Vụ nổ tia gamma là gì?

• NASA phát hiện nước trong khí quyển hành tinh giống sao Hải Vương
• Stephen Hawking và 32 nhà vật lý hàng đầu thế giới ký vào một bức thư bảo vệ học thuyết về nguồn gốc vũ trụ
• Những điều chưa biết về vành đai tiểu hành tinh

Thứ đầu tiên bạn hình dung ra trong đầu khi nghe đến cụm từ "gamma rays - chớp gamma" là gì?

Nếu bạn là một fan hâm mộ cuồng nhiệt về thế giới siêu anh hùng thì ngay sau đó bạn sẽ liên tưởng chớp gamma với "The Incredible Hulk - cuộc chiến của người khổng lồ". Trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm một loại vũ khí mới, cơ thể nhà vật lý Bruce Banner (Edward Norton đóng) bị biến đổi hoàn toàn sau khi nhiễm một lượng lớn bức xạ. Nhà vật lý Banner mang trong người một sức mạnh kinh hồn và không kiểm soát được mỗi khi tức giận.

The Hulk, một siêu anh hùng khổng lồ nổi tiếng đã nhận được quyền lực siêu nhiên sau khi vô tình bị nhiễm một lượng bức xạ lớn.

Tuy nhiên, nếu bạn là một nhà vật lý "mọt sách", bạn sẽ nói rằng tia gamma nằm trên một cực quang phổ điện từ và là những sóng năng lượng mạnh nhất mà chúng ta từng biết đến. Và nếu tìm hiểu sâu về không gian vũ trụ và vật lý thiên văn, chắc chắn bạn từng nghe nói đến thuật ngữ "vụ nổ tia gamma" một cách khá thường xuyên.

Đối với người không biết về những hiện tượng này hoặc hoàn toàn không hiểu nó là gì, hãy bắt đầu với những điều cơ bản sau:

Tia gamma là gì?

Tia gamma (kí hiệu là γ) là một loại bức xạ điện từ hay quang tử có tần số cực cao, có bước sóng thấp nhất (E-14m ÷ E-12m) và tần số cao nhất (E20 - E24 Hz) trong số các sóng điện từ, vì vậy nó mang nhiều năng lượng hơn so với sóng radio, vi sóng, ánh sáng, tia hồng ngoại, tia cực tím và tia X.

Tia gamma là một dạng bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) giống như sóng vô tuyến, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại, tia X và vi sóng. Trong y học, tia gamma được áp dụng như lưỡi dao trong phẫu thuật các khối u nhỏ trong não, các khuyết tật trong mạch máu. Còn trong thiên văn học, nhờ việc đo và xác định tia gamma mà các nhà thiên văn học có thể xác định được vị trí các vụ nổ siêu tân tinh, các tương tác giữa lỗ đen với các sao đồng hành khác.

Tia gamma là một dạng bức xạ điện từ được sinh ra bởi sự phân rã phóng xạ của một hạt nhân nguyên tử. Một nguyên tử bao gồm một hạt nhân, chứa proton và neutron. Trong hầu hết các nuclid tự nhiên, cấu tạo các hạt nguyên tử nhỏ này ổn định. Tuy nhiên, trong một số nguyên tử, năng lượng chứa các hạt này (năng lượng liên kết) không đủ mạnh, do đó hạt nhân trở nên không ổn định và bắt đầu mất dần proton và neutron để đạt được sự ổn định. Điều này cũng kèm theo việc phóng thích một số loại bức xạ. Bức xạ gamma là một trong những loại bức xạ sau phân rã phóng xạ.

Giống như bất kỳ sóng điện từ khác, tia gamma bao gồm nhiều gói năng lượng nhỏ được gọi là photon - một loại hạt cơ bản, đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh sáng, cũng như mọi dạng bức xạ điện từ khác. Các sóng có chứa photon năng lượng thấp nhất được gọi là sóng vô tuyến và tất cả các hệ thống viễn thông trên thế giới dựa vào chúng theo cách này hay cách khác.

Sóng vô tuyến là sóng năng lượng thấp, trong khi đó tia gamma là những năng lượng cao. Nguồn ảnh: Designua / Shutterstock

Ở cực còn lại của quang phổ, tia gamma có các photon năng lượng cao. Những tia này có sức thâm nhập mạnh và vì chúng có thể ion hóa các nguyên tử khác nên rất nguy hiểm nếu bạn tiếp xúc trực tiếp.

Tia gamma thường được sinh ra bởi sự phân rã gamma từ đồng vị phóng xạ tự nhiên và bức xạ thứ cấp từ các tương tác với các hạt trong tia vũ trụ trên Trái Đất. Ngoài ra, cũng có những nguồn gamma tự nhiên khác không có nguồn gốc hạt nhân như các tia sét chẳng hạn.

Bên ngoài vũ trụ, có rất nhiều quá trình có thể sản sinh tia gamma và đồng thời tạo ra các điện tử có năng lượng rất cao. Từ đó, chúng lần lượt gây ra các tia gamma thứ cấp bởi cơ chế của bức xạ hãm, Compton ngược và bức xạ điện tử. Phần lớn các tia gamma vũ trụ đều bị chắn lại bởi bầu khí quyển của Trái Đất và chúng chỉ có thể được phát hiện bởi các trạm nghiên cứu trên không gian hoặc tàu vũ trụ.

Bức xạ điện từ lan truyền dưới dạng sóng hoặc hạt ở những bước sóng và tần số khác nhau. Vùng rộng bước sóng này được gọi là phổ điện từ. Phổ điện từ thường được phân chia thành bảy vùng theo trật tự giảm dần bước sóng, tăng dần năng lượng và tần số. Các vùng đó là sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, tia X và tia gamma.

Tia gamma rơi vào vùng phổ điện từ phía trên tia X mềm. Tia gamma có tần số lớn hơn khoảng 1018 Hz và bước sóng nhỏ hơn 100 pico-mét (pm - Một pico-mét là một phần nghìn tỉ của một mét). Tia gamma chiếm giữ chung vùng phổ điện từ với tia X cứng. Khác biệt duy nhất là nguồn phát: tia X được tạo ra bởi các electron đang gia tốc, còn tia gamma được tạo ra bởi các hạt nhân nguyên tử.

Trên đây là kiến thức cơ bản giúp bạn biết thêm về tia gamma, giờ chúng ta sẽ chuyển sang vấn đề chính...

Vụ nổ tia gamma là gì?

Vụ nổ tia gamma (Gamma Ray Bursts - GRB) trong vũ trụ là những tia gamma với siêu năng lượng cực lớn xuất hiện trong một khoảng thời gian rất ngắn. Cũng giống như tên gọi của nó, vụ nổ tia gamma là một vụ nổ năng lượng cao xảy ra trong không gian, thường được viết tắt là GRB, một trong những vụ nổ mạnh và dữ dội nhất trong vũ trụ và ánh sáng rực rỡ của tia gamma tràn ngập bầu trời ít nhất 1 lần/ngày.

Hình ảnh minh họa cho một vụ nổ tia gamma. GRB phóng ra một lượng năng lượng lớn trong thời gian ngắn, làm cho chúng trở thành những sự kiện mạnh mẽ nhất trong vũ trụ. Nguồn ảnh: ESO / A Roquette / Wikimedia Commons

Vụ nổ tia gamma hay GRB có thể kéo dài ít nhất là một phần nghìn giây cho tới vài phút. Vị trí và thời gian xuất hiện của GRB không bao giờ có thể dự đoán được. Điều đáng chú ý nhất về vụ nổ tia gamma là tràn đầy năng lượng mạnh mẽ và dữ dội, thậm chí đến nỗi những vụ nổ siêu tân tinh vẫn còn yếu khi so sánh với nó. Để có được một số ý tưởng về lượng năng lượng chúng ta đang nói đến ở đây, hãy xem xét: lượng năng lượng mà một vụ nổ tia gamma tạo ra trong 10 giây nhiều hơn so với năng lượng Mặt trời sẽ phát ra trong toàn bộ tuổi đời của nó!

Vụ nổ tia gamma là các "khẩu súng bắn tỉa vũ trụ" với sức mạnh khủng khiếp và là thứ vũ khí chết chóc nhất trong không gian vũ trụ. Các luồng năng lượng của vụ nổ tia gamma thực ra không tồn tại quá lâu, chúng chỉ xuất hiện trong khoảng vài phút. Nhưng trong khoảng thời gian đó, năng lượng được giải phóng tương đương với tổng năng lượng của một trăm nghìn tỷ vũ khí hạt nhân phát ra trong một giây và lặp lại liên tục như vậy trong một trăm tỷ năm.

Vụ nổ tia gamma là các chùm ánh sáng năng lượng cao rất tập trung, chứa đủ sức mạnh để khiến các hành tinh lân cận bốc hơi. Có lẽ chúng là một dạng của siêu sao mới, nhưng giống "siêu siêu sao mới" hơn. Điều đó có nghĩa là thay vì thổi bùng một ngôi sao và để tàn dư của nó bắn ra mọi hướng, thì bằng cách nào đó, nó thổi bùng ra chỉ theo một hướng, hội tụ tất cả vật chất và bắn ra như một chùm tia từ các vụ nổ.

Điểm mấu chốt ở đây chúng ta không nói đến thứ bùng nổ như một khối cầu và phân tán năng lượng theo mọi hướng. Một vụ nổ tia gamma được bắn theo chùm tia và do đó nó mang toàn bộ năng lượng nhưng chỉ theo một hướng về phía chúng ta mà thôi. Đó là lý do vì sao vụ nổ tia gamma quá dữ dội.

Tại sao không thể nhìn thấy GRB bằng mắt thường?

Như đã đề cập trước đó, các vụ nổ tia gamma xảy ra ít nhất một lần/ngày. Tuy nhiên, với thực tế chúng là một vụ nổ cực kỳ lớn với những tia sáng xuất hiện trên bầu trời. Vậy tại sao chúng ta không nhìn thấy chúng?

Chúng ta không thể nhìn thấy chúng là vì các tia gamma, thuộc một phần của quang phổ điện từ mà chúng ta không thể quan sát bằng mắt thường. Trên thực tế, chúng ta không thể nhìn thấy gần như toàn bộ quang phổ, ngoại trừ một lượng ánh sáng rất nhỏ mà chúng ta gọi là "visible light - ánh sáng khả kiến". Đó chính là lý do tại sao chúng ta không thể quan sát được vụ nổ tia gamma bằng mắt thường.

Nguyên nhân gây ra các vụ nổ tia gamma?

Các vụ nổ tia gamma diễn ra chỉ trong vòng vài phút và có thể phóng thích năng lượng tương đương với năng lượng Mặt Trời phát ra trong 10 tỷ năm. Tuy nhiên, theo các nhà khoa học Anh, nguyên nhân gây ra các vụ nổ tia gamma kinh thiên động địa trên vẫn còn nằm trong vòng bí mật và là đề tài muôn thuở đối với các nhà thiên văn học. Hiện có một vài giả thuyết cố gắng giải thích nguyên nhân đằng sau sự xuất hiện của vụ nổ tia gamma.

Hình ảnh minh họa về vụ nổ tia gamma. Nguồn ảnh: NASA / Swift / Mary Pat Hrybyk-Keith và John Jones / Wikimedia Commons

Giả thuyết thứ nhất cho rằng vụ nổ tia gamma xảy ra là do một ngôi sao tự sụp đổ và cho ra đời lỗ đen vũ trụ. Khi các tinh cầu sống hết tuổi thọ của mình, các phản ứng hạt nhân trong tâm của chúng sẽ tự động ngừng lại, khiến áp lực hạt nhân bên trong tâm ngôi sao - vốn giúp giữ chúng ở trạng thái căng phồng - biến mất. Điều này dẫn đến trung tâm của tinh cầu đổ sụp xuống từ bên trong và tạo thành lỗ đen. Những gì là vật chất đều bị hút vào bên trong lỗ đen và bắt đầu quay tròn với vận tốc cực cao, làm phát sinh một lực cực mạnh cuốn vật chất di chuyển gần bằng vận tốc ánh sáng. Lực trên truyền một bức xạ đến Trái Đất được phát hiện và xác định là các vụ nổ tia gamma.

Hình ảnh nguyên nhân gây ra các vụ nổ tia gamma. Nguồn ảnh: NASA Goddard Space Flight Center / NASA.gov

Giả thuyết thứ hai là vụ nổ tia gamma có thể hình thành khi 2 tinh cầu neutron va vào nhau. Tinh cầu neutron là một dạng trong vài khả năng kết thúc quá trình tiến hoá sao. Một sao neutron được hình thành từ những gì còn lại của vụ sụp đổ một ngôi sao lớn sau các vụ nổ siêu tân tinh. Tuy nhiên, vẫn còn một giả thuyết mở mà các chuyên gia nghĩ đến, đó là rất có thể một hiện tượng mà cho đến nay vẫn chưa được tìm ra là nguyên nhân chính gây ra các vụ nổ trên.

Tàu vũ trụ không người lái của NASA được đưa vào từ năm 2004 nghiên cứu mối liên kết giữa vụ nổ tia gamma/hố đen, được lưu hành trong quỹ đạo từ hơn một thập niên và đã phát hiện ra hơn 1.000 vụ nổ tia gamma.

Đây là hình ảnh minh hoạ vụ nổ tia gamma được phát hiện ra trong thiên hà của chúng ta:

Các vụ nổ tia gamma được mã hoá bằng các màu sắc khác nhau theo từng năm. Nguồn ảnh: NASA Goddard Space Flight Center và 2MASS / J Carpenter, T.H. Jarrett, và R. Hurt / NASA.gov.

Một trong những khó khăn khi quan sát các tia sáng phát ra từ GRB là do chúng chỉ tồn tại từ vài phần nghìn giây đến vài phần trăm giây. Nhưng trước kia đã có tàu không gian mang tên Swift (Tốc độ nhanh) trị giá 250 triệu USD được phóng lên quỹ đạo Trái Đất, loại tàu thăm dò không gian có khả năng di chuyển cực nhanh để quan sát và nắm bắt hiện tượng cực kỳ bí mật và xảy ra trong thời gian ngắn ngủi này.

Vậy tại sao những vụ nổ tia gamma trong vũ trụ lại được giới khoa học quan tâm đến như thế? Theo thuyết Big Bang, vũ trụ được hình thành từ một vụ nổ khủng khiếp. Các nhà khoa học cho rằng các vụ nổ tia gamma là những vụ nổ lớn nhất trong vũ trụ mà mức độ của nó chỉ xếp sau vụ nổ Big Bang.

Xem thêm: Stephen Hawking cảnh báo: "Loài người chỉ còn 100 năm để rời khỏi Trái Đất"

Chúc các bạn vui vẻ!