Đột phá khoa học: Tìm thấy nguồn phát bí ẩn của "hạt ma" sau một thế kỷ dò tìm

Các nhà khoa học lần đầu tiên tìm ra nguồn phát của một hạt neutrino mang năng lượng cao, hé lộ nhiều điều về bí ẩn kéo dài một thế kỷ xung quanh loại hạt này.

Neutrino là các hạt hạ nguyên tử gần như không có điện tích, do đó nó hiếm khi tương tác với môi trường xung quanh. Trong thực tế, những hạt này hay còn được gọi là "hạt ma", liên tục chảy qua cơ thể chúng ta hàng tỷ hạt mỗi giây mà ta không hề hay biết hay cảm nhận được.

Hầu hết các hạt neutrino ở Trái Đất có nguồn gốc từ Mặt Trời, nhưng có một phần nhỏ chúng có nguồn gốc từ những nơi xa thẳm nhất trong vũ trụ. Tính khó nắm bắt vốn có của chúng khiến các nhà khoa học không thể truy tìm nguồn gốc của chúng, mãi cho đến tận hôm nay.

Đài quan sát IceCube Neutrino tại Nam Cực và một số đài quan sát khác trên khắp thế giới đã cùng nhau theo dõi một neutrino xuất phát từ một nơi xa xôi, là một thiên hà elip khổng lồ với một hố đen có khối lượng siêu lớn quay cực nhanh ở trung tâm.

Chưa dừng lại ở đó, các neutrino vũ trụ này di chuyển cùng với các tia vũ trụ - những tia được tạo thành từ các hạt mang năng lượng cao tràn vào Trái Đất liên tục. Vì thế, các máy dò không chỉ bắt được một neutrino vũ trụ, mà còn nhận được những tia vũ trụ siêu tốc.

Trở lại năm 1912, các nhà thiên văn thời đó luôn thắc mắc về các tia vũ trụ khi chúng được lần đầu tiên phát hiện vào thời điểm này. Lúc bấy giờ, những hạn chế trong kiến thức của con người về tính chất của hạt, khiến tia vũ trụ trở nên bí ẩn như bao thiên thể khác trong vũ trụ.

“Chúng tôi đã tìm kiếm nguồn phát ra các tia vũ trụ này trong suốt một thế kỷ và cuối cùng đã tìm ra”, Francis Halzen, nhà khoa học dẫn đầu nghiên cứu này tại Đài quan sát IceCube Neutrino và là giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin-Madison, cho biết.

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).

Thành quả đến từ nỗ lực của cộng đồng

Mọi chuyện bắt đầu từ IceCube, một máy dò với độ nhạy cao được chôn sâu khoảng 1,5km bên dưới các lớp băng dày đặc ở Châu Nam Cực. Hệ thống này bao gồm 86 dây cáp, mỗi sợi cáp giữ 60 module có chức năng quang học siêu nhạy, chúng dò được ánh sáng một rất nhạy.

Máy dò này được thiết kế để thu nhận ánh sáng lam đặc trưng phát ra từ một neutrino khi nó tương tác với một hạt nhân nguyên tử. Ánh sáng này có được là do một hạt thứ cấp khác được tạo ra sau tương tác. Máy dò được chôn sâu để những lớp băng bên trên ngăn các hạt không phải neutrino làm tạp nhiễm kết quả đo.

“Để nhận được tín hiệu từ một lực tương tác vô cùng nhỏ của neutrino, các nhà vật lý đã phải xây dựng một máy dò cực kỳ lớn”, tiến sĩ Susan Cartwright, nhà vật lý hạt tại Đại học Sheffield cho biết. Suốt một năm, máy dò chỉ thu nhận được vài trăm hạt neutrino, nhưng chúng rất ít khi tương tác với môi trường xung quanh.

Đo đạc được các neutrino khi chúng tương tác với xung quanh là một bước tiến gần hơn để xác định được nguồn gốc của chúng. Các nhà khoa học ví việc này khó như tìm ra một con đom đóm giữa đêm pháo hoa sáng rực rỡ.

Trước khi thực hiện phát hiện này, IceCube đã ghi nhận được các neutrino ở bên ngoài Ngân Hà. Các nhà nghiên cứu đã không xác định chính xác được nguồn gốc của chúng vào thời điểm đó.

Nhưng vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, một trong những neutrino ở xa xôi trong vũ trụ đã xuất hiện ở thiết bị dò. Chúng mang năng lượng cực kỳ cao, vào khoảng 300 teraelectron volt, gấp 50 lần so với năng lượng của proton khi đi qua máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới.

Trong vòng một phút sau khi được phát hiện, máy dò đã gửi đi một thông báo cho các nhà thiên văn trên khắp thế giới để tìm và hướng ống kính quan sát về vùng trời đó nhằm tìm kiếm các bằng chứng để xác định được nguồn gốc xuất phát của hạt neutrino này.

Gần 20 kính thiên văn ở mặt đất và trong không gian đã quét vùng trời đó bằng mọi phổ điện từ, từ sóng vô tuyến năng lượng thấp cho đến tia gamma năng lượng cao. Các quan sát này khi kết hợp lại với nhau đã bắt được nguồn gốc của neutrino bí ẩn, nguồn phát của nó được gọi là TXS 0506+056, nằm cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Lật lại hồ sơ lưu trữ, nhóm nghiên cứu ở IceCube đã tìm thấy nhiều neutrino vũ trụ khác từng được quan sát vào cuối năm 2014 và đầu năm 2015 cũng dường như xuất phát từ đó và có cùng một nguồn gốc.

“Bằng cách kết hợp tất cả các quan sát của các đài quan sát trên mặt đất và ngoài không gian, chúng ta đã có được bằng chứng đầy thuyết phục về một nguồn phát neutrino có dồi dào năng lượng, và đi kèm với nó là những tia vũ trụ năng lượng cao”, Albrecht Karle, nhà khoa học tại IceCube và là giáo sư vật lý tại Đại học UW-Madison, cho biết.

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).

Vũ trụ ngày càng đa dạng các loại thiên thể

Nguồn phát mà chúng ta vừa phát hiện được là một thiên hà siêu sáng đặc biệt đang hoạt động mạnh mẽ phóng ra ngoài đồng thời cả ánh sáng và hạt, một trong hai thứ đó nhắm trực tiếp đến Trái Đất. (Điều này giải thích tại sao chúng ta nhận được tín hiệu rất mạnh từ chúng.)

Các nhà thiên văn đã xác định được hàng ngàn nguồn phát như vậy trong vũ trụ nhưng không một nguồn phát nào trong số chúng phóng ra các neutrino như TXS 0506+056. “Đây quả là một nguồn phát đặc biệt và chúng ta có trách nhiệm phải tìm ra bí mật của nó”, Halzen cho biết thêm.

Không chỉ xác định được nguồn phát này thật sự phóng ra các neutrino, mà các nhà khoa học còn mong muốn biết được cơ chế giúp nó tăng tốc. Làm thế nào mà nguồn phát này lại phóng đồng thời cả neutrino và tia vũ trụ vào không gian với tốc độ khủng khiếp như vậy?

Halzen bày tỏ sự lạc quan về việc chúng ta sẽ tìm được câu trả lời cho các câu hỏi này trong tương lai gần. Trong tương lai, chúng ta sẽ sử dụng hai loại tín hiệu khác nhau để khám xét vũ trụ, như cách mà chúng ta đã làm trong nghiên cứu này.

Phát hiện ra neutrino cũng giúp hé lộ được các bí ẩn khác mà ta đang theo dõi. Vào tháng 10 năm 2017, các nhà nghiên cứu thông báo rằng họ đã phân tích được sự va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng bằng cách quan sát các bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn phát ra từ chúng.

“Thời đại của vật lý vũ trụ đa dạng thức là đây. Mỗi dạng thức, từ bức xạ điện từ, sóng hấp dẫn rồi giờ là neutrino, đều cho chúng ta những hiểu biết hoàn chỉnh hơn về vũ trụ và những hiểu biết mới quan trọng về các thiên thể, các sự kiện mạnh mẽ nhất trên bầu trời”, France Cordova, giám đốc của Quỹ Khoa học Quốc gia, cơ quan quản lý IceCube, cho biết.