Sao Mộc tăng tốc electron gần bằng vận tốc ánh sáng, giống như các vụ siêu tân tinh

Ngay phía trước Sao Mộc, nơi gió Mặt Trời lần đầu đập vào từ trường khổng lồ của hành tinh, tàu Juno của NASA đo được các electron di chuyển gần bằng vận tốc ánh sáng. Các hạt không sinh ra đã nhanh như vậy. Chúng được tăng tốc ngay tại chỗ, trong vùng ranh giới hỗn loạn chạy phía trước hành tinh, và đạt tốc độ còn cao hơn cả những gì cùng quá trình ấy tạo ra ở gần Trái Đất.

Chỉ một phép đo đó thôi đã vươn xa hơn Sao Mộc rất nhiều. Cách hành tinh khổng lồ quật các hạt thông thường lên những mức năng lượng cực đại trông như một phiên bản thu nhỏ của cách thiên hà chế tạo tia vũ trụ, những hạt năng lượng cao tuôn qua không gian và rơi xuống bầu khí quyển Trái Đất mỗi giây. Suốt nhiều thập kỷ, mối liên hệ ấy chỉ là một nghi ngờ mạnh mẽ. Giờ đây đã có một phép đo trực tiếp về cơ chế đang vận hành ở quy mô một hành tinh.

Mọi chuyện diễn ra ở một vùng gọi là tiền sóng xung kích, một dải từ trường cuộn xoáy và các hạt phản xạ hình thành ngay trước sóng xung kích đầu mũi, mặt biên sắc nét nơi gió Mặt Trời dồn ứ vào lá chắn từ của hành tinh. Trong vùng hỗn loạn đó, điều kiện từ trường có thể tóm lấy một phần các hạt bay qua và hất chúng về phía trước hết lần này đến lần khác, mỗi lượt lại cộng thêm năng lượng, cho đến khi một nhóm nhỏ đạt vận tốc tương đối tính.

Điều khiến Sao Mộc mang tính quyết định là kích thước của nó. Sóng xung kích đầu mũi của nó khiến của Trái Đất trông nhỏ xíu, và các electron mà Juno phát hiện cũng lớn lên theo, đạt năng lượng cao hơn bất cứ thứ gì từng đo được trong cùng bối cảnh gần hành tinh chúng ta. Chính sự tỉ lệ ấy là phần thưởng. Nếu một sóng xung kích lớn hơn tăng tốc các hạt lên tốc độ cao hơn theo cách có thể dự đoán, thì cùng quy luật ấy có thể kéo dài tới những mặt sóng xung kích rộng lớn hơn nhiều do các ngôi sao phát nổ tung ra, những ứng viên hàng đầu cho nguồn gốc của tia vũ trụ thiên hà.

Nhóm nghiên cứu không chỉ dựa vào Sao Mộc. Họ so sánh số đo của Juno với hai sứ mệnh theo dõi cùng loại vật lý ở gần Trái Đất, nơi tàu vũ trụ có thể nằm ngay trong vùng tiền sóng xung kích và lấy mẫu nó tỉ mỉ. Sự khớp nhau giữa những quy mô khác biệt đến vậy chính là điều cho phép các nhà khoa học khẳng định họ đang thấy một quá trình phổ quát duy nhất, chứ không phải một nét riêng cục bộ của Sao Mộc.

Khẳng định này vẫn dựa trên sóng xung kích của một hành tinh duy nhất, được ghi lại trong những vòng quỹ đạo nhất định, và electron mới chỉ là một phần của câu chuyện tia vũ trụ, vốn do các proton và hạt nhân nguyên tử nặng hơn chiếm ưu thế. Mở rộng kết quả tới tàn dư siêu tân tinh là giả định rằng cùng thứ vật lý ấy vẫn đúng qua một bước nhảy khổng lồ về kích thước và năng lượng, một nhịp cầu chưa được quan sát trực tiếp. Phép đo thu hẹp câu hỏi; nó không khép lại câu hỏi.

Hiểu được tia vũ trụ đến từ đâu không phải là một câu đố trừu tượng. Những hạt này định ra mức rủi ro bức xạ cho phi hành gia và thiết bị điện tử của tàu vũ trụ, vận hành hóa học của các bầu khí quyển hành tinh và mang năng lượng đi khắp thiên hà. Buộc quá trình tăng tốc vào một cơ chế mà ta có thể quan sát ngay trong Hệ Mặt Trời của mình biến một bí ẩn vũ trụ thành điều có thể kiểm chứng.

Kết quả được công bố trên tạp chí Nature. Juno, trên quỹ đạo từ năm 2016, vẫn tiếp tục những vòng lượn dài quanh Sao Mộc, và mỗi vòng lại đưa các thiết bị của nó trở lại xuyên qua vùng tiền sóng xung kích, nơi những phép đo tiếp theo về sự tăng tốc này sẽ được thực hiện.

Thẻ: thiên văn học