Các tia này đi vào khí quyển Trái Đất, tạo ra ion hóa giúp hạt nhân ngưng tụ phát triển thành mây, qua đó điều chỉnh lượng bức xạ Mặt Trời phản xạ và ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ toàn cầu.

Tia vũ trụ là gì và được hình thành như thế nào

Tia vũ trụ là hiện tượng tỏa ra theo hình vòi hoa sen của các hạt năng lượng cao phóng vào khí quyển Trái Đất từ không gian. Chúng không phải là ánh sáng thường mà mắt người có thể thấy. Thành phần chủ yếu của loại hạt này đến từ hạt nhân nguyên tử hidrô, ước chiếm khoảng 87%. Tiếp đến là hạt nhân nguyên tử Heli, ước chiếm khoảng 12%. Phần còn lại bao gồm ôxy, nitơ, thiếc, côban, kiềm, cácbon, liti, bari, bo cùng một số hạt nhân khác có hàm lượng cực nhỏ.

Năng lượng bình quân của chúng lớn hơn nhiều so với photon. Tốc độ di chuyển gần bằng tốc độ ánh sáng. Mỗi giây, một hạt tia vũ trụ nguyên thuỷ xuyên qua diện tích 1cm 2 bên cạnh tầng khí quyển.

Khi va chạm với các nguyên tử trong không khí, chúng tiêu huỷ năng lượng và sinh ra tia vũ trụ thứ cấp gồm điện tích dương, photon, mezon và siêu tử. Phần lớn tia vũ trụ sơ khai được xác nhận sinh ra trong hệ Ngân Hà.

Sao nơ tron, sao biến từ có từ trường mạnh, cùng sự bùng phát của siêu tân tinh đều là nguồn sản xuất chính. Mặt trời cũng phát ra tia vũ trụ năng lượng thấp.

Cơ chế ion hóa dẫn đến ngưng tụ mây

Nghiên cứu của nhóm thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, đăng tải trên Nature Communications tháng 12 năm 2017, đã làm sáng tỏ cơ chế mà tia vũ trụ thúc đẩy quá trình ngưng tụ mây. Nguồn gốc của các ion tham gia vào phản ứng này bắt nguồn từ những vụ nổ của các ngôi sao.

Khi xâm nhập vào khí quyển, các hạt năng lượng cao này va chạm với phân tử không khí, đánh bật electron và sinh ra các ion mang điện tích dương hoặc âm. Chính những hạt tích điện này là keo dính, kéo phân tử nước cùng axit sulfuric lại gần nhau. Sự kết hợp này tạo nên các cụm phân tử bền vững, không dễ bị bay hơi, một quá trình khoa học gọi là hình thành hạt nhân ngưng tụ.

Theo thời gian, các cụm phân tử này tiếp tục thu hút thêm hơi ẩm để phát triển thành những đám mây thực sự. Mức độ ảnh hưởng của hiện tượng này chịu sự chi phối mạnh mẽ từ hoạt động từ tính của Mặt Trời. Cụ thể, khi từ trường của Mặt Trời suy giảm, hàng rào bảo vệ trở nên mỏng manh, cho phép dòng tia vũ trụ thâm nhập sâu vào bầu khí quyển Trái Đất, từ đó gia tăng số lượng mây hình thành và góp phần làm mát khí hậu.

Ngược lại, trong các giai đoạn Mặt Trời hoạt động mạnh mẽ, từ trường của nó sẽ chặn đứng phần lớn tia vũ trụ, hạn chế khả năng tạo mây. Hệ quả là lượng mây giảm đi, khiến hành tinh chúng ta hấp thụ nhiều bức xạ nhiệt trực tiếp từ Mặt Trời hơn.

Tác động đến khí hậu và thời tiết dài hạn

Cơ chế tác động của các hạt vũ trụ lên khí hậu Trái Đất được giải thích qua chu kỳ biến động của Mặt Trời. Henrik Svensmark, tác giả chính của nghiên cứu, nhấn mạnh rằng hoạt động của ngôi sao này cùng các vụ nổ siêu tân tinh đều là nguyên nhân gây ra những thay đổi về khí hậu. Đối chiếu hiện tượng này với Thời kỳ Ấm áp Trung cổ vào năm 1000 sau Công nguyên, khi hoạt động từ trường mạnh hạn chế tia vũ trụ, dẫn đến khí hậu ấm lên.

Ngược lại, giai đoạn lạnh từ thế kỷ 13 đến 19 thuộc Kỷ băng hà nhỏ cho thấy tác động tương phản. Lúc đó, từ trường Mặt Trời suy yếu tạo điều kiện cho dòng hạt vũ trụ tràn vào dày đặc, thúc đẩy hình thành nhiều mây che chắn bức xạ nhiệt.

Hệ quả là sông Thames ở Anh thường xuyên đóng băng suốt mùa đông. Hiện tượng kéo dài hàng thế kỷ này khẳng định biến động khí hậu dài hạn phụ thuộc vào khí nhà kính và chịu tác động trực tiếp từ nguồn năng lượng ngoài không gian.

Tia vũ trụ làm nhiễu máy tính lượng tử

Các nhà nghiên cứu thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Viện Khoa học Thông tin Lượng tử Bắc Kinh và Đại học Sư phạm Nam Kinh đã ghi nhận hiện tượng các hạt hạ nguyên tử từ tia vũ trụ kích hoạt lỗi đồng loạt trên nhiều qubit. Đơn vị xử lý lượng tử vốn dĩ rất nhạy cảm với nhiễu môi trường.

Họ đã giám sát chip lượng tử siêu dẫn cùng các hạt muon sinh ra từ tia vũ trụ. Hiện tượng nhảy điện tích xảy ra đồng loạt giữa các qubit khi có đột biến hạt giả.

Kết quả đo đạc chỉ ra 18,4% các đột biến được xác định là do muon và 81,6% do tia gamma. Khác với tia gamma có thể được hạn chế bằng lá chắn chì, các hạt muon từ tia vũ trụ không dễ ngăn chặn. Chúng xuyên thấu mạnh.

Để giảm thiểu khả năng gây lỗi, các kỹ sư đề xuất đưa hệ thống máy tính lượng tử xuống sâu dưới lòng đất. Nơi này hạn chế tiếp xúc trực tiếp với bức xạ không gian. Chi phí xây dựng hầm ngầm rất lớn nhưng là giải pháp vật lý khả thi nhất.

Ứng dụng tia vũ trụ trong khảo cổ học

Bên cạnh vai trò ảnh hưởng đến khí hậu, bức xạ vũ trụ còn được ứng dụng để thăm dò các công trình kiến trúc xưa. Sự kiện một tia vũ trụ cường độ cao bắn phá bầu trời Hy Lạp vào năm 5259 trước Công nguyên đã khiến hàm lượng carbon phóng xạ tăng vọt, giúp giới nghiên cứu xác định chính xác niên đại của một khu định cư cách đây 7.000 năm.

Tại Ai Cập, đội ngũ chuyên viên thuộc Bộ Cổ vật đã dùng kỹ thuật chụp cắt lớp bằng hạt muon để phát hiện một hành lang bí mật nằm ngay phía trên cửa chính của Đại Kim Tự Tháp Giza. Không chỉ vậy, phương pháp này còn có khả năng xuyên thấu lớp đá vôi dày đặc.

Nhờ đó, cấu trúc bên trong El Castillo – công trình của người Maya được xây dựng trên một hố sụt hình thành khoảng 1.200 năm trước đã được hé lộ. Tương tự, việc quét hạt vũ trụ qua Naples (Ý) đã tái tạo lại hình ảnh 3D chi tiết của một quần thể mộ cổ có tuổi đời hơn 2.000 năm.