Tia vũ trụ thiên hà là dòng hạt tích điện năng lượng cao từ sâu trong Dải Ngân hà và hiện diện rộng rãi trong không gian liên hành tinh. Từ lâu, cộng đồng khoa học thường tin rằng ở vùng không gian Trái đất-Mặt trăng cách xa ảnh hưởng của từ trường hành tinh, các tia vũ trụ của thiên hà sẽ được phân bố gần như đồng đều. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Shi Quanqi thuộc Đại học Sơn Đông đã phân tích dữ liệu quan sát liên tục trong hơn ba năm từ máy dò liều và neutron bề mặt mặt trăng gắn trên tàu đổ bộ Chang'e-4 của nước tôi. đã phát hiện ra một khu vực không gian ở phía ban ngày của quỹ đạo mặt trăng, nơi dòng tia vũ trụ năng lượng thấp của thiên hà giảm đáng kể, được gọi là "khoang tia vũ trụ".
Sự hình thành cấu trúc không gian này là do hiệu ứng điều biến của từ trường Trái đất lên đường truyền của tia vũ trụ thiên hà, cho thấy ảnh hưởng của từ trường Trái đất đến môi trường không gian có thể mở rộng đến quỹ đạo mặt trăng và thậm chí xa hơn nữa.
Khám phá này phá vỡ cách hiểu truyền thống. cung cấp cơ sở khoa học mới để hiểu cấu trúc của môi trường bức xạ trong không gian Trái đất-Mặt trăng và các chiến lược tránh bức xạ để khám phá không gian sâu trong tương lai.
Sơ đồ sự hình thành khoang tia vũ trụ thiên hà trong mặt phẳng hoàng đạo
Các quan sát truyền thống và nghiên cứu lý thuyết thường tin rằng các tia vũ trụ trong thiên hà phân bố gần như đồng đều trong không gian liên hành tinh và hiệu ứng che chắn tự nhiên thường chỉ xảy ra trong phạm vi từ trường của các thiên thể có từ tính mạnh.
Ví dụ, từ quyển được hình thành bởi từ trường toàn cầu của Trái đất có thể làm chệch hướng và chặn một số hạt tích điện một cách hiệu quả, làm giảm đáng kể mức độ bức xạ trong không gian gần Trái đất và duy trì môi trường thuận lợi cho sự sống trên bề mặt Trái đất.
Không gian Trái đất-Mặt trăng hoặc các vùng không gian liên hành tinh bên ngoài từ quyển từ lâu đã được coi là thiếu các cấu trúc che chắn bức xạ tự nhiên đáng kể.
Do đó, việc bảo vệ bức xạ khỏi các hạt năng lượng cao trong thám hiểm không gian sâu là một trong những vấn đề then chốt liên quan đến sự an toàn của phi hành gia và hoạt động đáng tin cậy của tàu vũ trụ.
Chang'e-4 đã hạ cánh thành công xuống phía bên kia của mặt trăng vào ngày 3 tháng 1 năm 2019, mở ra một kỷ nguyên mới cho hành trình khám phá phía bên kia của mặt trăng của con người.
Máy dò liều và neutron trên bề mặt mặt trăng mà nó mang theo có thể quay quanh Trái đất cùng với mặt trăng và thực hiện quan sát quét định kỳ môi trường bức xạ không gian Trái đất-mặt trăng dựa trên chu kỳ quay của mặt trăng (khoảng 28 ngày). Nhóm nghiên cứu
đã phân tích một cách có hệ thống dữ liệu quan sát liên tục trong hơn ba năm được tích lũy trong sứ mệnh và phát hiện ra rằng trong điều kiện từ trường liên hành tinh và gió mặt trời ổn định, trong phạm vi quỹ đạo trước giai đoạn mặt trăng là 12 hM (tương ứng với vị trí của trăng non), tốc độ đếm tia vũ trụ của thiên hà dải năng lượng thấp hơn đáng kể thấp hơn đáng kể so với các vùng quỹ đạo khác, tạo thành một vùng ổn định cấu trúc không gian thông lượng thấp.
Sau đó, nhóm đã xác minh chéo một cách độc lập sự tồn tại của khoang thông qua kết quả phát hiện từ Tàu quỹ đạo Trinh sát Mặt trăng của Hoa Kỳ.
Như trong hình trên, đặc điểm biến đổi của tốc độ đếm trung bình của các tia vũ trụ thiên hà ở các vị trí quỹ đạo khác nhau (từ phía buổi sáng đến phía hoàng hôn) trong điều kiện từ trường liên hành tinh và gió mặt trời ổn định. Sự giảm thông lượng tia vũ trụ của thiên hà trong kênh năng lượng thấp (9,18–34,14 MeV) là đặc biệt đáng kể và giá trị trung bình của nó trong vùng pha mặt trăng = 8–10 hM thấp hơn đáng kể so với giá trị trong pha mặt trăng = vùng 11–16 hM. Biểu đồ biểu thị thời gian lấy mẫu tích lũy trong từng khoảng pha trong điều kiện ổn định. Đường đứt nét biểu thị tốc độ đếm trung bình trong khoảng tương ứng và hình chữ nhật được tô bóng biểu thị phạm vi không chắc chắn ±1σ.
Để tiết lộ thêm về cơ chế hình thành cấu trúc không gian này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng số quỹ đạo hạt ba chiều bao gồm từ trường trái đất và nền từ trường liên hành tinh.
Kết quả mô phỏng cho thấy từ trường Trái đất có thể thay đổi đáng kể quỹ đạo lan truyền của các hạt tia vũ trụ trong thiên hà, hình thành một khu vực có mật độ hạt thấp ổn định trong một khu vực cụ thể của không gian Trái đất-Mặt trăng, tức là “khoang tia vũ trụ”.
Kết quả mô phỏng rất phù hợp với kết quả quan sát. Sự giảm dòng tia vũ trụ của thiên hà ở các khu vực cụ thể của quỹ đạo mặt trăng đã được tái tạo thành công ở cả hai dải năng lượng proton 20 MeV và 100 MeV, xác minh cơ chế vật lý mà từ trường Trái đất điều chỉnh sự lan truyền của các tia vũ trụ thiên hà ở quy mô không gian Trái đất-mặt trăng.
Nói một cách tưởng tượng, từ trường mạnh của Trái đất giống như một rạn san hô trong dòng nước, làm thay đổi chuyển động của dòng hạt tia vũ trụ truyền dọc theo từ trường liên hành tinh quy mô lớn, do đó hình thành một "khoang" ở vùng phía sau với mật độ hạt tia vũ trụ giảm.
Trong hình trên, (A) và (C) lần lượt hiển thị sự phân bố mô phỏng của tốc độ đếm chuẩn hóa của tia vũ trụ thiên hà đối với các proton 20 MeV và 100 MeV trong không gian Trái Đất-Mặt Trăng. (B) và (D) lần lượt trình bày sự thay đổi của tốc độ đếm chuẩn hóa dọc theo quỹ đạo mặt trăng với pha mặt trăng ở năng lượng tương ứng, trong đó các hình tam giác biểu thị kết quả mô phỏng và các dấu chấm biểu thị kết quả quan sát thực tế. Mô phỏng đã tái tạo thành công vùng không gian nơi dòng tia vũ trụ bị giảm trong các quan sát, từ đó xác minh sự tồn tại của cấu trúc khoang tia vũ trụ của Dải Ngân hà.
Kết quả này cho thấy từ trường Trái đất vẫn có thể điều chỉnh và ảnh hưởng đến mô hình phân bố của các hạt năng lượng cao trong không gian sâu ở quy mô không gian Trái đất-Mặt trăng ngoài phạm vi tồn tại của nó.
So với proton, các ion nặng có số điện tích cao hơn và tác dụng phá hủy sinh học mạnh hơn. Mặc dù chúng chiếm tỷ lệ tương đối nhỏ nhưng chúng là nguồn gây lo ngại về mối nguy hiểm bức xạ trong không gian sâu.
Vì bán kính hồi chuyển của các ion nặng có cùng năng lượng nhỏ hơn bán kính của proton, khiến chúng dễ bị từ trường làm lệch hướng hơn, "khoang tia vũ trụ" do từ trường Trái đất hình thành có thể có tác dụng che chắn đáng kể hơn đối với các ion nặng, điều này có ý nghĩa lớn hơn trong việc giảm bức xạ ion nặng có nguy cơ cao.
Ngoài ra, hiện tượng khoang tia vũ trụ tương tự cũng có thể tồn tại rộng rãi xung quanh các hành tinh khác có từ trường mạnh, điều này có thể cung cấp cơ sở khoa học mới và nguồn cảm hứng quan trọng cho các chiến lược tránh bức xạ cho các sứ mệnh khám phá không gian sâu và tối ưu hóa đường đi dẫn đường giữa các vì sao trong tương lai.