Khi giông bão tiết lộ cho các nhà khoa học về bản chất của một trong những hiện tượng tự nhiên mạnh mẽ nhất vũ trụ.
Năm 1752, nếu Benjamin Franklin đã mở đường cho ngành điện học với thí nghiệm thả diều thu lôi thì ngày nay, đặc tính dẫn điện của mây giông lại được đo lường một cách bài bản, chính xác bởi nhóm nghiên cứu từ Ấn Độ.
Sử dụng hạt mang điện có nguồn gốc ngoài không gian, họ khám phá ra mối liên hệ mới lạ giữa các sự kiện ngoài vũ trụ và tại Trái Đất - giải đáp bí ẩn suốt 25 năm trong ngành vật lý năng lượng.
Những chú chim dưới bầu trời giông bão tại sông Platte bang Nebraska, Hoa Kỳ. (Ảnh: Randy Olson).
Từ năm 2001, các nhà vật lý ở Udagamandalam, Ấn Độ, đã sử dụng kính thiên văn GRAPES-3 dùng tia gamma để quan sát hạt hạ nguyên tử được gọi là muon. Hạt muon đổ xuống Trái Đất khi các tia từ vũ trụ xa xôi chạm vào tầng khí quyển cao của hành tinh.
Điều thú vị là GRAPES-3 phát hiện cường độ các cơn mưa hạt muon giảm nhẹ vào giữa từ tháng 4 đến tháng 6 và từ tháng 9 đến tháng 11, tại những vùng cận nhiệt đới và vào thời điểm nhiều mưa nhất.
Bão cùng sấm chớp tại Cordoba, Argentina. (Ảnh: Mario Tizon, National Geographic Your Shot).
Tóm lấy điện trời “miễn phí”
Hạt muon mang điện tích âm, có nghĩa là quỹ đạo của chúng bị biến dạng trong điện trường. Nhà vật lý năng lượng cao Sunil Gupta tại Viện nghiên cứu Cơ bản Tata ở Mumbai, Ấn Độ tự hỏi liệu có thể tận dụng đặc tính này để tính toán lượng năng lượng mà các đám mây giông chứa đựng hay không.
Trở lại năm 1929, nhà vật lý đạt giải Nobel Charles Thomson Rees Wilson đã đo điện trường bên trong một đám mây giông và bàng hoàng nhận ra nó lớn đến kinh ngạc, đến 12.700 vôn trên mỗi inch. Điều này có nghĩa rằng một cơn bão trải dài hàng cây số có thể chứa điện năng khoảng 1 gigavolt, tương đương với gần 1 tỷ viên pin AA.
Khung cảnh có một không hai giông bão giữa trời đầy sao tại Hawaii. (Ảnh: Babak Tafreshi).
Một vài nỗ lực dùng máy bay và khinh khí cầu đã tìm thấy điện thế hàng chục triệu vôn, và với cơn giông lớn nhất được ghi nhận trước đây là 130 triệu vôn. Tuy nhiên, đo điện áp trên một vật thể thường yêu cầu đặt hai dây ở hai đầu, và mây giông thì vô cùng to lớn lại còn bất định hình.
Đồng tác giả nghiên cứu Balakrishnan Hariharan đã phát minh ra mô hình xác định mức độ mạnh của điện trường để thay đổi số lượng hạt muon được phát hiện trong GRAPES-3. Sau đó, nhóm nghiên cứu có thể sử dụng kết quả quan sát để ước tính điện trường bên trong các đám mây điện tích.
Mây bão hội tụ thành đám gần giống với khói từ vụ nổ bom hạt nhân vào tháng 6 tại Bắc Kinh, Trung Quốc. (Ảnh: Li Xin, National Geographic Your Shot).
Trong số 184 cơn giông mà kính GRAPES-3 đã quan sát được trong suốt 3 năm, cơn giông ngày 1 tháng 12 năm 2014 chứa gần 1,8 gigavolt - đủ để thành phố New York sử dụng trong nửa giờ.
Từ bầu trời đến vũ trụ
Nguồn điện năng khổng lồ như vậy, thực tế con người vẫn chưa thể nào tạo ra được mà chỉ xuất hiện trên các bộ phim viễn tưởng. Ấy thế mà thiên nhiên kỳ diệu vẫn có thể thực hiện được khi đưa hàng tỷ vôn điện vào trong những con "quái vật" giông bão.
Mây giông vào ban đêm trên đảo Maui. (Ảnh: Babak Tafreshi).
Năm 1994, NASA từng cho xây dựng đài quan sát tia gamma Comptom để theo dõi loại tia sáng cực mạnh xảy ra trong các thiên hà xa xôi gọi là vụ nổ tia gamma. Những vụ nổ mang tầm vóc vũ trụ lại được ống kính phát hiện xảy ra ngay trên Trái Đất, nhưng thời điểm đó không một ai có thể đưa ra lời giải thích thỏa đáng cho sự kiện ấy.
Nguồn năng lượng khổng khi đó được giới khoa học dự đoán phát ra từ các tia sét, nhưng dữ liệu nghiên cứu ít ỏi không cho phép họ đưa ra câu trả lời đúng. Tuy nhiên, nhờ phép đo dùng hạt muon, hiện tượng nhấp nháy tia gamma của sét cùng năng lượng theo đó đã có thể được đo đạc, làm sáng tỏ một cách chính xác hơn bao giờ hết.
Toàn cảnh từ trên máy bay, mây bão trồi lên giữa Thái Bình Dương. (Ảnh: Santiago Borja, National Geographic Your Shot).
Phép đo gigavolt của GRAPES-3 minh chứng rằng những cơn bão chứa đủ năng lượng để tạo hiệu ứng bắn phản vật chất vào không gian. Gupta cho biết nhóm nghiên cứu muốn đưa một máy dò tia gamma vào các thiết bị của họ trong tương lai để giúp củng cố kết nối. Họ cũng muốn nghiên cứu điện áp trong cơn giông bị tiêu tan nhanh như thế nào qua từng đợt sét.
Tia sét phát ra bên rìa cơn lốc bão đang cuồn cuộn ở Medicine, Kansas. (Ảnh: Jim Reed).
Michael Cherry, người nghiên cứu tia vũ trụ và tia gamma năng lượng cao tại Đại học Bang Louisiana ở Baton Rouge cho biết: “Đó là một ứng dụng mà chưa ai nghĩ tới trước đây. Hầu hết các nhà nghiên cứu trong cộng đồng trước đây đã hoài nghi rằng tia vũ trụ cực mạnh có thể bị ảnh hưởng bởi tia sét bình thường. Nhưng kết quả cho thấy rằng chẳng cần đi đâu xa để nghiên cứu vì sét là một trong những máy gia tốc hạt tự nhiên mạnh nhất mà các nhà vật lý tiếp cận được”.