Những vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ đã biết đến xuất phát từ cái gọi là vụ nổ tia gamma — mặc dù chúng có vẻ không mấy thú vị, nhưng các nhà khoa học thường nói về những vụ nổ bức xạ điện từ đáng kinh ngạc này cùng lúc với các ngôi sao khổng lồ sụp đổ và các lỗ đen.
Chúng tôi đã lập danh mục khá nhiều sự kiện như vậy kể từ những năm 1960 và thậm chí sử dụng chúng để giúp chúng tôi hiểu thêm về các siêu cụm thiên hà, nhưng có một loại vụ nổ tia gamma cụ thể vẫn còn là một bí ẩn. Nó được gọi là chớp tia gamma trên mặt đất (TGF) và nó phun trào bên trong các cơn giông bão trên Trái đất cách đầu chúng ta hàng trăm feet.
Yuuki Wada, một giáo sư tại Đại học Osaka ở Nhật Bản, đã nghiên cứu về TGF trong nhiều năm. Ông là tác giả chính của một nghiên cứu mới xem xét mối quan hệ bí ẩn giữa TGF và sét đánh — và theo nghiên cứu này, các nhà khoa học đã quan sát thấy một TGF đồng bộ với tia sét phát sinh từ sự va chạm của các tia dẫn, giúp dẫn hướng luồng sét, đến từ các hướng ngược nhau.
"TGF là một trong những hiện tượng tự nhiên năng lượng nhất trong khí quyển", Wada nói với Space.com. Công trình của Wada tập trung vào các hiện tượng năng lượng cao trong các tia chớp và mây giông.
Để thu thập dữ liệu về sét để nghiên cứu, nhóm đã đi hai giờ về phía bắc Osaka đến thành phố ven biển Kanazawa, nằm ở tỉnh Ishikawa trên bờ biển phía Bắc của Honshu, hòn đảo chính của Nhật Bản.
"Chúng tôi đã chuẩn bị một mạng lưới quan sát xung quanh các tháp truyền hình ở Kanazawa", Wada cho biết. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng "thiết lập đa cảm biến hiện đại" có thể phát hiện bức xạ quang học, tần số vô tuyến và năng lượng cao.
Các quan sát đa cảm biến mà họ thực hiện là lần đầu tiên trên thế giới, tác giả chính Harufumi Tsuchiya cho biết trong một tuyên bố và rằng sự kết hợp của các cảm biến đã giúp họ tìm hiểu thêm về cơ chế của TGF.
Tuy nhiên, việc tiến hành nghiên cứu cho nghiên cứu này rất khó khăn — và Wada cho biết nó đòi hỏi một chút may mắn — vì nghiên cứu này dựa trên khả năng quan sát các tia sét đang hoạt động. "Hiện nay, sét rất khó dự đoán", Wada cho biết. "Vì vậy, có nguy cơ thực hiện các quan sát chuyên sâu vì phạm vi phát hiện bị hạn chế".
"Có nguy cơ là chúng tôi sẽ không phát hiện được gì", Wada nói thêm. "May mắn thay, chúng tôi đã phát hiện ra một TGF với toàn bộ mạng lưới".
Các luồng không khí mạnh trong giông bão có thể khiến không khí và nước bốc lên và hạ xuống rất nhanh. Khi điều này xảy ra, các tinh thể băng bắt đầu va chạm bên trong các luồng không khí, khiến chúng giải phóng các electron và tạo ra trường điện tạo ra sét.
Mặc dù các nhà khoa học cho rằng, trong những điều kiện cụ thể, TGF phát sinh từ các tia sét trong cơn giông bão, nhưng họ vẫn chưa hiểu được mối quan hệ chính xác giữa hai yếu tố này.
"Các TGF chủ yếu được phát hiện bởi vệ tinh và chi tiết về cách sét tạo ra tia gamma vẫn còn là một bí ẩn", Wada cho biết. "Quan sát trên mặt đất của chúng tôi cung cấp cho chúng tôi manh mối để hiểu về TGF".
Sử dụng các cảm biến trên các tháp truyền tải, các nhà nghiên cứu đã chụp được ảnh chụp nhanh các tia sét theo hai đường đi. Một đường đi từ đám mây giông và dẫn xuống một thị trấn truyền tải. Đường đi còn lại hướng lên theo hướng ngược lại.
Các nhà nghiên cứu đã quan sát TGF ngay trước khi hai đường phóng điện hội tụ và tạo ra một trường điện có mật độ cao mà các nhà nghiên cứu cho biết đã tăng tốc các electron bắn qua không khí lên gần bằng tốc độ ánh sáng.
Một giây chứa một triệu micro giây. Nhóm nghiên cứu đã ghi lại photon đầu tiên của TGF chỉ 31 micro giây trước khi các đường đi gặp nhau. Toàn bộ vụ nổ kéo dài 20 micro giây sau khi các đường đi tạo thành một tia sét.
Câu chuyện liên quan:
— Sét trên các thế giới ngoài hành tinh có thể không tạo ra sự sống, theo mô phỏng
— Các vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ có thể tiết lộ vàng đến từ đâu
— Nghiên cứu mới về 'Ngôi sao Tử thần' trông giống như một chiếc chong chóng vũ trụ làm giảm mối đe dọa của vụ nổ tia gamma đối với Trái đất
Nghiên cứu mới này tiếp nối công trình trước đó đào sâu vào TGF từ một số tổ chức khoa học, bao gồm NASA và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA). Vào tháng 8 năm 2023, các phi công của NASA đã bay vào các cơn giông bão trên một máy bay khoa học tầm cao để thu thập dữ liệu về TGF.
Vào tháng 5 năm 2019, ESA đã tạo ra bức ảnh đầu tiên về TGF, xuất hiện từ một cơn giông bão trên đảo Borneo, ở Đông Nam Á. Để nghiên cứu TGF, họ đã sử dụng một đài quan sát đặc biệt trên Trạm vũ trụ quốc tế.
Công trình tìm hiểu về TGF vẫn chưa hoàn thành. Wada cho biết: "Mối quan hệ giữa sét và TGF vẫn chưa rõ ràng". "Đó là lý do tại sao chúng tôi tiếp tục nghiên cứu này".
"Chúng tôi đang nhắm mục tiêu vào các cơn giông bão mùa đông ở Nhật Bản", ông nói thêm. "Vì chúng có những đặc điểm khác thường so với các cơn giông khác, chẳng hạn như nền mây thấp hơn, nên chúng tôi hy vọng sẽ có nhiều bí ẩn được giải đáp thông qua các quan sát ở Nhật Bản."
Nghiên cứu đã được công bố vào ngày 21 tháng 5 trên tạp chí Science Advances.
Chúng tôi đã lập danh mục khá nhiều sự kiện như vậy kể từ những năm 1960 và thậm chí sử dụng chúng để giúp chúng tôi hiểu thêm về các siêu cụm thiên hà, nhưng có một loại vụ nổ tia gamma cụ thể vẫn còn là một bí ẩn. Nó được gọi là chớp tia gamma trên mặt đất (TGF) và nó phun trào bên trong các cơn giông bão trên Trái đất cách đầu chúng ta hàng trăm feet.
Yuuki Wada, một giáo sư tại Đại học Osaka ở Nhật Bản, đã nghiên cứu về TGF trong nhiều năm. Ông là tác giả chính của một nghiên cứu mới xem xét mối quan hệ bí ẩn giữa TGF và sét đánh — và theo nghiên cứu này, các nhà khoa học đã quan sát thấy một TGF đồng bộ với tia sét phát sinh từ sự va chạm của các tia dẫn, giúp dẫn hướng luồng sét, đến từ các hướng ngược nhau.
"TGF là một trong những hiện tượng tự nhiên năng lượng nhất trong khí quyển", Wada nói với Space.com. Công trình của Wada tập trung vào các hiện tượng năng lượng cao trong các tia chớp và mây giông.
Để thu thập dữ liệu về sét để nghiên cứu, nhóm đã đi hai giờ về phía bắc Osaka đến thành phố ven biển Kanazawa, nằm ở tỉnh Ishikawa trên bờ biển phía Bắc của Honshu, hòn đảo chính của Nhật Bản.
"Chúng tôi đã chuẩn bị một mạng lưới quan sát xung quanh các tháp truyền hình ở Kanazawa", Wada cho biết. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng "thiết lập đa cảm biến hiện đại" có thể phát hiện bức xạ quang học, tần số vô tuyến và năng lượng cao.
Các quan sát đa cảm biến mà họ thực hiện là lần đầu tiên trên thế giới, tác giả chính Harufumi Tsuchiya cho biết trong một tuyên bố và rằng sự kết hợp của các cảm biến đã giúp họ tìm hiểu thêm về cơ chế của TGF.
Tuy nhiên, việc tiến hành nghiên cứu cho nghiên cứu này rất khó khăn — và Wada cho biết nó đòi hỏi một chút may mắn — vì nghiên cứu này dựa trên khả năng quan sát các tia sét đang hoạt động. "Hiện nay, sét rất khó dự đoán", Wada cho biết. "Vì vậy, có nguy cơ thực hiện các quan sát chuyên sâu vì phạm vi phát hiện bị hạn chế".
"Có nguy cơ là chúng tôi sẽ không phát hiện được gì", Wada nói thêm. "May mắn thay, chúng tôi đã phát hiện ra một TGF với toàn bộ mạng lưới".
Các tia gamma nhấp nháy trong giông bão
Các nhà khoa học biết rằng giông bão phát ra các TGF rất ngắn, cũng như các tia gamma nhấp nháy dài hơn, có thể kéo dài từ vài phút đến vài giờ. Nhưng giông bão vẫn còn nhiều điều bí ẩn.Các luồng không khí mạnh trong giông bão có thể khiến không khí và nước bốc lên và hạ xuống rất nhanh. Khi điều này xảy ra, các tinh thể băng bắt đầu va chạm bên trong các luồng không khí, khiến chúng giải phóng các electron và tạo ra trường điện tạo ra sét.
Mặc dù các nhà khoa học cho rằng, trong những điều kiện cụ thể, TGF phát sinh từ các tia sét trong cơn giông bão, nhưng họ vẫn chưa hiểu được mối quan hệ chính xác giữa hai yếu tố này.
"Các TGF chủ yếu được phát hiện bởi vệ tinh và chi tiết về cách sét tạo ra tia gamma vẫn còn là một bí ẩn", Wada cho biết. "Quan sát trên mặt đất của chúng tôi cung cấp cho chúng tôi manh mối để hiểu về TGF".
Sử dụng các cảm biến trên các tháp truyền tải, các nhà nghiên cứu đã chụp được ảnh chụp nhanh các tia sét theo hai đường đi. Một đường đi từ đám mây giông và dẫn xuống một thị trấn truyền tải. Đường đi còn lại hướng lên theo hướng ngược lại.
Các nhà nghiên cứu đã quan sát TGF ngay trước khi hai đường phóng điện hội tụ và tạo ra một trường điện có mật độ cao mà các nhà nghiên cứu cho biết đã tăng tốc các electron bắn qua không khí lên gần bằng tốc độ ánh sáng.
Một giây chứa một triệu micro giây. Nhóm nghiên cứu đã ghi lại photon đầu tiên của TGF chỉ 31 micro giây trước khi các đường đi gặp nhau. Toàn bộ vụ nổ kéo dài 20 micro giây sau khi các đường đi tạo thành một tia sét.
Câu chuyện liên quan:
— Sét trên các thế giới ngoài hành tinh có thể không tạo ra sự sống, theo mô phỏng
— Các vụ nổ mạnh nhất trong vũ trụ có thể tiết lộ vàng đến từ đâu
— Nghiên cứu mới về 'Ngôi sao Tử thần' trông giống như một chiếc chong chóng vũ trụ làm giảm mối đe dọa của vụ nổ tia gamma đối với Trái đất
Nghiên cứu mới này tiếp nối công trình trước đó đào sâu vào TGF từ một số tổ chức khoa học, bao gồm NASA và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA). Vào tháng 8 năm 2023, các phi công của NASA đã bay vào các cơn giông bão trên một máy bay khoa học tầm cao để thu thập dữ liệu về TGF.
Vào tháng 5 năm 2019, ESA đã tạo ra bức ảnh đầu tiên về TGF, xuất hiện từ một cơn giông bão trên đảo Borneo, ở Đông Nam Á. Để nghiên cứu TGF, họ đã sử dụng một đài quan sát đặc biệt trên Trạm vũ trụ quốc tế.
Công trình tìm hiểu về TGF vẫn chưa hoàn thành. Wada cho biết: "Mối quan hệ giữa sét và TGF vẫn chưa rõ ràng". "Đó là lý do tại sao chúng tôi tiếp tục nghiên cứu này".
"Chúng tôi đang nhắm mục tiêu vào các cơn giông bão mùa đông ở Nhật Bản", ông nói thêm. "Vì chúng có những đặc điểm khác thường so với các cơn giông khác, chẳng hạn như nền mây thấp hơn, nên chúng tôi hy vọng sẽ có nhiều bí ẩn được giải đáp thông qua các quan sát ở Nhật Bản."
Nghiên cứu đã được công bố vào ngày 21 tháng 5 trên tạp chí Science Advances.