Bức xạ vũ trụ là một trong những điều bí ẩn và quan trọng nhất mà con người luôn tìm hiểu từ không gian bao la xung quanh chúng ta. Việc hiểu rõ bức xạ vũ trụ là gì đó không chỉ mang tính học thuật mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều lĩnh vực đời sống con người.
Bức xạ vũ trụ không chỉ đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường khoảng cách giữa các thiên hà hay khám phá vũ trụ mà còn ảnh hưởng đến du hành vũ trụ, sức khỏe của phi hành gia và nghiên cứu khoa học. Việc nắm vững các chỉ số bức xạ ngoài vũ trụ như tia vũ trụ, bức xạ không gian sẽ giúp con người hiểu rõ hơn về nguyên nhân gây ra và cách phòng tránh những tác động tiêu cực của chúng.
Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về bức xạ vũ trụ là gì và các chỉ số bức xạ ngoài vũ trụ trong phần tiếp theo của bài viết để khám phá thêm về bí ẩn của vũ trụ mênh mông này.
1. Bức Xạ Vũ Trụ là gì?
Bức xạ vũ trụ (cosmic radiation) là tập hợp các hạt mang năng lượng cao từ không gian bên ngoài Trái Đất, bao gồm các hạt hạ nguyên tử như proton, hạt nhân nguyên tử, electron, và đôi khi cả photon (tia gamma). Những hạt này di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và có nguồn gốc từ nhiều hiện tượng vũ trụ khác nhau, từ các vụ nổ siêu tân tinh (supernovae), lỗ đen, sao neutron, đến các quá trình trong lõi của các thiên hà xa xôi. Bức xạ vũ trụ được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1912 bởi nhà vật lý Victor Hess, người đã đo đạc mức độ ion hóa tăng dần trong khí quyển khi bay lên độ cao bằng khinh khí cầu, từ đó chứng minh rằng có một nguồn bức xạ từ ngoài Trái Đất.
Bức xạ vũ trụ có thể được chia thành hai loại chính:
- Bức xạ vũ trụ sơ cấp (Primary Cosmic Radiation): Đây là các hạt đến trực tiếp từ không gian vũ trụ trước khi tương tác với khí quyển Trái Đất. Thành phần chủ yếu là proton (khoảng 89%), hạt nhân helium (khoảng 10%), và một lượng nhỏ các hạt nhân nặng hơn như sắt, cùng với electron và tia gamma.
- Bức xạ vũ trụ thứ cấp (Secondary Cosmic Radiation): Khi các hạt sơ cấp va chạm với các phân tử trong khí quyển, chúng tạo ra một loạt các hạt thứ cấp như pion, kaon, neutron, và muon. Đây là loại bức xạ mà chúng ta thường đo được ở bề mặt Trái Đất.
2. Nguồn gốc của bức xạ vũ trụ?
Bức xạ vũ trụ có nguồn gốc đa dạng, phản ánh sự phức tạp của vũ trụ. Dưới đây là một số nguồn chính:
- Mặt Trời: Các vụ phun trào nhật hoa (coronal mass ejections – CME) và bão mặt trời (solar flares) giải phóng các hạt năng lượng cao, được gọi là các hạt năng lượng mặt trời (Solar Energetic Particles – SEP). Những hạt này thường có năng lượng thấp hơn so với bức xạ từ ngoài Hệ Mặt Trời.
- Ngoài Hệ Mặt Trời: Các vụ nổ siêu tân tinh là nguồn chính của các tia vũ trụ năng lượng cao (Galactic Cosmic Rays – GCR). Khi một ngôi sao lớn kết thúc vòng đời trong một vụ nổ dữ dội, nó phóng thích các hạt được gia tốc bởi sóng xung kích.
- Nguồn vũ trụ xa xôi: Một số tia vũ trụ có năng lượng cực cao (Ultra-High-Energy Cosmic Rays – UHECR) đến từ ngoài thiên hà của chúng ta (Ngân Hà), có thể từ các thiên hà hoạt động (active galactic nuclei), lỗ đen siêu nặng, hoặc các sự kiện vũ trụ chưa được hiểu rõ.
3. Các chỉ số bức xạ vũ trụ
Để phân tích bức xạ vũ trụ, các nhà khoa học sử dụng nhiều chỉ số và đơn vị đo lường khác nhau, tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu (vật lý thiên văn, bảo vệ sức khỏe, hay kỹ thuật hàng không vũ trụ). Dưới đây là các chỉ số quan trọng:
– Thông lượng hạt (Particle Flux):
- Đơn vị: hạt/cm²/s/sr (số hạt trên mỗi cm vuông, mỗi giây, mỗi steradian).
- Đây là thước đo mật độ các hạt vũ trụ đi qua một diện tích nhất định trong không gian. Thông lượng thay đổi tùy thuộc vào độ cao, vĩ độ địa từ, và chu kỳ hoạt động của Mặt Trời (chu kỳ 11 năm). Ví dụ, ở độ cao 10 km (độ cao bay của máy bay thương mại), thông lượng cao hơn đáng kể so với mặt đất do ít khí quyển che chắn hơn.
– Năng lượng hạt (Energy Spectrum):
- Đơn vị: electronvolt (eV), thường từ keV (10³ eV) đến EeV (10¹⁸ eV).
- Phổ năng lượng của bức xạ vũ trụ rất rộng. Hầu hết các hạt có năng lượng từ vài MeV (10⁶ eV) đến GeV (10⁹ eV), nhưng một số ít UHECR đạt tới 10²⁰ eV – cao hơn hàng triệu lần so với năng lượng trong các máy gia tốc hạt lớn nhất của con người (như LHC).
– Liều bức xạ (Radiation Dose):
- Đơn vị: Sievert (Sv) hoặc microSievert (µSv).
- Đây là chỉ số đo lường ảnh hưởng của bức xạ đối với cơ thể con người. Ở mặt đất, liều bức xạ từ tia vũ trụ trung bình khoảng 0,3-0,4 mSv/năm, chiếm khoảng 10-15% tổng liều bức xạ tự nhiên. Tuy nhiên, ở độ cao lớn (ví dụ, phi hành gia trên Trạm Vũ trụ Quốc tế – ISS), liều này có thể lên tới 100-300 mSv/năm.
– Tỷ lệ ion hóa (Ionization Rate):
- Đơn vị: ion/cm³/s.
- Bức xạ vũ trụ ion hóa các phân tử trong khí quyển, tạo ra các cặp ion. Tỷ lệ này tăng theo độ cao và là cơ sở để Victor Hess phát hiện ra tia vũ trụ.
– Mật độ từ thông địa từ (Geomagnetic Cutoff):
- Đơn vị: GV (Gigavolt cứng – rigidity).
- Từ trường Trái Đất làm lệch hướng các hạt tích điện, tạo ra một ngưỡng năng lượng tối thiểu mà các hạt phải vượt qua để đến được bề mặt. Ngưỡng này thấp hơn ở vùng cực (nơi từ trường yếu) và cao hơn ở vùng xích đạo.
4. Bức Xạ Ngoài Vũ Trụ Bao Nhiêu Là Nguy Hiểm?
Bức xạ vũ trụ được đo bằng liều bức xạ, thường sử dụng đơn vị Sievert (Sv) hoặc các đơn vị nhỏ hơn như milliSievert (mSv) (1 mSv = 10⁻³ Sv) và microSievert (µSv) (1 µSv = 10⁻⁶ Sv). Liều bức xạ biểu thị mức năng lượng mà cơ thể hấp thụ từ bức xạ ion hóa, có tính đến khả năng gây tổn thương sinh học của các loại hạt khác nhau (proton, neutron, tia gamma, v.v.).
Ngoài ra, các yếu tố như độ cao, từ trường Trái Đất, và hoạt động của Mặt Trời ảnh hưởng đến mức bức xạ mà một người có thể tiếp xúc. Mức bức xạ vũ trụ trong các bối cảnh khác nhau:
– Trên bề mặt Trái Đất:
- Liều trung bình từ bức xạ vũ trụ: 0,3-0,4 mSv/năm.
- Đây là mức rất thấp, chiếm khoảng 10-15% tổng liều bức xạ tự nhiên (bao gồm cả bức xạ từ đất, radon, v.v., trung bình khoảng 2,4 mSv/năm theo UNSCEAR). Ở mức này, bức xạ vũ trụ không gây nguy hiểm.
– Trên máy bay (độ cao 10-12 km):
- Liều trung bình: 2-5 µSv/giờ (tùy thuộc vào vĩ độ và chu kỳ Mặt Trời).
- Với một chuyến bay dài 10 tiếng, liều bức xạ khoảng 20-50 µSv, tương đương với một lần chụp X-quang ngực (khoảng 20 µSv). Phi hành đoàn bay thường xuyên có thể nhận 1-5 mSv/năm, vẫn nằm trong giới hạn an toàn cho dân thường (dưới 20 mSv/năm theo ICRP).
– Ngoài không gian (ví dụ: Trạm Vũ trụ Quốc tế – ISS):
- Liều trung bình: 0,5-1 mSv/ngày, tương đương 150-300 mSv/năm.
- Trong các sự kiện bão Mặt Trời (solar flares), liều có thể tăng đột biến lên vài mSv trong vài giờ.
– Hành trình đến sao Hỏa:
- Ước tính liều: 600-1000 mSv cho một chuyến đi khứ hồi kéo dài 2-3 năm (theo NASA).
- Đây là mức rất cao, vượt xa ngưỡng an toàn cho phi hành gia.
* Ngưỡng nguy hiểm của bức xạ vũ trụ:
Ngưỡng nguy hiểm phụ thuộc vào liều bức xạ tích lũy và thời gian tiếp xúc. Các tổ chức như Ủy ban Quốc tế về Bảo vệ Chống Bức xạ (ICRP) và NASA đưa ra các tiêu chuẩn sau:
– Ngưỡng an toàn cho dân thường:
- 1 mSv/năm: Giới hạn khuyến nghị cho công chúng (ngoài bức xạ tự nhiên).
- 20 mSv/năm: Giới hạn tối đa cho người lao động tiếp xúc nghề nghiệp (như phi công, phi hành gia).
– Ngưỡng nguy cơ sức khỏe rõ ràng:
- 100 mSv (tích lũy trong đời): Theo ICRP, ở mức này, nguy cơ ung thư tăng khoảng 0,5% so với tỷ lệ thông thường. Đây là ngưỡng mà các tác động lâu dài bắt đầu đáng chú ý.
- 500 mSv (liều cấp tính, trong thời gian ngắn): Gây tổn thương tức thì như giảm tế bào máu, buồn nôn (hội chứng bức xạ cấp tính – ARS).
- 1000 mSv (1 Sv, liều cấp tính): Gây nguy cơ tử vong nếu không được điều trị.
– Ngưỡng cho phi hành gia:
- NASA đặt giới hạn liều tích lũy trong sự nghiệp là 1000 mSv, nhưng cố gắng giữ dưới 600 mSv để giảm nguy cơ ung thư xuống dưới 3% (so với tỷ lệ tự nhiên).
Ở Trái Đất bức xạ vũ trụ ở bề mặt không nguy hiểm vì khí quyển và từ trường Trái Đất hấp thụ phần lớn các hạt năng lượng cao. Chỉ trong trường hợp cực hiếm như một vụ nổ tia gamma (gamma-ray burst) gần Trái Đất, liều bức xạ có thể tăng đột biến, nhưng xác suất này rất thấp.
Còn ở trên máy bay: Với người bay thường xuyên (phi công, tiếp viên), liều tích lũy có thể lên tới 5 mSv/năm, vẫn dưới ngưỡng nguy hiểm tức thì. Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy nguy cơ ung thư da hoặc bạch cầu tăng nhẹ (dưới 1%) sau vài thập kỷ làm việc.
Ở Ngoài không gian: Ở độ cao quỹ đạo thấp (như ISS), liều hàng năm 150-300 mSv đã vượt xa mức an toàn cho dân thường, nhưng phi hành gia được huấn luyện và giám sát y tế chặt chẽ. Các sự kiện bão Mặt Trời có thể đẩy liều lên mức nguy hiểm tức thì nếu không có biện pháp che chắn. Trong các sứ mệnh dài ngày (như đến sao Hỏa), liều 600-1000 mSv vượt quá ngưỡng an toàn của NASA, làm tăng nguy cơ ung thư, tổn thương thần kinh, và suy giảm miễn dịch. Đây là rủi ro lớn nhất cho du hành vũ trụ sâu.
5. Câu hỏi thường gặp?
– Ai phát hiện ra bức xạ vũ trụ?
- Trả lời: Nhà vật lý người Áo Victor Hess phát hiện ra bức xạ vũ trụ vào năm 1912, khi ông đo thấy mức độ ion hóa tăng theo độ cao trong các chuyến bay bằng khinh khí cầu. Ông nhận giải Nobel Vật lý năm 1936 vì khám phá này.
– Bức xạ vũ trụ có ảnh hưởng đến thời tiết không?
Trả lời: Có giả thuyết rằng tia vũ trụ có thể thúc đẩy hình thành mây bằng cách ion hóa các hạt aerosol trong khí quyển, ảnh hưởng đến khí hậu. Tuy nhiên, mối liên hệ này vẫn đang được nghiên cứu và còn gây tranh cãi.
– Bức xạ vũ trụ có thể phá hỏng thiết bị điện tử không?
Trả lời: Có, các hạt năng lượng cao có thể gây ra “sự kiện hạt đơn” (single event upsets), làm hỏng hoặc thay đổi dữ liệu trong vi mạch của vệ tinh, tàu vũ trụ, hoặc thậm chí máy tính trên máy bay.
– Liệu bức xạ vũ trụ có thể được sử dụng để tạo năng lượng không?
Trả lời: Hiện tại, không khả thi vì mật độ hạt quá thấp và năng lượng phân bố không đồng đều. Tuy nhiên, nó là nguồn cảm hứng cho nghiên cứu vật lý hạt và vũ trụ học.
– Tại sao chúng ta nghiên cứu bức xạ vũ trụ?
Trả lời: Nó giúp hiểu về nguồn gốc vũ trụ, quá trình hình thành ngôi sao, và các hiện tượng năng lượng cao. Ngoài ra, nghiên cứu này hỗ trợ phát triển công nghệ bảo vệ cho du hành vũ trụ và hàng không.
Leave a Reply