Một nhóm nhà khoa học do Trung Quốc dẫn đầu vừa phát hiện hạt ánh sáng có năng lượng cao nhất từng được ghi nhận. Khám phá này cho thấy vũ trụ có thể gia tốc các hạt vật chất lên mức gấp khoảng 30 lần so với giới hạn mà các nhà khoa học từng tin là tối đa.

Hạt ánh sáng này được tạo ra từ Cygnus X-3, một hệ sao đôi rất đặc biệt nằm trong chòm sao Thiên Nga.

Hệ sao này gồm một thiên thể đã "chết" (có thể là lỗ đen hoặc sao neutron) và một ngôi sao khổng lồ quay quanh nhau. Thiên thể chết liên tục hút vật chất từ ngôi sao đồng hành, rồi phóng các dòng hạt mang năng lượng cực lớn vào không gian.

Sau gần 30.000 năm di chuyển trong vũ trụ, hạt ánh sáng đó đã tới Trái Đất vào tháng 3/2024 và được Đài quan sát Mưa hạt Không khí Độ cao lớn (LHAASO) ở rìa phía Đông cao nguyên Tây Tạng ghi nhận.

Phá vỡ giới hạn từng được chấp nhận suốt nhiều thập kỷ

Cao Zhen, trưởng nhóm nghiên cứu LHAASO thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cho biết các lý thuyết trước đây cho rằng những vụ nổ sao hay lỗ đen trong Dải Ngân hà chỉ có thể gia tốc hạt lên tối đa khoảng 1 peta-electron volt (PeV).

Tuy nhiên, những quan sát mới cho thấy Cygnus X-3 có thể gia tốc các hạt mang điện lên ít nhất 30 PeV, cao gấp hơn 2.200 lần năng lượng mà Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) – máy gia tốc hạt mạnh nhất do con người chế tạo – có thể tạo ra.

Trước đây, các nhà thiên văn học cho rằng những "máy gia tốc tự nhiên" trong Dải Ngân hà có một giới hạn nhất định. Khi các hạt đạt năng lượng khoảng 1 PeV, chúng sẽ thoát khỏi từ trường của thiên hà trước khi có thêm cơ hội được tăng tốc.

Vì không thể quan sát trực tiếp những hạt này tại nơi chúng được tạo ra, các nhà khoa học phải dựa vào những tia gamma phát sinh khi chúng va chạm với môi trường xung quanh để suy ra năng lượng ban đầu của chúng.

"Siêu máy gia tốc" đầu tiên

Năm 2021, dù LHAASO chưa hoàn thiện, đài quan sát này đã lần đầu phát hiện tia gamma có năng lượng vượt 1 PeV. Kết quả đó cho thấy nguồn phát có thể gia tốc các hạt lên khoảng 10 PeV, cao hơn nhiều so với giới hạn mà giới khoa học từng chấp nhận.

Trong nghiên cứu mới nhất, nhóm khoa học ghi nhận 11 tia gamma siêu năng lượng từ Cygnus X-3 trong giai đoạn 2019-2024. Có 5 tia vượt mốc 1 PeV.

Đặc biệt, một tia đạt mức kỷ lục 3,7 PeV, trở thành hạt ánh sáng có năng lượng cao nhất từng được phát hiện từ một nguồn thiên văn. Một tia khác đạt 3,1 PeV, đứng thứ hai trong lịch sử quan sát.

Từ các tín hiệu này, nhóm nghiên cứu ước tính Cygnus X-3 có thể gia tốc các hạt mang điện lên ít nhất 30 PeV. Họ cũng phát hiện các tín hiệu năng lượng cao lặp lại theo chu kỳ 4,8 giờ. Điều này cho thấy quá trình gia tốc diễn ra ngay gần khu vực trung tâm của hệ sao.

Theo nhóm nghiên cứu, phát hiện này xác nhận Cygnus X-3 là "siêu máy gia tốc hạt PeVatron" đầu tiên được chứng minh tồn tại. ĐThuật ngữ này dùng để chỉ những "máy gia tốc" tự nhiên có thể tạo ra các hạt mang năng lượng vượt xa 1 peta-electron volt (PeV).

Khám phá này cũng mở ra cơ hội để tìm hiểu cách lỗ đen và các thiên thể siêu đặc tạo ra những hạt có năng lượng lớn nhất trong Dải Ngân hà.