Tia gamma là gì?

Viết bởi JK Thứ tư, 25 Tháng 3 2015 17:33

Tia gamma là một dạng bức xạ điện từ, giống như sóng vô tuyến, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại, tia X và vi sóng. Tia gamma có thể được dùng để điều trị ung thư, còn các vụ nổ tia gamma thì được nghiên cứu bởi các nhà thiên văn học.

Bức xạ điện từ lan truyền dưới dạng sóng hoặc hạt ở những bước sóng và tần số khác nhau. Vùng rộng bước sóng này được gọi là phổ điện từ. Phổ điện từ thường được phân chia thành bảy vùng theo trật tự giảm dần bước sóng và tăng dần năng lượng và tần số. Các vùng đó là sóng vô tuyến, vi sóng, hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tử ngoại, tia X, và tia gamma.

Tia gamma rơi vào vùng phổ điện từ phía trên tia X mềm. Tia gamma có tần số lớn hơn khoảng 10¹⁸ Hz, và bước sóng nhỏ hơn 100 pico-mét (pm). (Một pico-mét là một phần nghìn tỉ của một mét.) Chúng chiếm giữ chung vùng phổ điện từ với tia X cứng. Khác biệt duy nhất giữa chúng là nguồn phát: tia X được tạo ra bởi các electron đang gia tốc, còn tia gamma được tạo ra bởi các hạt nhân nguyên tử.

Khám phá tia gamma

Tia gamma lần đầu tiên được quan sát vào năm 1900 bởi nhà hóa học người Pháp Paul Villard khi ông đang nghiên cứu bức xạ phát ra từ radium, theo tư liệu NASA. Vài năm sau đó, nhà hóa học và vật lí học gốc New Zealand, Ernest Rutherford, đề xuất tên gọi “tia gamma”, theo thứ tự tia alpha và tia beta – tên gọi chỉ những hạt khác đã được quan sát thấy từ bức xạ hạt nhân – và tên gọi tia gamma có từ đó.

Nguồn phát tia gamma

Tia gamma chủ yếu được tạo ra bởi bốn phản ứng hạt nhân khác nhau: nhiệt hạch, phân hạch, phân rã alpha và phân rã gamma. Nhiệt hạch là phản ứng cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao. Nó xảy ra trong một quá trình nhiều bước trong đó bốn proton, hay hạt nhân hydrogen, bị nén dưới nhiệt độ và áp suất cực cao để hợp nhất thành một hạt nhân helium gồm hai proton và hai neutron. Hạt nhân helium thu được nhẹ hơn bốn proton khoảng 0,7% khối lượng. Độ chênh lệch khối lượng đó biến đổi thành năng lượng theo phương trình Einstein nổi tiếng E = mc², với khoảng hai phần ba năng lượng đó được phát ra dưới dạng tia gamma. (Phần còn lại ở dạng neutrino, những hạt tương tác cực kì yếu với khối lượng gần như bằng không.) Trong những giai đoạn cuối của cuộc đời của một ngôi sao, khi nó cạn kiệt nhiên liệu hydrogen, nó có thể tạo ra các nguyên tố mỗi lúc nặng hơn qua sự hợp nhất hạt nhân và trong đó có sắt, nhưng những phản ứng này tạo ra một lượng năng lượng giảm dần ở từng giai đoạn.

Một nguồn phát tia gamma quen thuộc khác là sự phân hạch. Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở Mĩ định nghĩa phân hạch là “sự phân tách một hạt nhân nặng thành hai mảnh gần như bằng nhau (tức hạt nhân của những nguyên tố nhẹ hơn), đồng thời giải phóng năng lượng tương đối lớn ở dạng động năng của hai mảnh và ở dạng phát ra neutron và tia gamma.” Trong quá trình này, các hạt nhân nặng, ví dụ uranium và plutonium, bị vỡ thành những nguyên tố nhẹ hơn, ví dụ xenon và strontium, trong các va chạm với các hạt khác. Những hạt thu được từ những va chạm này sau đó có thể tác động lên những hạt nhân nặng khác, thiết lập một phản ứng dây chuyền. Năng lượng được giải phóng bởi vì tổng khối lượng của các hạt thu được nhỏ hơn khối lượng của hạt nhân nặng ban đầu. Độ chênh lệch khối lượng đó biến đổi thành năng lượng theo công thức E = mc² ở dạng động năng của những hạt nhân nhỏ hơn, neutrino và tia gamma.

Các nguồn phát tia gamma khác là phân rã alpha và phân rã gamma. Phân rã alpha xảy ra khi một hạt nhân nặng giải phóng một hạt nhân helium-4, giảm số nguyên tử của nó đi 2 và giảm trọng lượng nguyên tử của nó đi 4. Quá trình này có thể để lại hạt nhân với năng lượng thừa, và năng lượng đó được phát ra dưới dạng tia gamma. Phân rã gamma xảy ra khi có quá nhiều năng lượng trong hạt nhân của một nguyên tử, làm cho nó phát ra tia gamma mà không làm biến đổi điện tích hay thành phần khối lượng của nó.

Liệu pháp tia gamma

Tia gamma thỉnh thoảng được dùng để điều trị các mô ung thư trong cơ thể bằng cách phá hủy ADN của các tế bào mô đó. Tuy nhiên, liệu pháp đòi hỏi sự thận trọng tuyệt đối bởi vì tia gamma cũng có thể phá hủy ADN của các tế bào mô khỏe mạnh xung quanh. Một cách tăng tối đa liều lượng cho các tế bào ung thư đồng thời giảm thiểu sự phơi xạ cho các mô khỏe mạnh là chiếu trực tiếp nhiều chùm tia gamma từ một máy gia tốc thẳng lên trên vùng mục tiêu từ nhiều hướng khác nhau. Đây là nguyên tắc hoạt động của Dao mổ Cyber và Dao mổ Gamma.

Thiên văn học tia gamma

Một trong những nguồn phát tia gamma hấp dẫn hơn là các vụ nổ tia gamma (GRB). Đây là những sự kiện năng lượng cực cao chỉ tồn tại trong vài milli giây đến vài phút. Chúng lần đầu tiên được quan sát thấy vào thập niên 1960, và ngày nay chúng được quan sát thấy ở đâu đó trên bầu trời khoảng mỗi ngày một sự kiện.

“Trong một thời gian dài, người ta tin rằng GRB phải đến từ bên trong thiên hà của chúng ta,” theo trang web của Đại học California. “Dường như không có khả năng chúng ở xa xôi hơn nhiều – để một vụ nổ tia gamma đến từ một thiên hà ở xa, nó sẽ phải hết sức mạnh mới giải thích được độ sáng của nó mà người ta quan sát thấy.” Ngày nay, chúng ta biết rằng phần lớn GRB thật sự đến từ các thiên hà ở xa hơn 100 triệu đến hàng tỉ năm ánh sáng.

Theo Robert Patterson, giáo sư thiên văn học tại Đại học Missouri, GRB từng được người ta cho là đến từ những giai đoạn sau của các lỗ đen mini đang bốc hơi. Ngày nay, người ta tin rằng chúng phát sinh trong các va chạm của các vật thể đậm đặc như các sao neutron. Các lí thuyết khác gán những sự kiện này cho sự suy sụp của những ngôi sao siêu khối để hình thành lỗ đen. Dù là trường hợp nào, các GRB có thể tạo ra đủ năng lượng để, trong một vài giây đồng hồ, chúng có thể sáng hơn cả toàn bộ thiên hà. Vì khí quyển của Trái đất chặn mất đa phần tia gamma, cho nên các quan sát thường được tiến hành bằng các khí cầu bay lên cao và các kính thiên văn trên quỹ đạo.

Nguồn: Jim Lucas – LiveScience

http://360.thuvienvatly.com

7 điều thiết yếu người công dân vũ trụ nên biết

Năm phần sáu của vũ trụ hiện vẫn đang còn thiếu. Phát biểu như thế viết ra thật lạ, nhưng tôi dám chắc người đọc còn cảm thấy lạ hơn. Biết rằng vũ trụ mênh mông và con người chỉ mới thám hiểm một phần hết sức nhỏ bé của nó, làm thế nào chúng ta biết chắc chắn rằng có cái gì đó còn chưa đủ? Khẳng định như thế nghe rất ngạo mạn, chứ không hề ảo tưởng.

Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà khoa học đã kết luận gần như chắc chắn rằng phần lớn vật chất trong vũ trụ bao gồm vật chất tối, một chất liệu vừa thực chất không nhìn thấy và khác căn bản về thành phần với các nguyên tử quen thuộc cấu tạo nên các sao và hành tinh. Trước muôn vàn khó khăn, các nhà nghiên cứu như Samuel Ting ở MIT còn tiến tới chỉ rõ vật chất tối là cái gì, khi bằng chứng giật tít các trang báo hồi tuần trước [bài báo này đăng ngày 08/4/2013 – ND]. Đã đến lúc để nói lên thực tại mới về vị thế của chúng ta trong vũ trụ. Dưới đây là 7 điều thiết yếu mà mỗi công dân của vũ trụ nên biết.

1. Vật chất tối là có thật. Bằng chứng cho vật chất tối xuất hiện trong một bài báo công bố bởi nhà thiên văn học người Thụy Sĩ Fritz Zwicky  vào năm 1933 – chưa tới một thập niên sau khi Edwin Hubble chứng minh rõ ràng sự tồn tại của những thiên hà khác. Zwicky lưu ý rằng các thiên hà trong các đám thiên hà đang chuyển động nhanh đến mức các đám thiên sẽ bay ra xa nhau, tuy nhiên các đám thiên hà vẫn không thay đổi gì. Ông kết luận rằng phải có một chất liệu gì đó (vật chất tối) phân bố trong các đám thiên hà, cung cấp lực hút hấp dẫn bổ sung để giữ vạn vật lại với nhau. Lúc ấy, đa số đồng nghiệp của Zwicky xem bằng chứng đó là quá suy đoán, và quan điểm quá xa lạ, để mà tin tưởng. Vào thập niên 1970, nhà thiên văn học người Mĩ Vera Rubin đã tẩy não của họ với loại quan sát giống như vậy được tiến hành chi tiết hơn nhiều. Bà tìm thấy rằng các thiên hà quay có hệ thống nhanh đến mức chúng sẽ bay ra xa nhau trừ khi được giữ lại bởi vật chất tối – hay trừ khi kiến thức của chúng ta về lực hấp dẫn là sai. Gần đây hơn, các nhà thiên văn vật lí đã cho chạy những chương tình mô phỏng tinh vi trên máy tính của sự hình thành thiên hà. Những mô hình này ăn khớp tuyệt vời với cấu trúc quan sát được của vũ trụ, nhưng chỉ khi họ bao gộp cả vật chất tối vào trong các phương trình.

Có hai hướng bằng chứng khác ủng hộ mạnh cho vật chất tối. Một đến từ các quan sát sự hội tụ do hấp dẫn, sự bẻ cong ánh sáng do lực hấp dẫn. Các nhà thiên văn có thể lập bản đồ thô của sự phân bố vật chất trong các đám thiên hà bằng cách quan sát cách chúng làm biến dạng ánh sáng của những thiên hà ở xa hơn. Những bản đồ này không những xác nhận sự có mặt của những lượng lớn vật chất tối, mà chúng còn cho thấy vật chất tối chuyển động độc lập với chất khí nóng trong đám thiên hà, cái mà những lí thuyết thay thế của lực hấp dẫn không dễ dàng gì giải thích được. Một hướng bằng chứng nữa, hoàn toàn độc lập, đến từ các nghiên cứu bức xạ nền vi sóng vũ trụ, bức xạ tàn dư từ thời Big Bang. Sự phân bố của bức xạ đó trên bầu trời rất nhạy với thành phần chính xác của vũ trụ sơ khai. Hình ảnh phân bố quan sát được cho phép thực hiện một phép đo rất chính xác của thành phần của chúng ta, như tôi từng mô tả trước đây, trong đó vật chất tối nặng gấp vật chất nhìn thấy theo tỉ số 5,5 : 1. Cả ba loại quan sát không những thể hiện bằng chứng của vật chất tối, mà chúng còn cho biết lượng vật chất bằng nhau. Đó là cái hết sức thuyết phục.

2. Vật chất tối thỉnh thoảng có thể nhìn thấy được. Nghe có vẻ như mâu thuẫn với toàn bộ những gì tôi vừa nói, nhưng tôi sẽ giải thích. Vật chất tối có vẻ không tương tác với ánh sáng hay bất kì dạng nào khác của bức xạ điện từ (vô tuyến, tia X, vân vân), nhưng có lẽ nó có thể tương tác với chính nó. Một trong những lí thuyết hàng đầu của vật chất tối cho rằng nó gồm những hạt sơ cấp gọi tắt là WIMP (hạt nặng tương tác yếu) có thể hủy lẫn nhau nếu chúng va vào nhau. Trong không gian vũ trụ mênh mông, các hạt không va chạm thường xuyên lắm nhưng thi thoảng chắc hẳn sẽ xảy ra va chạm. Nếu hai hạt WIMP hủy lẫn nhau, chúng có thể tạo ra bức xạ nhìn thấy được ở dạng tia gamma; hoặc chúng có thể giải phóng những loại hạt quen thuộc hơn, ví dụ như các electron và đối hạt phản vật chất của chúng, positron.

Thật vậy, hai thí nghiệm trên không gian vũ trụ hiện đang tìm kiếm cả hai tín hiệu, và đều tìm thấy một số dấu hiệu hấp dẫn của cái gì đó lạ lẫm đang diễn ra trong không gian sâu thẳm. Kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi của NASA đã thu được một lóe sáng cực kì mờ nhạt nhưng khác lạ của tia gamma có một năng lượng rất đặc trưng: 130 giga-electron volt (GeV), hay khoảng 60 tỉ lần năng lượng của ánh sáng nhìn thấy. Tín hiệu trông rất giống với sự phân hủy của một hạt vật chất tối, nhưng Christoph Weniger thuộc Viện Vật lí Max Planck cảnh giác rằng bằng chứng hiện nay có thể còn mơ hồ. Những gợi ý khác của vật chất tối đến từ Samuel Ting và thí nghiệm Từ Phổ kế Alpha, AMS, trị giá 2 tỉ USD trên Trạm Vũ trụ Quốc tế. Đó chính là thí nghiệm đã gây đình đám hồi tuần trước. AMS đang thu được một sự dư thừa chút ít positron đến từ mọi hướng của bầu trời, cái một lần nữa khớp với sự có mặt của vật chất tối nhưng chưa hoàn toàn thuyết phục. Vẫn chờ có thêm nhiều kết quả nữa; Ting cho biết sẽ mất thêm “vài ba năm nữa” mới có đủ dữ liệu để kết luận chắc chắn.

3. Vật chất tối có thể hiện thân trên Trái đất này. Trên lí thuyết, mọi lúc chúng ta đang bơi trong vật chất tối. Vì vật chất tối thụ động như thế, nên phần lớn thời gian nó lướt qua và không ai trên mặt đất này có cảm nhận gì về nó. Nhưng bắt đầu vào thập niên 1990, một số nhà vật lí táo bạo (hay điên rồ, tùy theo quan điểm của bạn) đã quyết định thử dò tìm các hạt vật chất tối khi chúng đi qua. Quan điểm là vào những dịp rất hiếm, một hạt vật chất tối có thể va chạm với một nguyên tử vật chất bình thường, gây cho nó một cú hích. Có hích đó có khả năng phát hiện được dưới dạng một tín hiệu nhiệt: một liều nhiệt hết sức nhỏ. Một vài thí nghiệm theo xu hướng này đã khẳng định những dấu hiệu trêu ngươi của các tín hiệu vật chất tối. Những kết quả nổi tiếng nhất đến từ detector có tên gọi là là DAMA, viết tắt cho DArk MAtter. Tuy nhiên, ngoài những người tin tưởng tuyệt đối, chẳng ai xem những kết quả này là có sức thuyết phục. Một thí nghiệm mới gọi là LUX sẽ làm sáng tỏ tình huống này. “Độ nhạy (của nó) tốt hơn nhiều so với các thí nghiệm dò tìm trực tiếp trước đây,” phát biểu của nhà nghiên cứu chính của thí nghiệm LUX, Richard Gaitskell thuộc trường Đại học Brown. Vào lúc LUX hoàn tất đợt chạy trọn vẹn đầu tiên của nó vào năm 2015, Richard hi vọng nó sẽ là “một thí nghiệm rất rõ ràng”.

4. Chúng ta có thể tạo ra vật chất tối của riêng mình. Đó là một trong những mục tiêu lớn dành cho Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) nhiều tham vọng tại CERN: sản xuất vật chất tối trong phòng thí nghiệm để các nhà khoa học có thể nghiên cứu nó. Cơ sở cốt lõi của LHC là cho các hạt lao vào nhau để chúng không còn biểu hiện sự bình lặng và yên ả của vật lí học hàng ngày nữa. Về căn bản, những lượng năng lượng khổng lồ tạo ra tại LHC có thể tự phát chuyển hóa thành những hạt đa dạng (khối lượng và năng lượng là tương đương nhau – bạn còn nhớ công thức e = mc² chứ?). Đó là cách các nhà vật lí tại LHC (có lẽ) đã tìm thấy boson Higgs. Nếu các hạt WIMP có cùng cỡ khối lượng như các nhà lí thuyết dự đoán, thì LHC cũng sẽ tạo ra chúng. Những hạt vật chất tối như thế sẽ khó lần ra do bản chất hay lảng tránh của chúng. Chúng có xu hướng bay ngay ra khỏi detector, không nhìn thấy được, và vì thế thoạt trông sẽ biểu hiện sự thiếu hụt năng lượng trong các phản ứng LHC: Thêm một cái bóng để rượt đuổi. Tuy nhiên, nếu các hạt WIMP thật sự có mặt ở đó, thì các nhà nghiên cứu dày dạn kinh nghiệm và các máy vi tính khổng lồ sục sạo dữ liệu thu từ LHC sẽ có thể tìm thấy chúng khi cỗ máy va chạm khởi động trở lại vào năm 2015.

5. Vật chất tối là cái hoàn toàn khác với năng lượng tối. Vào năm 1998, hai đội vũ trụ học cạnh tranh nhau đều phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc. Lực gây ra sự giãn nở vũ trụ ngày nay được gọi là “năng lượng tối”, một thuật ngữ do Michael Turner tại trường Đại học Chicago đặt ra để đối ứng với vật chất tối (và thỉnh thoảng bị nhầm lẫn). Cả hai đều tối theo nghĩa là chúng không nhìn thấy được, và cả hai đều tối theo nghĩa là chúng bí ẩn. Nhưng vật chất tối có vẻ như gồm một loại hạt nào đó, và nó tác dụng một lực hút hấp dẫn có xu hướng mang vạn vật đến gần nhau: nó kết dính các thiên hà và đám thiên hà, và có thể cung cấp lực hút bổ sung cho phép những cấu trúc này được tạo ra lúc ban đầu. Mặt khác, năng lượng tối thì ít được hiểu hơn vì nó có vẻ là một dạng năng lượng thấm đẫm vào cấu trúc của không gian, và nó lực một lực đẩy – gần giống như lực phản hấp dẫn – trên những cự li thật xa. Khó hiểu hơn nữa, năng lượng tối có tương đương khối lượng (nếu bạn không nhớ công thức e = mc² thì lúc này nên nhớ lại là vừa) và khi bạn cộng gộp toàn bộ khối lượng đó, thì năng lượng tối là thành phần át trội của vũ trụ.

6. Chất liệu tối thật sự át trội. Dựa trên những quan trắc mới nhất từ đài thiên văn Planck, vũ trụ gồm 68,3% năng lượng tối, 26,8% vật chất tối, và 4,9% vật chất bình thường. Một viễn cảnh u ám: Hơn 95% vũ trụ là tối tăm và về cơ bản không thể quan sát được, phần lớn vũ trụ không bao gồm vật chất, và phần lớn vật chất không bao gồm những nguyên tử giống như những nguyên tử cấu tạo nên bạn và tôi. Bạn có thấy vô vị không?

7. Vũ trụ tối có thể có một cuộc sống của riêng nó. Hồi vài năm trước, Savas Dimopoulos thuộc trường Đại học Stanford cho rằng vật chất tối có thể tạo ra những nguyên tử tối tạo ra ngành hóa học tối của riêng chúng. Neal Weiner tại trường Đại học New York còn tiến xa hơn với việc nêu vấn đề làm thế nào người ta có thể tìm thấy một nhà khoa học giả thuyết được cấu tạo bởi vật chất tối trong vũ trụ nhìn thấy (tất nhiên vũ trụ đó là không thể nhìn thấy đối với anh ta). Câu trả lời là chuyện đó không dễ dàng gì. Và mới đây thôi, một nhóm nhà vật lí Harvard, đứng đầu là JiJi Fan và Lisa Randall, đã lí thuyết hóa rằng một vật chất tối nào đó có thể lạnh đi và co lại giống hệt như khí hydrogen bình thường hành xử, dẫn tới khả năng có những thiên hà tối, và có lẽ cả những ngôi sao tối và hành tinh tối.

Lúc này chẳng ai biết cả. Có lẽ những quan điểm này chỉ là trí tưởng tượng bay xa, nhưng chúng lại khớp với cái chúng ta đang hiểu về sự vận hành của vũ trụ. Thật vậy, chúng được hậu thuẫn bởi một số quan trắc tốt nhất hiện nay. Douglas Finkbeiner, một nhà thiên văn vật lí tại Harvard, rất hăng hái với loại nghiên cứu này. Ông nói: “Mỗi sáng mai thức dậy, mỗi người chúng ta nên nghĩ ngợi xem vật chất tối là cái gì.”

http://360.thuvienvatly.com/