Nguồn gốc bí ẩn của các từ trường khổng lồ trong vũ trụ

Ai quan sát bầu trời cũng từng nghe rằng từ trường tồn tại khắp nơi — từ trường Trái Đất, từ trường Mặt Trời, cho đến trường trải dài trong toàn bộ thiên hà. Nhưng một câu hỏi khó hiểu vẫn còn đó: thứ gì đã sinh ra những từ trường lan tỏa trên quy mô khổng lồ như vậy?

Tại sao vấn đề đáng quan tâm?

Các từ trường ảnh hưởng mạnh đến cách vật chất chuyển động trong vũ trụ: chúng làm thay đổi quỹ đạo các hạt tích điện, điều hướng bức xạ, và tham gia vào quá trình hình thành cấu trúc thiên hà. Có những từ trường rất yếu trên mỗi đơn vị thể tích nhưng lại trải dài qua hàng chục nghìn đến hàng triệu năm ánh sáng — điều này đặt ra một nghịch lý: làm sao một hiện tượng có cường độ nhỏ có thể tồn tại trên quy mô lớn như vậy?

Những thực thể có từ trường và tính khác biệt về cường độ

Từ trường có mặt ở nhiều lớp cấu trúc khác nhau trong vũ trụ. Tại quy mô hành tinh, từ trường Trái Đất đủ mạnh để làm lệch các hạt bức xạ vũ trụ và giúp kim la bàn hướng bắc. Các hành tinh khác và các ngôi sao như Mặt Trời hay sao Mộc sở hữu field mạnh hơn Trái Đất. Ở quy mô thiên hà, Dải Ngân Hà cũng có từ trường nhưng yếu hơn nhiều so với trường Trái Đất — dù vậy nó kéo dài qua cả thiên hà. Xa hơn nữa, các nhà thiên văn còn quan sát được từ trường liên quan tới cụm thiên hà mở rộng hàng triệu năm ánh sáng.

Thách thức của giả thuyết khuếch đại

Một cách tiếp cận phổ biến trong nhiều thập kỷ là giả thiết có các cơ chế khuếch đại: những trường rất yếu ban đầu (“trường hạt giống”) bị kéo lớn lên bởi các quá trình động lực để tạo ra từ trường quan sát được hôm nay. Nhưng phương án này vẫn đặt ra câu hỏi gốc: những trường hạt giống yếu ấy bắt nguồn từ đâu?

Một kịch bản mới: ‘cục pin bụi’ vào thời bình minh vũ trụ

Một đề xuất gần đây chuyển trọng tâm về thời kỳ sớm của vũ trụ, khi những ngôi sao đầu tiên bắt đầu xuất hiện. Sau khi các thế hệ sao này kết thúc, chúng để lại một phần nguyên tố nặng; các nguyên tố đó tạo thành những hạt bụi đầu tiên trong môi trường giữa các vì sao. Những hạt bụi này thường mang điện tích do bị ion hóa bởi bức xạ và qua va chạm—và khi ánh sáng mạnh từ thế hệ sao tiếp theo chiếu lên chúng, lực bức xạ có thể đẩy những hạt bụi tích điện di chuyển qua khí xung quanh.

Khi một đám hạt bụi tích điện chuyển động trên quy mô lớn, chúng tương đương với một dòng điện yếu trải dài qua không gian — giống như một dây dẫn cực dài nối giữa các vùng. Do sự không đồng nhất trong cách bức xạ lọc qua đám khí và bụi, các hạt tích điện không phân bố đồng đều: có nơi chúng tích tụ, nơi khác thưa thớt. Sự khác biệt này dẫn tới chênh lệch dòng điện trong môi trường rộng lớn và, theo định luật điện từ, sẽ sinh ra từ trường.

Hình vẽ từ trường của một hạt muon (Ảnh: Newton Henry Black/ Wikimedia commons).

Đặc điểm của trường sinh ra từ pin bụi

Theo mô tả trong kịch bản này, các từ trường khởi tạo ra bởi quá trình di chuyển của hạt bụi tích điện rất yếu nếu so sánh với từ trường của hành tinh như Trái Đất; cường độ của trường hạt giống này chỉ nằm ở mức rất nhỏ so với từ trường Trái Đất, nhưng vẫn đủ làm nền tảng cho các cơ chế vật lý thiên văn khác bám vào và khuếch đại lên sau đó.

Ý nghĩa của một trường hạt giống yếu

Dù bản thân những trường ban đầu có cường độ nhỏ, sự tồn tại của chúng giải quyết phần nào nút thắt về nguồn gốc: nếu có những trường sơ khai được sinh ra sớm và phổ rộng, các quá trình khuếch đại về sau (ví dụ cơ chế động lực trong thiên hà) có thể làm lớn theo thời gian để tạo ra các từ trường quan sát được hiện nay. Ngoài ra, mô phỏng dựa trên giả thuyết này cung cấp bảng đối chiếu để so sánh với dữ liệu quan sát — một bước cần thiết để kiểm chứng lý thuyết.

Giới hạn và tính chưa chắc chắn

Cần nhấn mạnh rằng kịch bản “pin bụi” vẫn ở dạng giả thuyết. Nó đưa ra một công thức mô phỏng tiến hoá của các thiên hà và từ trường, nhưng mô phỏng đó phải được đối chiếu chặt chẽ với nhiều quan sát hơn trước khi có thể xem là lời giải đầy đủ. Nói cách khác, lý thuyết này mở ra hướng giải thích hợp lý cho nguồn gốc trường hạt giống nhưng không loại trừ các cơ chế khác có thể cùng vận hành trong lịch sử vũ trụ.

Tại sao không thể trực tiếp quan sát quá khứ sâu thẳm?

Chúng ta không thể thực hiện thí nghiệm quay ngược thời gian. Thay vào đó, các nhà khoa học tổng hợp lý thuyết, mô phỏng, và dữ liệu quan sát hiện tại để dần tái tạo lại bức tranh quá khứ. Mỗi giả thuyết đều phải chịu thử thách bằng việc so sánh dự đoán của nó với các quan sát về cấu trúc, thành phần và từ trường tại nhiều quy mô khác nhau trong vũ trụ.

Kết luận: một bước nữa trong nỗ lực giải mã

Đề xuất rằng dòng điện do hạt bụi tích điện tạo ra vào thời kỳ hình thành sao đầu tiên có thể sinh ra các trường hạt giống là một ý tưởng đáng chú ý, vì nó kết nối những quá trình vi mô (ion hoá, bức xạ, chuyển động của bụi) với các cấu trúc từ trường ở quy mô cực lớn. Mặc dù vẫn cần thêm kiểm chứng và so sánh mô phỏng với quan sát, mô hình này giúp lấp phần nào khoảng trống trong câu hỏi lớn: từ đâu các từ trường vũ trụ bắt nguồn?

Câu hỏi thường gặp

Từ trường vũ trụ có quan trọng đến mức nào?

Từ trường điều chỉnh chuyển động của các hạt tích điện, ảnh hưởng tới quá trình hình thành sao và tiến hoá thiên hà; vì vậy chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều hiện tượng thiên văn.

Làm thế nào để một trường rất yếu trở thành trường quan sát được?

Các cơ chế khuếch đại vật lý, như các quá trình động lực trong vật chất plasma của thiên hà, có thể lấy các trường sơ khai rất yếu và làm tăng cường chúng theo thời gian, biến các hạt giống thành cấu trúc quan sát được ngày nay.

Giả thuyết pin bụi có loại trừ những nguồn khác không?

Không. Đây là một khả năng hợp lý cho nguồn gốc trường hạt giống, song các nguồn và cơ chế khác vẫn có thể cùng đóng góp. Việc xác định tỷ lệ đóng góp của từng cơ chế đòi hỏi nhiều nghiên cứu hơn.

Để tiếp tục tìm hiểu chủ đề liên quan đến khoáng vật và đá quý hiếm có trong tự nhiên, bạn có thể đọc thêm bài viết hành trình khám phá 12 viên ngọc hiếm nhất và nguồn cội giá trị của chúng — bài viết này trình bày đặc điểm khiến mỗi viên trở nên quý giá cùng nơi phát hiện nổi bật.

Nếu bạn quan tâm đến hành vi con người và nguyên nhân khiến một số thói quen gây hại khó thay đổi, hãy tham khảo phân tích chuyên sâu tại mười hành vi gây tổn hại thường gặp và lý do khó từ bỏ, nội dung giúp hiểu cơ chế hình thành và cách tiếp cận để thay đổi.

Với những ai yêu thích văn hóa cổ đại và muốn đọc một phân tích cân nhắc giữa huyền thoại và mô tả địa lý, bài Sơn Hải Kinh: phân tích giữa truyền thuyết và quan sát địa lý đem đến góc nhìn phê phán và giá trị văn hoá của tác phẩm này.