Khám Phá Nguồn Gốc Của Hạt Neutrino: Một Bước Tiến Lịch Sử Trong Khoa Học Vũ Trụ

Trong một bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực khoa học vũ trụ, các nhà nghiên cứu đã chính thức xác định được nguồn phát của một hạt neutrino mang năng lượng cao. Phát hiện này không chỉ mở ra cánh cửa mới cho việc khám phá những bí ẩn về loại hạt kỳ diệu này mà còn đặt dấu mốc quan trọng sau một thế kỷ tìm kiếm.

Neutrino, hay còn được gọi là “hạt ma”, là những hạt hạ nguyên tử gần như không có điện tích, điều này khiến chúng hiếm khi tương tác với môi trường xung quanh. Chúng liên tục di chuyển qua cơ thể con người mà không ai nhận ra, với hàng tỷ hạt đi qua mỗi giây mà chúng ta không hề hay biết.

Trên Trái Đất, phần lớn các hạt neutrino xuất phát từ Mặt Trời; tuy nhiên, một số ít lại có nguồn gốc từ những vùng xa xôi trong vũ trụ. Tính chất khó nắm bắt của neutrino đã khiến việc truy tìm nguồn gốc của chúng trở thành một thách thức lớn cho các nhà khoa học.

Nhờ vào Đài quan sát IceCube Neutrino tại Nam Cực và sự hỗ trợ từ nhiều đài quan sát khác trên toàn cầu, các nhà nghiên cứu đã theo dõi một hạt neutrino xuất phát từ một thiên hà elip khổng lồ với một hố đen siêu lớn đang quay nhanh ở trung tâm.

Không dừng lại ở đó, các neutrino vũ trụ này còn di chuyển cùng với các tia vũ trụ – những tia được tạo ra từ các hạt năng lượng cao mà liên tục tràn vào Trái Đất. Điều này đồng nghĩa với việc các máy dò đã không chỉ phát hiện một hạt neutrino vũ trụ, mà còn nhận được các tia vũ trụ có tốc độ cực nhanh.

Trở lại năm 1912, các nhà thiên văn đã lần đầu tiên phát hiện ra các tia vũ trụ và từ đó luôn thắc mắc về nguồn gốc cũng như tính chất của chúng. Những hạn chế trong hiểu biết của con người thời đó đã khiến các tia vũ trụ trở nên bí ẩn, giống như nhiều thiên thể khác trong không gian.

“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 tại Đài quan sát IceCube Neutrino và 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).

Nỗ Lực Từ Nhiều Đài Quan Sát

Sự phát hiện này được hỗ trợ bởi IceCube, một máy dò tiên tiến được chôn sâu khoảng 1,5 km dưới lớp băng dày tại Nam Cực. Hệ thống này bao gồm 86 dây cáp, mỗi sợi cáp giữ 60 module quang học siêu nhạy, có khả năng phát hiện ánh sáng từ một neutrino khi nó tương tác với một hạt nhân nguyên tử.

Máy dò này được thiết kế để thu nhận ánh sáng lam đặc trưng phát ra từ một neutrino khi nó tương tác với các hạt khác. Ánh sáng này được tạo ra từ một hạt thứ cấp khác, là kết quả của sự tương tác. IceCube được chôn sâu để ngăn chặn các hạt khác làm tạp nhiễm kết quả đo.

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

Việc đo đạc các neutrino trong quá trình chúng tương tác với môi trường là một tiến triển quan trọng để xác định nguồn gốc của chúng. Các nhà khoa học ví việc này giống như việc tìm kiếm một con đom đóm giữa đêm pháo hoa sáng rực.

Trước phát hiện này, IceCube đã quan sát được các neutrino từ bên ngoài Ngân Hà và không xác định được nguồn gốc của chúng.

Ngày 22 tháng 9 năm 2017, một trong những hạt neutrino từ xa đã được phát hiện bởi thiết bị dò. Những hạt này mang năng lượng cực cao, khoảng 300 teraelectron volt, gấp 50 lần năng lượng của proton khi đi qua máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới.

Ngay sau khi phát hiện, máy dò đã gửi thông báo đến các nhà thiên văn trên toàn cầu để nhanh chóng hướng kính quan sát tới khu vực bầu trời đó, nhằm tìm kiếm bằng chứng xác định nguồn gốc của hạt neutrino.

Gần 20 kính thiên văn trên mặt đất và trên không gian đã quét khu vực đó bằng mọi phổ điện từ, từ sóng vô tuyến năng lượng thấp đến tia gamma năng lượng cao. Các quan sát này kết hợp lại đã giúp xác định nguồn gốc của neutrino bí ẩn, từ một thiên hà có tên TXS 0506+056, cách Trái Đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Thêm vào đó, nhóm nghiên cứu tại IceCube cũng phát hiện ra rằng nhiều neutrino khác trước đó được quan sát vào cuối năm 2014 và đầu năm 2015 cũng có nguồn gốc từ cùng một thiên hà này.

“Nhờ việc kết hợp tất cả các quan sát từ các đài quan sát trên mặt đất và không gian, chúng ta đã có bằng chứng thuyết phục về nguồn phát neutrino có năng lượng lớn, đi kèm với đó là các tia vũ trụ năng lượng cao”, Albrecht Karle, nhà khoa học tại IceCube và 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 dưới 1,5km của các lớp băng dày tại Nam Cực. (Ảnh: IceCube/NSF).

Các Hiện Tượng Vũ Trụ Đang Được Khai Phá

Nguồn phát mà chúng ta vừa phát hiện là một thiên hà siêu sáng đặc biệt đang hoạt động mạnh, đồng thời phát ra cả ánh sáng và hạt. Một trong hai dạng đó nhắm trực tiếp đến Trái Đất, giải thích vì sao chúng ta nhận được tín hiệu mạnh từ chúng.

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

Không chỉ xác định được nguồn phát này phóng ra neutrino, mà các nhà khoa học còn muốn tìm hiểu cơ chế nào giúp nó tăng tốc. Làm thế nào mà nguồn phát này có thể phóng đồng thời cả neutrino và tia vũ trụ vào không gian với tốc độ ấn tượng?

Halzen bày tỏ sự lạc quan về việc những câu hỏi này sẽ được giải đáp trong tương lai gần. Chúng ta có thể tiếp tục sử dụng hai loại tín hiệu khác nhau để khám phá vũ trụ, giống như đã làm trong nghiên cứu này.

Phát hiện neutrino cũng mở ra những bí ẩn khác mà các nhà nghiên cứu đang theo dõi. Vào tháng 10 năm 2017, các nhà khoa học thông báo rằng họ đã phân tích được sự va chạm giữa hai sao neutron siêu nặng thông qua các bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn phát ra từ chúng.

“Thời đại của vật lý vũ trụ với đa dạng các dạng thức đã đến. Mỗi dạng thức, từ bức xạ điện từ, sóng hấp dẫn đến nay là neutrino, giúp chúng ta có cái nhìn sâu sắc hơn về vũ trụ và các hiện tượng mạnh mẽ nhất trên bầu trời,” France Cordova, giám đốc Quỹ Khoa học Quốc gia, cơ quan quản lý IceCube, cho biết.