Một nghiên cứu mới cho thấy tia vũ trụ có thể đưa ra câu trả lời không tưởng cho một bí ẩn lâu đời về sét trên Trái đất.
Giông bão là hiện tượng cực kỳ phổ biến; theo Vương quốc Anh, có tới 3 triệu tia sét đánh trên Trái đất mỗi ngày. Cơ quan Khí tượng. Nhưng mặc dù sét có ở khắp mọi nơi, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ về nguyên nhân gây ra hiện tượng này. Hiện nay, một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos cho thấy một tác nhân gây ra sét có thể có nguồn gốc ngoài Trái Đất.
"Thuyết ban đầu về sự khởi đầu của sét đã được đề xuất vào những năm 1960 và 1970", Xuan-Min Shao, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico và là tác giả chính của nghiên cứu mới, được công bố vào ngày 3 tháng 3 trên tạp chí JGR Atmospheres cho biết. "Nó đưa ra giả thuyết rằng các electron bị ion hóa trong không khí và khởi động cái mà chúng ta gọi là sự cố nhiệt", Shao nói với Space.com. "Nhưng quá trình đó sẽ đòi hỏi một trường điện rất mạnh trong đám mây, và điều đó chưa bao giờ được đo lường". Trên thực tế, Shao nói thêm, trường điện mạnh nhất từng được phát hiện bên trong các đám mây bão yếu hơn 10 lần so với trường điện cần thiết để tạo ra tia sét dựa trên lý thuyết đó.
Để giải quyết câu đố tồn tại từ lâu này, Shao và các đồng nghiệp đã sử dụng một loạt ăng-ten vô tuyến để ghi lại tiến trình chính xác của các tia sét trong không gian và thời gian với độ chính xác và độ phân giải chưa từng có. Mảng này bao gồm hai cụm ăng-ten, cách nhau 7 dặm (11,5 km) tại Los Alamos, cho phép nhóm nghiên cứu tạo ra chế độ xem ba chiều về đường đi của mỗi tia sét.
Những phát hiện được trình bày trong nghiên cứu mới dựa trên quan sát một cơn bão duy nhất vào ngày 30 tháng 7 năm 2022, tạo ra hơn 300 tia sét. Ngoài sự tích tụ và quỹ đạo của các tia sét, các nhà nghiên cứu đã đo độ phân cực hoặc hướng của dòng điện tạo nên tia sét và so sánh hai tập dữ liệu này.
"Chúng tôi đã so sánh hướng lan truyền tín hiệu sét dọc theo vài trăm mét và so sánh với hướng phân cực của tia lửa", Shao cho biết. "Chúng tôi thấy rằng nó không thẳng hàng. Nó không cùng hướng với sự lan truyền của tia sét. Điều đó cho chúng tôi biết rằng tia sét trong hàng chục micro giây đầu tiên không phải do trường điện trong đám mây tạo ra. Nó phải do một thứ gì đó khác tạo ra".
Shao tin rằng thứ khác đó chính là các trận mưa tia vũ trụ. Mưa tia vũ trụ là chuỗi các hạt năng lượng cao được kích hoạt trong khí quyển bởi các tia vũ trụ — các vụ nổ hạt nhân hydro tích điện chạy ngoằn ngoèo khắp vũ trụ với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Các tia vũ trụ có thể đến từ các siêu tân tinh, hố đen và thậm chí là mặt trời ở xa, và chúng liên tục đập vào tầng khí quyển trên của Trái đất. Khi chúng vỡ ra khi tương tác với các phân tử không khí, chúng tạo ra chuỗi các hạt kỳ lạ như pion, muon, electron năng lượng cao và các hạt phản vật chất tương ứng của chúng, được gọi là positron.
"[Một] positron là thứ chúng ta gọi là phản vật chất", Shao nói. "Nó giống như [một] electron, nhưng nó mang điện tích dương thay vì điện tích âm."
Ông cho biết sự hiện diện của positron trong các trận mưa tia vũ trụ có thể giải thích sự khác biệt giữa hướng phóng điện của tia sét và hướng dòng điện trong tia lửa được mảng Los Alamos quan sát.
Shao và các đồng nghiệp của ông không phải là những người đầu tiên tìm kiếm mối liên hệ giữa tia sét và tia vũ trụ. Tuy nhiên, những quan sát mới này có ý nghĩa quan trọng vì chúng không phù hợp với bất kỳ lý thuyết nào trước đó, Shao lưu ý.
Ông cho biết kết quả rất thú vị, nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm. Tia vũ trụ liên tục tác động đến hành tinh của chúng ta, nhưng tác động của chúng khá khó phát hiện.
"Chúng tôi thực sự muốn có những quan sát đồng thời trực tiếp về hai hiện tượng — sét và mưa tia vũ trụ", Shao cho biết. "Nhưng điều đó sẽ rất khó khăn vì các máy dò hạt có thể phát hiện những cơn mưa đó trên mặt đất chỉ có thể bắt được chúng khi chúng đến từ một hướng nhất định. Với các hệ thống hiện tại, chúng tôi chỉ có thể phát hiện được khoảng một trong số một nghìn cơn bão".
Hiện tại, các nhà nghiên cứu sẽ cố gắng sao chép các phép đo của họ trên một số lượng lớn hơn các cơn giông và tia chớp. Họ cũng sẽ tìm kiếm những mối tương quan có thể có giữa số lần sét đánh và pha của chu kỳ mặt trời.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Tia vũ trụ đến từ đâu?
—'Cơn mưa không khí' có thể giúp tiết lộ nguồn gốc bí ẩn của tia vũ trụ
—Tia vũ trụ có lượng phản vật chất đáng ngạc nhiên. Vật chất tối có phải là nguyên nhân không?
Các nhà nghiên cứu cho rằng trong giai đoạn hoạt động mạnh nhất của chu kỳ 11 năm của mặt trời, được gọi là cực đại mặt trời, ít tia vũ trụ hơn đến được hành tinh này vì từ trường của nó được tăng cường bởi sự quất liên tục của gió mặt trời. Từ trường mạnh hơn này có tác dụng đẩy lùi các tia vũ trụ đi vào tốt hơn, về mặt lý thuyết, điều này sẽ khiến bầu khí quyển ít thuận lợi hơn cho sự hình thành sét. Tuy nhiên, cho đến nay, dữ liệu về vấn đề này vẫn còn khan hiếm, Shao cho biết.
"Đây là một vấn đề rất khó giải quyết vì tốc độ sét có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác", Shao cho biết. "Chúng tôi cần mọi người thu thập nhiều dữ liệu sét trên toàn cầu để thấy được hiệu ứng này, nhưng bạn cũng phải loại trừ một số yếu tố khác nữa".
Giông bão là hiện tượng cực kỳ phổ biến; theo Vương quốc Anh, có tới 3 triệu tia sét đánh trên Trái đất mỗi ngày. Cơ quan Khí tượng. Nhưng mặc dù sét có ở khắp mọi nơi, các nhà khoa học vẫn chưa hiểu đầy đủ về nguyên nhân gây ra hiện tượng này. Hiện nay, một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos cho thấy một tác nhân gây ra sét có thể có nguồn gốc ngoài Trái Đất.
"Thuyết ban đầu về sự khởi đầu của sét đã được đề xuất vào những năm 1960 và 1970", Xuan-Min Shao, một nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở New Mexico và là tác giả chính của nghiên cứu mới, được công bố vào ngày 3 tháng 3 trên tạp chí JGR Atmospheres cho biết. "Nó đưa ra giả thuyết rằng các electron bị ion hóa trong không khí và khởi động cái mà chúng ta gọi là sự cố nhiệt", Shao nói với Space.com. "Nhưng quá trình đó sẽ đòi hỏi một trường điện rất mạnh trong đám mây, và điều đó chưa bao giờ được đo lường". Trên thực tế, Shao nói thêm, trường điện mạnh nhất từng được phát hiện bên trong các đám mây bão yếu hơn 10 lần so với trường điện cần thiết để tạo ra tia sét dựa trên lý thuyết đó.
Để giải quyết câu đố tồn tại từ lâu này, Shao và các đồng nghiệp đã sử dụng một loạt ăng-ten vô tuyến để ghi lại tiến trình chính xác của các tia sét trong không gian và thời gian với độ chính xác và độ phân giải chưa từng có. Mảng này bao gồm hai cụm ăng-ten, cách nhau 7 dặm (11,5 km) tại Los Alamos, cho phép nhóm nghiên cứu tạo ra chế độ xem ba chiều về đường đi của mỗi tia sét.
Những phát hiện được trình bày trong nghiên cứu mới dựa trên quan sát một cơn bão duy nhất vào ngày 30 tháng 7 năm 2022, tạo ra hơn 300 tia sét. Ngoài sự tích tụ và quỹ đạo của các tia sét, các nhà nghiên cứu đã đo độ phân cực hoặc hướng của dòng điện tạo nên tia sét và so sánh hai tập dữ liệu này.
"Chúng tôi đã so sánh hướng lan truyền tín hiệu sét dọc theo vài trăm mét và so sánh với hướng phân cực của tia lửa", Shao cho biết. "Chúng tôi thấy rằng nó không thẳng hàng. Nó không cùng hướng với sự lan truyền của tia sét. Điều đó cho chúng tôi biết rằng tia sét trong hàng chục micro giây đầu tiên không phải do trường điện trong đám mây tạo ra. Nó phải do một thứ gì đó khác tạo ra".
Shao tin rằng thứ khác đó chính là các trận mưa tia vũ trụ. Mưa tia vũ trụ là chuỗi các hạt năng lượng cao được kích hoạt trong khí quyển bởi các tia vũ trụ — các vụ nổ hạt nhân hydro tích điện chạy ngoằn ngoèo khắp vũ trụ với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Các tia vũ trụ có thể đến từ các siêu tân tinh, hố đen và thậm chí là mặt trời ở xa, và chúng liên tục đập vào tầng khí quyển trên của Trái đất. Khi chúng vỡ ra khi tương tác với các phân tử không khí, chúng tạo ra chuỗi các hạt kỳ lạ như pion, muon, electron năng lượng cao và các hạt phản vật chất tương ứng của chúng, được gọi là positron.
"[Một] positron là thứ chúng ta gọi là phản vật chất", Shao nói. "Nó giống như [một] electron, nhưng nó mang điện tích dương thay vì điện tích âm."
Ông cho biết sự hiện diện của positron trong các trận mưa tia vũ trụ có thể giải thích sự khác biệt giữa hướng phóng điện của tia sét và hướng dòng điện trong tia lửa được mảng Los Alamos quan sát.
Shao và các đồng nghiệp của ông không phải là những người đầu tiên tìm kiếm mối liên hệ giữa tia sét và tia vũ trụ. Tuy nhiên, những quan sát mới này có ý nghĩa quan trọng vì chúng không phù hợp với bất kỳ lý thuyết nào trước đó, Shao lưu ý.
Ông cho biết kết quả rất thú vị, nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm. Tia vũ trụ liên tục tác động đến hành tinh của chúng ta, nhưng tác động của chúng khá khó phát hiện.
"Chúng tôi thực sự muốn có những quan sát đồng thời trực tiếp về hai hiện tượng — sét và mưa tia vũ trụ", Shao cho biết. "Nhưng điều đó sẽ rất khó khăn vì các máy dò hạt có thể phát hiện những cơn mưa đó trên mặt đất chỉ có thể bắt được chúng khi chúng đến từ một hướng nhất định. Với các hệ thống hiện tại, chúng tôi chỉ có thể phát hiện được khoảng một trong số một nghìn cơn bão".
Hiện tại, các nhà nghiên cứu sẽ cố gắng sao chép các phép đo của họ trên một số lượng lớn hơn các cơn giông và tia chớp. Họ cũng sẽ tìm kiếm những mối tương quan có thể có giữa số lần sét đánh và pha của chu kỳ mặt trời.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
—Tia vũ trụ đến từ đâu?
—'Cơn mưa không khí' có thể giúp tiết lộ nguồn gốc bí ẩn của tia vũ trụ
—Tia vũ trụ có lượng phản vật chất đáng ngạc nhiên. Vật chất tối có phải là nguyên nhân không?
Các nhà nghiên cứu cho rằng trong giai đoạn hoạt động mạnh nhất của chu kỳ 11 năm của mặt trời, được gọi là cực đại mặt trời, ít tia vũ trụ hơn đến được hành tinh này vì từ trường của nó được tăng cường bởi sự quất liên tục của gió mặt trời. Từ trường mạnh hơn này có tác dụng đẩy lùi các tia vũ trụ đi vào tốt hơn, về mặt lý thuyết, điều này sẽ khiến bầu khí quyển ít thuận lợi hơn cho sự hình thành sét. Tuy nhiên, cho đến nay, dữ liệu về vấn đề này vẫn còn khan hiếm, Shao cho biết.
"Đây là một vấn đề rất khó giải quyết vì tốc độ sét có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác", Shao cho biết. "Chúng tôi cần mọi người thu thập nhiều dữ liệu sét trên toàn cầu để thấy được hiệu ứng này, nhưng bạn cũng phải loại trừ một số yếu tố khác nữa".