quan sát Pierre Auger ở Argentina trải máy dò trên diện tích khoảng 3.000 km² để có cơ hội bắt chúng.

Tia vũ trụ trong đời sống và khoa học

Đồng hồ cacbon-14

Khi tia vũ trụ va vào khí quyển, neutron sinh ra biến một phần nitơ thành cacbon-14 phóng xạ. Cây hấp thụ cacbon này qua quang hợp, động vật ăn cây. Khi sinh vật chết, cacbon-14 phân rã dần với chu kỳ bán rã khoảng 5.730 năm. Đo lượng còn lại trong xương, gỗ, vải cổ là cách định tuổi phổ biến của khảo cổ học — một ứng dụng trực tiếp của "mưa hạt" từ không gian.

Chụp xuyên kim tự tháp bằng muon

Muon xuyên qua đá được một quãng, nhưng bị hấp thụ dần. Đặt máy dò muon dưới một công trình, so số muon đến từ các hướng, ta "chụp X quang" được bên trong. Thập niên 1960, nhóm của Luis Alvarez dùng cách này với kim tự tháp Khafre ở Ai Cập. Năm 2017, dự án ScanPyramids công bố phát hiện một khoảng trống lớn chưa biết bên trong Đại kim tự tháp Khufu. Kỹ thuật này hiện được dùng cả để khảo sát núi lửa.

Bay cao và vào không gian

Càng lên cao, lớp khí quyển che chắn càng mỏng, nên tổ bay đường dài nhận liều bức xạ vũ trụ nhiều hơn người dưới đất; một số nước theo dõi liều này cho phi công và tiếp viên. Với hành khách bay thỉnh thoảng, liều nhận thêm là nhỏ. Các phi hành gia thì từng kể thấy những chớp sáng khi nhắm mắt — được giải thích là do hạt tia vũ trụ đi qua võng mạc. Bảo vệ người trước tia vũ trụ là một trong những bài toán lớn của các chuyến bay xa như lên Sao Hoả.

Góc nhìn hôm nay: tự thấy tia vũ trụ tại nhà

Tia vũ trụ vô hình, nhưng đường đi của chúng có thể hiện ra. Buồng mây (cloud chamber) là cách cổ điển: một hộp kín có hơi cồn bão hoà, đáy được làm lạnh sâu. Hạt mang điện bay qua để lại vệt sương mảnh như vệt máy bay, chỉ tồn tại một giây. Nhiều bảo tàng khoa học trên thế giới trưng bày buồng mây lớn chạy liên tục; CERN có hướng dẫn tự làm buồng mây nhỏ cho lớp học. Vì cần đá khô (băng CO2 rắn, rất lạnh, gây bỏng nếu chạm tay) và cồn dễ cháy, nếu làm cùng trẻ em thì người lớn phải chuẩn bị và giám sát toàn bộ.

Muốn đọc thêm, trang của Đài quan sát Pierre Auger, IceCube và CERN đều có phần giải thích phổ thông. Lần tới khi đứng dưới trời, hãy nhớ mỗi giây có vài muon từ những vụ va chạm ở rìa khí quyển đi xuyên qua bàn tay bạn.