Tia Vũ Trụ: Những 'Viên Đạn' Vô Hình Bắn Phá Trái Đất Mỗi Giây

Tia vũ trụ thực sự là gì?

Tia vũ trụ sơ cấp gồm nhiều loại hạt:

• Proton.
• Hạt nhân heli.
• Hạt nhân carbon, oxy, sắt và nhiều nguyên tố khác.
• Một lượng electron và các hạt khác.

Các hạt nhân nặng đã mất electron nên mang điện tích dương.

Do mang điện, đường đi của tia vũ trụ bị từ trường trong Ngân Hà bẻ cong. Chính điều này khiến việc lần ngược chúng về nguồn phát ban đầu trở nên rất khó.

Tia vũ trụ đến từ đâu?

Nguồn gốc phụ thuộc vào mức năng lượng.

Mặt Trời

Các vụ bùng phát và phun trào trên Mặt Trời có thể giải phóng proton cùng nhiều ion năng lượng cao.

Nhóm này thường được gọi chính xác hơn là hạt năng lượng Mặt Trời (Solar Energetic Particles).

Tàn dư siêu tân tinh

Sóng xung kích từ các vụ nổ sao được xem là một trong những cơ chế quan trọng có thể gia tốc tia vũ trụ trong Ngân Hà lên năng lượng rất cao.

Những nguồn ngoài Ngân Hà

Nguồn gốc của các tia vũ trụ có năng lượng cao nhất vẫn là một vấn đề đang được nghiên cứu.

Các ứng viên gồm những môi trường thiên văn cực đoan như vùng xung quanh hạt nhân thiên hà hoạt động, nơi các lỗ đen siêu khối lượng và từ trường mạnh có thể tham gia vào quá trình gia tốc hạt.

Tuy nhiên, không phải mọi tia vũ trụ đều đã được truy tìm chính xác về nguồn phát của chúng.

Điều gì xảy ra khi tia vũ trụ đâm vào khí quyển?

Tia vũ trụ năng lượng cao hiếm khi bay nguyên vẹn xuống mặt đất.

Khi một hạt sơ cấp va vào hạt nhân nitơ hoặc oxy ở tầng cao khí quyển, nó tạo ra nhiều hạt mới.

Các hạt mới tiếp tục va chạm và phân rã, tạo nên một chuỗi phản ứng gọi là:

Mưa hạt khí quyển (Air Shower)

Một trận mưa như vậy có thể chứa:

• Pion.
• Kaon.
• Muon.
• Electron.
• Positron.
• Photon.
• Neutron.

Năng lượng của một hạt vũ trụ ban đầu vì thế được phân chia thành một thác các hạt thứ cấp lan rộng trong khí quyển. 【5-d7ce22】【1-03d267】

Muon: Những vị khách thực sự tới mặt đất

Một trong những sản phẩm đáng chú ý nhất của các trận mưa hạt là muon.

Muon giống electron ở chỗ mang điện tích âm nhưng có khối lượng lớn hơn nhiều.

Chúng có khả năng xuyên qua vật chất khá mạnh, vì vậy một phần muon được sinh ra ở tầng cao khí quyển có thể đi xuống tận mặt đất.

Thông lượng điển hình tại mặt đất vào khoảng:

1 muon/cm²/phút

Điều đó có nghĩa các muon nguồn gốc tia vũ trụ vẫn liên tục đi xuyên qua cơ thể chúng ta mà chúng ta hoàn toàn không cảm nhận được. 【6-916a82】

Trái Đất bảo vệ chúng ta như thế nào?

Từ trường Trái Đất

Vì phần lớn tia vũ trụ mang điện, từ trường Trái Đất có thể làm thay đổi quỹ đạo của nhiều hạt trước khi chúng tiến sâu vào khí quyển.

Khí quyển

Khí quyển là lớp bảo vệ đặc biệt quan trọng.

Thay vì để hạt sơ cấp năng lượng cao đi thẳng xuống mặt đất, khí quyển khiến năng lượng của chúng bị phân tán qua hàng loạt tương tác tạo thành các hạt thứ cấp.

Nhờ vậy, mức phơi nhiễm bức xạ ở mặt đất thấp hơn rất nhiều so với ngoài không gian. NASA sử dụng các mô hình riêng để tính cả tia vũ trụ sơ cấp lẫn bức xạ thứ cấp sinh ra khi chúng đi qua khí quyển và vật liệu che chắn. 【1-03d267】

Tia vũ trụ có nguy hiểm với con người không?

Ở mặt đất, khí quyển cung cấp một lớp che chắn rất lớn và tia vũ trụ chỉ đóng góp một phần vào lượng bức xạ ion hóa tự nhiên mà con người nhận được.

Nhưng càng lên cao, lớp khí quyển phía trên càng mỏng.

Vì vậy tia vũ trụ trở nên quan trọng hơn đối với:

• Phi hành gia.
• Tàu vũ trụ.
• Vệ tinh.
• Phi hành đoàn và hành khách trên các chuyến bay cao.

NASA coi tia vũ trụ thiên hà và các hạt năng lượng Mặt Trời là những nguồn cần tính toán khi đánh giá liều bức xạ đối với hàng không và du hành không gian. 【1-03d267】

Tia vũ trụ có thể làm máy tính lỗi không?

Có.

Các hạt năng lượng cao hoặc các hạt thứ cấp mà chúng tạo ra có thể tương tác với linh kiện bán dẫn.

Một tương tác đủ mạnh có thể gây ra Single Event Effect (SEE), chẳng hạn làm thay đổi trạng thái của một ô nhớ.

Có thể hình dung đơn giản:

0 → 1

hoặc:

1 → 0

mà không phải do phần mềm chủ động thay đổi dữ liệu.

Đây là lý do các hệ thống điện tử dùng trong:

• Vệ tinh.
• Tàu vũ trụ.
• Hàng không.

phải được thiết kế và đánh giá khả năng chịu bức xạ cẩn thận. Mô hình NAIRAS của NASA cũng tính thông lượng bức xạ phục vụ đánh giá những hiệu ứng đơn sự kiện đối với vi điện tử hàng không và không gian. 【1-03d267】

Những tia vũ trụ mạnh đến mức nào?

Một số tia vũ trụ đạt năng lượng vượt rất xa năng lượng của từng hạt trong các máy gia tốc do con người chế tạo.

Các nghiên cứu về mưa hạt khí quyển hiện có thể khảo sát những hạt sơ cấp vượt 10²⁰ electronvolt (eV). Ở các mức năng lượng cực cao, nguồn gốc và cơ chế gia tốc của chúng vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp.

Kết luận

🌌 Tia vũ trụ không phải một loại ánh sáng mà chủ yếu là những hạt và hạt nhân nguyên tử năng lượng cao lao xuyên không gian.

Khi chúng va vào khí quyển Trái Đất, năng lượng được biến thành những trận mưa hạt thứ cấp khổng lồ. Một số hạt, đặc biệt là muon, có thể đi xuống tận mặt đất và xuyên qua cơ thể chúng ta.

Từ những vụ nổ sao đến các môi trường cực đoan quanh những thiên thể xa xôi, tia vũ trụ mang theo thông tin về những quá trình năng lượng cao nhất trong tự nhiên. Vì vậy, chúng không chỉ là một nguồn bức xạ cần được kiểm soát trong du hành không gian mà còn là những "sứ giả hạt" giúp con người nghiên cứu các vùng dữ dội nhất của vũ trụ.