Bí ẩn nguồn gốc từ trường trong vũ trụ

Từ trường có mặt ở khắp nơi trong vũ trụ, nhưng từ đâu mà có những từ trường này?

Bằng cách nào mà vũ trụ có các từ trường rộng lớn như vậy là một trong những vấn đề nổi cộm nhất trong vật lý thiên văn.

Mới đây, các nhà nghiên cứu đưa ra một cách giải thích hoàn toàn mới. Họ cho rằng từ trường trong vũ trụ sinh ra từ một "cục pin bụi" khổng lồ hoạt động khi xuất hiện những ngôi sao đầu tiên.

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

Các từ trường có ở khắp nơi trong không gian bao la. Từ trường của Trái đất làm chệch hướng bức xạ vũ trụ nguy hiểm, làm rung kim la bàn và dẫn đường cho các đàn chim di cư.

Các hành tinh khác và các ngôi sao cũng có từ trường. Từ trường của sao Mộc và Mặt trời mạnh hơn từ trường Trái đất. Toàn bộ Dải Ngân Hà cũng có từ trường của nó nhưng yếu hơn của Trái đất khoảng 1 triệu lần. Tuy vậy, nó trải dài qua hàng chục nghìn năm ánh sáng, đi qua toàn bộ thiên hà.

Các nhà thiên văn học còn biết đến những từ trường lớn hơn thế, một số lớn đến mức bao phủ toàn bộ các cụm thiên hà rộng đến hàng vài triệu năm ánh sáng.

Vậy những từ trường khổng lồ này đến từ đâu? Cho dù chúng khá yếu nhưng chúng cực kỳ rộng lớn. Vì thế, dù là cái gì tạo nên chúng đi nữa thì cũng phải đến từ những nguồn năng lượng vô cùng mạnh mẽ.

Hàng chục năm qua, các nhà thiên văn học cho rằng có một số cơ chế mà đa phần dựa vào một quá trình động lực lấy các trường "hạt giống" yếu và khuếch đại chúng lên đến giá trị hiện nay.

Tuy nhiên, điều đó lại làm nảy sinh câu hỏi những trường hạt giống yếu đó từ đâu mà ra?

Mới đây, các nhà thiên văn học vừa đưa ra một cách giải thích hoàn toàn mới.

Theo kịch bản này, bối cảnh là buổi bình minh của vũ trụ, khi vũ trụ mới chỉ vài trăm triệu năm tuổi, những ngôi sao và thiên hà đầu tiên bắt đầu tỏa sáng. Sau khi những ngôi sao đầu tiên chết đi, chúng để lại một chút của các nguyên tố nặng hơn. Các nguyên tố này tìm thấy nhau trong không gian giữa các vì sao và trở thành những hạt bụi đầu tiên.

Những hạt bụi này thường mang điện tích do sự bắn phá bằng bức xạ và ma sát với nhau. Khi thế hệ các ngôi sao thứ hai bừng sáng, ánh sáng cực mạnh của chúng chiếu xuyên qua tất cả khí và bụi xung quanh.

Nếu những ngôi sao này đủ mạnh, bức xạ của chúng có thể đẩy các hạt bụi di chuyển qua phần còn lại của khí. Những hạt bụi tích điện chuyển động này sẽ tạo ra dòng điện yếu nhưng trên quy mô rộng, giống như một sợi dây đồng có chiều dài 1.000 năm ánh sáng.

Do quá trình lọc bức xạ qua khí giữa các vì sao không hoàn toàn đồng nhất nên các hạt bụi chuyển động có xu hướng kết tụ lại ở một số điểm và phân tán thưa hơn ở những điểm khác. Điều này tạo ra sự khác biệt về dòng điện từ nơi này sang nơi khác, mà thông qua các định luật điện từ thì sẽ làm phát sinh từ trường một cách tự nhiên.

Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học phát hiện ra rằng từ trường này rất yếu, chỉ bằng khoảng 1 phần tỷ cường độ từ trường Trái đất, nhưng vẫn đủ lớn để các quá trình vật lý thiên văn khác có thể bám vào trường hạt giống đó và tạo ra từ trường mà chúng ta thấy ngày nay.

Dù vậy, đây vẫn chỉ là một giả thuyết. Kết quả của giả thuyết này là một công thức mô phỏng quá trình tiến hóa của các thiên hà và từ trường của chúng. Đây là một bước quan trọng trong việc so sánh toàn bộ từ trường theo giả thuyết này với từ trường mà chúng ta thấy trong vũ trụ.

Quay ngược thời gian để xem từ trường trong vũ trụ từ đâu ra là điều không thể, nhưng chúng ta có thể sử dụng những ý tưởng và giả thuyết như thế này để dần dần tái tạo bức tranh của quá khứ, trong toàn bộ tham vọng tìm hiểu về vũ trụ mênh mông mà ngôi nhà Trái đất của chúng ta là một phần trong đó.

• Những bí ẩn vũ trụ khiến khoa học "bó tay"
• Bên ngoài vũ trụ là gì?
• Tại sao từ trường Trái đất đảo ngược?