Khám Phá Nguồn Gốc Bí Ẩn Của Hạt Neutrino Sau Một Thế Kỷ Tìm Kiếm

Trong một bước tiến đáng kể của khoa học, các nghiên cứu gần đây đã xác định được nguồn gốc của một hạt neutrino mang năng lượng cao, mở ra cánh cửa cho những hiểu biết mới mẻ về loại hạt kỳ lạ này. Hạt neutrino, thường được mệnh danh là “hạt ma”, có một đặc điểm riêng: chúng có khả năng tương tác rất thấp với vật chất xung quanh, làm cho chúng gần như không thể được phát hiện trong tự nhiên.

Mặc dù phần lớn hạt neutrino trên Trái Đất có nguồn gốc từ Mặt Trời, một số ít trong số chúng lại đến từ những khoảng cách xa xôi nhất trong vũ trụ. Tính chất “khó nắm bắt” của neutrino đã khiến cho việc xác định nguồn gốc của chúng trở nên phức tạp, cho đến thời điểm gần đây.

Các nhà nghiên cứu từ Đài quan sát IceCube Neutrino tại Nam Cực, cùng với sự hỗ trợ của nhiều đài quan sát khác trên toàn cầu, đã phát hiện một neutrino đến từ một thiên hà elip to lớn có một hố đen siêu khối lượng đang hoạt động mạnh mẽ ở trung tâm.

Điều đặc biệt là, các neutrino này không đơn độc; chúng thường di chuyển cùng với các tia vũ trụ – những hạt năng lượng cao liên tục hướng đến Trái Đất. Do đó, hệ thống dò của IceCube không chỉ tiếp nhận neutrino mà còn ghi nhận được cả các tia vũ trụ.

Hành trình khám phá này bắt đầu từ năm 1912, khi các nhà thiên văn lần đầu tiên phát hiện ra tia vũ trụ. Từ đó, nhiều câu hỏi được đặt ra về nguồn gốc và tính chất của chúng, nhưng mãi cho đến nay, với công nghệ mới và nỗ lực không ngừng của các nhà khoa học, câu trả lời đã bắt đầu rõ ràng hơn.

“Chúng tôi đã tìm kiếm nguồn gốc của những tia vũ trụ này trong suốt một thế kỷ và cuối cùng đã tìm ra”, ông Francis Halzen, nhà khoa học đứng đầu nghiên cứu tại IceCube, chia sẻ.

Đồ họa mô phỏng về nguồn phát vừa phóng ra neutrino đồng thời với tia vũ trụ với tốc độ nhanh khủng khiếp. Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của đĩa bồi đắp thiên hà sẽ phóng ra dòng vật chất mạnh mẽ vào không gian và vuông góc với đĩa thiên hà. (Ảnh: DESY, Science Communication Lab).

Kết Quả Từ Sự Hợp Tác Toàn Cầu

Đài quan sát IceCube, với công nghệ hiện đại, được chôn sâu dưới lớp băng Nam Cực, đã sử dụng hàng trăm dây cáp để ghi nhận ánh sáng phát ra từ các hạt neutrino. Việc này thực sự là một thách thức, bởi vì để phát hiện được ánh sáng cực yếu từ một neutrino cần phải có thiết bị cực kỳ nhạy.

Trải qua một năm hoạt động, máy dò này chỉ thu được một số lượng nhỏ neutrino, nhưng mỗi hạt đều mang theo thông tin quý giá về nguồn gốc của chúng. Cái khó ở đây là việc nhận diện các neutrino khi chúng tương tác với vật chất, tương tự như việc tìm một đom đóm giữa một bầu trời có pháo hoa.

IceCube đã ghi nhận được các neutrino từ bên ngoài Ngân Hà, nhưng mãi đến ngày 22 tháng 9 năm 2017, một neutrino năng lượng cực cao đã xuất hiện trên thiết bị dò. Năng lượng của nó gấp 50 lần năng lượng của proton trong các máy gia tốc hạt lớn.

Sau khi phát hiện, thông tin ngay lập tức được gửi đến các nhà thiên văn học trên toàn thế giới, kêu gọi họ hướng kính thiên văn của mình về khu vực đó để tìm kiếm các dấu hiệu khác có thể xác nhận nguồn gốc của neutrino này.

Hơn 20 kính thiên văn đã cùng nhau quét bầu trời, và cuối cùng tìm thấy nguồn gốc của hạt neutrino này, được gọi là TXS 0506+056, cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Nhóm nghiên cứu tại IceCube không chỉ tìm thấy nguồn phát mà còn nhận thấy rằng nhiều neutrino khác quan sát được trước đó cũng có nguồn gốc từ cùng một thiên hà.

“Bằng cách phối hợp giữa các quan sát từ nhiều đài quan sát, chúng ta đã có được bằng chứng mạnh mẽ cho một nguồn phát neutrino có năng lượng dồi dào, đi kèm với các tia vũ trụ mạnh”, Albrecht Karle, một nhà khoa học tại IceCube, chia sẻ.

Đồ họa mô phỏng được vẽ lại dựa trên hình ảnh thật của IceCube, trạm quan sát các neutrino đặt bên dưới 1,5km của các lớp băng dày tại Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF).

Sự Đa Dạng Trong Vũ Trụ

Nguồn phát mà các nhà khoa học vừa phát hiện là một thiên hà siêu sáng đang hoạt động mạnh, phát ra đồng thời cả ánh sáng và các hạt, bao gồm neutrino và tia vũ trụ. Điều này lý giải lý do tại sao tín hiệu mà chúng ta nhận được từ đó lại mạnh mẽ đến vậy.

Dù đã xác định được nhiều nguồn phát trong vũ trụ, nhưng không có nguồn nào phát ra neutrino giống như TXS 0506+056. “Đây thực sự là một nguồn phát đặc biệt, và chúng tôi có trách nhiệm tìm ra những bí mật của nó”, Halzen nói thêm.

Các nhà khoa học không chỉ muốn biết nguồn phát này tạo ra neutrino bằng cách nào, mà còn muốn khám phá những cơ chế giúp nó tăng tốc hạt một cách kỳ diệu. Sự tìm kiếm này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều điều bất ngờ cho tương lai gần.

Phát hiện neutrino cũng giúp làm sáng tỏ nhiều bí ẩn khác trong vũ trụ. Vào tháng 10 năm 2017, các nhà nghiên cứu đã xác nhận sự va chạm giữa hai sao neutron bằng các quan sát sóng hấp dẫn và bức xạ điện từ. Các nghiên cứu này mở ra một kỷ nguyên mới trong vật lý vũ trụ, nơi chúng ta có thể sử dụng nhiều dạng tín hiệu khác nhau để hiểu rõ hơn về thế giới xung quanh.

“Đây là thời đại của vật lý vũ trụ đa dạng thức. Mỗi dạng thức, từ bức xạ điện từ đến sóng hấp dẫn và neutrino, đều mang lại cho chúng ta cái nhìn sâu sắc hơn về vũ trụ và các sự kiện mạnh mẽ diễn ra trên bầu trời”, France Cordova, giám đốc của Quỹ Khoa học Quốc gia, đã nhấn mạnh.