Khám Phá Nguồn Gốc Của Những Hạt Neutrino Bí Ẩn Trong Vũ Trụ

Hành trình khám phá những hạt neutrino, được mệnh danh là “hạt ma”, đã mang đến những thông tin đầy thú vị về một nguồn phát bí ẩn, làm sáng tỏ nhiều điều trong suốt một thế kỷ qua.

Neutrino là những hạt nhỏ bé, gần như không có điện tích, khiến chúng rất khó bị phát hiện và hiếm khi tương tác với các vật chất xung quanh. Chúng liên tục di chuyển qua cơ thể con người, mà chúng ta không hề nhận thấy.

Phần lớn các hạt neutrino tại Trái Đất xuất phát từ ánh sáng Mặt Trời, tuy nhiên, một số ít lại có nguồn gốc từ những thiên hà xa xôi trong vũ trụ. Việc truy tìm nguồn gốc chính xác của chúng là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học cho đến thời điểm hiện tại.

Đài quan sát IceCube Neutrino ở Nam Cực, cùng với nhiều đài quan sát khác, đã theo dõi một neutrino xuất phát từ một thiên hà elip khổng lồ, nơi có một hố đen siêu lớn quay nhanh ở trung tâm.

Đáng chú ý, các neutrino vũ trụ này thường đồng hành với các tia vũ trụ, tạo thành từ những hạt năng lượng cao đang hướng về Trái Đất. Những máy dò đã không chỉ phát hiện một neutrino, mà còn ghi nhận các tia vũ trụ cực mạnh.

Khi các nhà thiên văn phát hiện ra tia vũ trụ lần đầu tiên vào năm 1912, họ đã đặt ra nhiều câu hỏi về nguồn gốc của chúng. Với những kiến thức hạn chế lúc đó, tia vũ trụ trở thành một bí ẩn khó giải thích trong vô vàn hiện tượng vũ trụ.

“Chúng tôi đã tìm kiếm nguồn gốc của các tia vũ trụ này suốt một thế kỷ, và cuối cùng đã tìm thấy”, Francis Halzen, nhà khoa học đứng đầu nghiên cứu tại IceCube và giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin-Madison, chia sẻ.

Hình ảnh mô phỏng về nguồn phát phát ra neutrino cùng với các tia vũ trụ mạnh mẽ. Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm thiên hà đã phóng ra dòng chảy vật chất mạnh mẽ hướng về không gian. (Ảnh: DESY, Science Communication Lab).

Cộng Đồng Khoa Học: Nỗ Lực Đồng Điệu

Bắt nguồn từ việc lắp đặt IceCube, một máy dò siêu nhạy, được chôn sâu khoảng 1,5km dưới lớp băng ở Nam Cực. Hệ thống này bao gồm 86 dây cáp, mỗi cáp chứa 60 module quang học nhạy bén có khả năng phát hiện ánh sáng đặc trưng do neutrino phát ra khi tương tác với hạt nhân nguyên tử.

Máy dò được thiết kế nhằm nhận diện ánh sáng xanh phát ra từ neutrino, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự tương tác của chúng. Lớp băng dày phía trên giúp lọc ra các hạt không phải neutrino, đảm bảo độ chính xác cho những đo đạc.

“Để thu nhận tín hiệu từ các tương tác yếu của neutrino, các nhà vật lý đã thiết kế một máy dò có quy mô khổng lồ”, tiến sĩ Susan Cartwright, nhà vật lý hạt tại Đại học Sheffield, cho biết. Trong suốt một năm, máy dò này chỉ ghi nhận được vài trăm neutrino, điều này cho thấy mức độ khó khăn trong việc phát hiện chúng.

Việc đo đạc các neutrino khi chúng tương tác với môi trường xung quanh là bước tiến quan trọng trong việc xác định nguồn gốc của chúng. Hình dung việc này khó khăn như việc tìm kiếm một con đom đóm giữa bầu trời rực rỡ pháo hoa.

Trước phát hiện gần đây, IceCube đã ghi nhận neutrino từ bên ngoài Ngân Hà, nhưng chưa thể xác định được nguồn gốc rõ ràng. Vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, một neutrino từ xa đã được phát hiện, mang năng lượng cực lớn lên tới 300 teraelectron volt, gấp 50 lần so với năng lượng của proton tại máy gia tốc hạt lớn nhất.

Sau khi phát hiện được neutrino này, máy dò ngay lập tức gửi thông báo đến các nhà thiên văn khắp nơi, yêu cầu hướng ống kính quan sát đến vị trí đó để tìm kiếm nguồn gốc của hạt neutrino.

Gần 20 kính thiên văn, cả trên mặt đất và trong vũ trụ, đã đồng loạt quan sát khu vực này qua nhiều phổ điện từ khác nhau, từ sóng vô tuyến cho đến tia gamma. Qua sự kết hợp dữ liệu, nguồn gốc của neutrino được xác định là TXS 0506+056, cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Các nghiên cứu trước đó đã phát hiện nhiều neutrino vũ trụ khác vào cuối năm 2014 và đầu 2015 cũng có nguồn gốc từ thiên hà này.

“Chúng ta đã có bằng chứng thuyết phục về một nguồn phát neutrino mạnh mẽ và các tia vũ trụ cao năng lượng”, Albrecht Karle, nhà khoa học tại IceCube, cho biết.

Hình ảnh mô phỏng của IceCube, nơi quan sát neutrino dưới lớp băng dày tại Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF).

Vũ Trụ: Nơi Tích Tụ Các Nguồn Phát Đặc Biệt

Chúng ta đã xác định được nguồn phát mới là một thiên hà đặc biệt, nổi bật với việc phóng ra đồng thời ánh sáng và hạt về hướng Trái Đất. Sự đặc biệt này giải thích cho tín hiệu mạnh mà chúng ta nhận được từ nguồn phát này.

Đã có hàng ngàn nguồn phát được phát hiện trong vũ trụ, nhưng không có nguồn nào khác được biết đến có khả năng phát ra các neutrino giống như TXS 0506+056. “Đây là một nguồn phát đặc biệt mà chúng ta cần phải tìm ra các bí mật của nó”, Halzen cho hay.

Không những xác định được nguồn phát này phóng ra neutrino, các nhà khoa học còn đang nghiên cứu cách thức mà nguồn phát này có thể tăng tốc. Làm thế nào mà nguồn phát này lại cùng lúc phóng ra cả neutrino và tia vũ trụ với năng lượng khủng khiếp như vậy?

Halzen lạc quan rằng trong tương lai, chúng ta sẽ tìm ra câu trả lời cho những câu hỏi này bằng cách sử dụng 2 loại tín hiệu khác nhau để nghiên cứu vũ trụ.

Việc phát hiện ra neutrino cũng mở ra những bí ẩn khác mà các nhà khoa học đang nghiên cứu. Vào tháng 10 năm 2017, họ đã công bố đã phân tích thành công sự va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng thông qua việc quan sát các bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn phát sinh từ sự kiện này.

“Thời đại của vật lý vũ trụ đa dạng thức đã đến. Mỗi dạng thức, từ bức xạ điện từ, sóng hấp dẫn đến neutrino, đều cung cấp cho chúng ta những hiểu biết hoàn chỉnh hơn về vũ trụ và các sự kiện mạnh mẽ nhất trên bầu trời”, France Cordova, giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia, quản lý IceCube, cho hay.