Các hạt neutrino ở IceCube giúp nhìn sâu về một thiên hà hoạt động
Lần đầu tiên, một nhóm nghiên cứu quốc tế đã tìm ra bằng chứng về phát xạ các hoạt neutrino năng lượng cao từ NGC 1068, hay còn gọi là Messier 77, một thiên hà hoạt động ở chòm sao Cetus và là một trong những thiên hà thông thường nhất, được nghiên cứu nhiều nhất hiện nay. Được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1780, thiên hà này tọa lạc ở vị trí cách trái đất 47 triệu năm ánh sáng.
Kết quả này, được xuất bản vào ngày 4/11/2022, trên tạp chí Science 1, đã được chia sẻ trên một cuộc hội thảo online với sự tham gia của nhiều chuyên gia, nhà khoa học và nhà báo khắp toàn cầu.
Việc dò tìm đã được thực hiện tại Đài quan sát Neutrino IceCube, một kính thiên văn neutrino cực lớn chứa một khối băng nặng một tỉ tấn nằm ở dưới sâu 1,5 đến 2,5 ki lô mét dưới bề mặt Nam Cực gần South Pole.
Kính thiên văn độc nhất vô nhị này có nhiệm vụ khám phá những nơi xa nhất với vũ trụ chúng ta bằng việc sử dụng các hạt neutrino. Quan sát đầu tiên của nó về một nguồn neutrino vũ trụ năng lượng cao được báo cáo vào năm 2018. Nguồn này, TXS 0506+056, được biết đến như một địa điểm nằm ở rìa bờ vai trái của chòm sao Orion (Lạp Hộ, Thợ Săn) và cách chúng ta bốn tỉ năm ánh sáng.
“Một hạt neutrino có thể từ một nguồn nào đó. Nhưng chỉ khi quan sát được với rất nhiều hạt neutrino mới tiết lộ được cái lõi mơ hồ của những thiên thể giàu năng lượng bậc nhất vũ trụ”, Francis Halzen, một giáo sư vật lý của trường đại học Wisconsin–Madison và nhà nghiên cứu chính ở IceCube, nói.
Ông cho biết thêm “IceCube có khoảng 80 neutrino với năng lượng ở mức teraelectronvolt từ NGC 1068 lại không đủ để trả lời cho câu hỏi của chúng tôi nhưng chúng nhất quyết là bước quan trọng tiếp theo hướng đến sự hiện diện của thiên văn học neutrino”.
Không giống ánh sáng, các hạt neutrino có thể thoát ra với số lượng lớn từ những môi trường vô cùng đậm đặc trong vũ trụ và đến trái đất mà không bị ảnh hưởng bởi vật chất và trường điện từ xuyên qua không gian bên ngoài các thiên hà. Dù các nhà khoa học đã biết đến thiên văn học neutrino hơn 60 năm trước, sự tương tác yếu của các hạt neutrino với vật chất và bức xạ khiến cho việc dò chúng trở nên vô cùng khó. Các hạt neutrino có thể đóng vai trò chính cho những câu hỏi của chúng ta về hoạt động của những vật thể cực đoan nhất trong vũ trụ này.
“Trả lời những cây hỏi sâu rộng về vũ trụ mà chúng ta sống là một trọng tâm ban đầu của Mỹ, Quỹ Khoa học Mỹ”, Denise Caldwell, giám đốc Bộ phận Vật lý của NSF, nói.
Phía trước của IceCube Lab lúc chạng vạng, với một bầu trời sao hé lộ một cái nhìn mơ hồ về dải Ngân hà phía trên đầu và ánh sáng mặt trời còn le lói phía chân trời. Credit: Martin Wolf, IceCube/NSF
Là trường hợp giống thiên hà của chúng ta, Ngân hà, NGC 1068 là một thiên hà xoắn rời rạc với các cánh tay cong lỏng lẻo và một trung tâm nhỏ phồng ra. Tuy nhiên không như Ngân hà, NGC 1068 là một thiên hà hoạt động nơi phần lớn bức xạ không do các ngôi sao tạo ra mà do vật chất rơi vào một lỗ đen có khối lượng lớn gấp hàng triệu lần khối lượng mặt trời của chúng ta và thậm chí lớn hơn cả lỗ đen nằm im lìm ở trung tâm Ngân hà.
NGC 1068 là một thiên hà hoạt động – một dạng Seyfert II – có thể nhìn thấy từ trái đất với một góc có thể quan sát ở vùng trung tâm, nơi lỗ đen tọa lạc. Trong một thiên hà Seyfert II galaxy, một hình xuyến bụi hạt nhân làm mờ bức xạ năng lượng cao, do khí và hạt đậm đặc tạo ra, xoắn một cách chậm chạp hướng vào trung tâm của thiên hà.
“Những mô hình gần đây về các môi trường lỗ đen trong những vật thể đề xuất là khí, bụi và bức xạ phải loại các tia gamma có thể đi kèm với các hạt neutrino”, Hans Niederhausen, một postdoct ở Đại học bang Michigan và là một trong những nhà phân tích chính của công trình xuất bản trên Science, nói. “Việc dò hạt neutrino từ lõi của NGC 1068 sẽ làm gia tăng hiểu biết của chúng ta về những môi trường xung quanh các lỗ đen siêu khối lượng”.
NGC 1068 có thể trở thành tiêu chuẩn hướng tới của các đài quan sát neutrino tương lai, theo Theo Glauch, một postdoct của Đại học Kỹ thuật Munich (TUM), ở Đức và một nhà phân tích chính khác.
“Đó là một chủ đề nghiên cứu tốt cho thiên văn học, và các hạt neutrino sẽ cho phép chúng ta nhìn vào thiên hà này theo một cách hoàn toàn khác. Một góc nhìn mới dĩ nhiên sẽ mang đến những thấu hiểu mới”, Glauch nói.
Những phát hiện mới đã đem lại một cải thiện đáng kể vào nghiên cứu trước về NGC 1068 đã được xuất bản vào năm 2020, theo lời Ignacio Taboada, một giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Georgia và là phát ngôn viên của Nhóm hợp tác IceCube.
“Sở dĩ có phần cải thiện này là từ việc cập nhật các kỹ thuật hiện đại và cân chỉnh, cập nhật máy dò một cách cẩn trọng”, Taboada nói. “Phần việc của nhóm vận hành máy dò và cân chỉnh máy dò đã giúp tăng cường việc tái cấu trúc theo hướng nắm bắt các hạt neutrino tốt hơn để điểm chính xác được NGC 1068 và tăng cường được quan sát. Giải quyết được vấn đề nguồn phát neutrino này là nhờ các kỹ thuật hiện đại và tinh chỉnh những hiệu chỉnh của thiết bị, một kết quả từ sự lao động cật lực của nhóm hợp tác IceCube”.
“Đó là tin tốt cho tương lai của lĩnh vực nghiên cứu này của chúng tôi”, Marek Kowalski, một thành viên của IceCube và nhà nghiên cứu chính tại cơ sở máy gia tốc Deutsches Elektronen-Synchrotron Đức, nói. “Điều này có nghĩa là với một thế hệ mới các máy dò nhạy cảm hơn thì sẽ có nhiều cơ hội khám phá hơn. Đài quan sát IceCube-Gen2 tương lai có thể không chỉ dò được nhiều “máy gia tốc” hạt vào loại siêu cỡ như thế mà còn có thể cho phép nghiên cứu chúng ở mức năng lượng cực cao. Điều đó có thể thay ra nếu IceCube vẽ cho chúng ta một bản đồ đến kho báu”.
Với các đo đạc neutrino của TXS 0506+056 và NGC 1068, IceCube là một bước tiến gần hơn để trả lời cho câu hỏi tồn tại cả thế kỷ về nguồn gốc của tia vũ trụ. Thêm vào đó, các kết quả này gợi ý là có thể có nhiều vật thể tương tự trong vũ trụ này còn chưa được nhận biết.
“Việc mở tấm màn che vũ trụ huyền bí mới chỉ được bắt đầu, và các hạt neutrino đã được tập hợp để dẫn đến một kỷ nguyên mới của khám phá khoa học trong thiên văn học”, Elisa Resconi, một giáo sư vật lý ở TUM và là một nhà phân tích chính khác, cho biết.
“Nhiều năm trước, NSF bắt đầu một dự án đầy tham vọng để mở mang hiểu biết của chúng ta về vũ trụ này bằng việc kết hợp những năng lực trong lĩnh vực thiên văn học quang và sóng radio với những khả năng mới để dò và đo đạc các hiện tượng như neutrino và sóng hấp dẫn”, Caldwell nói.
“Việc Đài quan sát Neutrino IceCube nhận diện được một thiên hà lân cận như một nguồn vũ trụ của hạt neutrino mới chỉ là bước khởi đầu của một lĩnh vực mới và đầy thí vị, hứa hẹn những cái nhìn xuyên vào quyền lực còn chưa được khám phá của các lỗ đen siêu khối lượng và các đặc tính cơ bản khác của vũ trụ này”.
Thanh Phương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2022-11-icecube-neutrinos-glimpse-depths-galaxy.html
https://www.axios.com/2022/11/03/neutrino-supermassive-black-hole-message
—————————————————–
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg3395
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade4190
