Chân dung neutrino trong dải Ngân hà tiết lộ điều gì?

Dải Ngân hà của chúng ta là một hình ảnh trên bầu trời đêm khơi gợi nhiều cảm hứng cho mọi người, có thể nhìn thấy bằng mắt thường như một dải sao mờ duỗi dài từ chân trời đến chân trời.

Credit: IceCube Collaboration/Science Communication Lab for CRC 1491

Lần đầu tiên, Đài quan sát Neutrino IceCube ở Nam Cực đã tạo ra một hình ảnh về dải Ngân hà bằng các hạt neutrino – những thiên sứ thiên văn bé tí như những hạt ma.

Trong một nghiên cứu xuất bản vào ngày 29/6 trên tạp chí Science, Nhóm hợp tác IceCube – mti nhóm quốc tế với hơn 350 nhà khoa học – trình bày bằng chứng phát xạ neutrino năng lượng cao từ dải Ngân hà 1.

Chúng ta không xác định được một cách chính xác các hạt này đến từ nơi nào trong thiên hà của chúng ta nhưng kết quả của nghiên cứu này đã đưa chúng ta tới gần hơn phát hiện về một số môi trường cực đoan bậc nhất trong dải Ngân hà.

Vật lý thiên văn neutrino

Neutrino đưa ra một cái nhìn độc đáo về vũ trụ khi chúng di chuyển một cách trực tiếp từ không gian không có phóng xạ hoặc các hạt có thể vượt qua. Điều này khiến chúng vô cùng thú vị với các nhà thiên văn học, bởi vì các hạt neutrino mở ra một cánh cửa vào các môi trường cực đoan nhất vũ trụ có thể tạo ra những loại hạt khác là các tia vũ trụ.

Tia vũ trụ gồm những hạt năng lượng cao đầy rẫy trong vũ trụ của chúng ta nhưng nguồn gốc của chúng thật khó xác định. Các tia vũ trụ đều được tích điện, điều đó có nghĩa là con đường chúng đi qua không gian rất không bằng phẳng do ảnh hưởng của từ trường, và theo thời gian, khi đến trái đất, không có cách nào biết được chúng từ đâu.

Một chân dung của dải Ngân hà kết hợp ánh sáng khả kiến và phát xạ neutrino (màu xanh lam). Credit: IceCube Collaboration/US National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier)

Tuy nhiên, các môi trường này gia tốc tia vũ trụ đến những mức năng lượng ở mức cực cao đủ để tạo ra các hạt neutrino – và các hạt neutrino không mang điện tích, vì vậy chúng di chuyển theo đường thẳng, Vì vậy nếu chúng ta dò được con đường của neutrino xuống trái đất, nó sẽ chỉ ngược lại được nơi các hạt neutrino được tạo ra.

Nhưng việc dò tìm những hạt neutrino này không hề dễ dàng.

Cách nào săn được neutrino?

Đài quan sát IceCube Neutrino không xa với South Pole. Nó sử dụng hơn 5.000 cảm biến được sắp xếp trong một khối lập phương bằng băng nguyên sơ của Nam cực để tìm kiếm các tín hiệu của các hạt neutrino năng lượng cao từ trong và ngoài thiên hà của chúng ta.

Một số lượng cực lớn các hạt neutrino rơi xuống trái đất vào mọi nơi, mọi lúc nhưng chỉ một mảnh nhỏ của chúng va chạm với những thứ xuất hiện trên đường đi của chúng.

Mỗi tương tác của neutrino đều tạo ra một tia sáng mỏng manh – những tia sáng siêu nhỏ đó là những gì mà các cảm biến ở IceCube tìm kiếm. Hướng và năng lượng của hạt neutrino có thể được xác định bằng số lượng và mẫu hình của ánh sáng dò được.

IceCube trước đây đã dò được những neutrino năng lượng cao bên ngoài dải Ngân hà. Tuy nhiên vẫn còn thách thức trong việc phân lập được những hạt neutrino năng lượng thấp bên trong thiên hà của chúng ta.

Nguyên nhân bởi vì một số tia sáng mà IceCube dò được có thể truy dấu được bằng các tia vũ trụ vẫn xuyên phá bầu khí quyển trái đất, tạo ra các hạt neutrino và các hạt khác mà người ta gọi là các hạt muon. Để lọc các tia sáng này, các nhà nghiên cứu của IceCube đã phát triển những cách để phân biệt các hạt được tạo ra trong bầu khí quyển và những hạt bên ngoài do sự định hình của các mẫu hình tia sáng mà chúng tạo nên trong băng tuyết.

Với mục tiêu phải lọc ra được những dò tìm không mong muốn khiến IceCube trở nên nhạy cảm hơn với vật lý thiên văn neutrino. Đột phá cuối cùng cho phép tạo ra một hình ảnh neutrino của dải Ngân Hà với hỗ trợ của các phương pháp học máy giúp cải thiện việc xác định những dòng thác ánh sáng do các hạt neutrino tạo ra cũng như việc xác định hướng và năng lượng của chúng.

Tiến gần hơn đến các tia vũ trụ

Các kính neutrino mới nhìn vào thiên hà của chúng ta sẽ giúp tiết lộ nơi nào các máy gia tốc năng lượng cao của các tia vũ trụ tọa lạc nơi nào. Chúng ta hy vọng sẽ học hỏi cách các hạt đó có thể nhận được năng lượng như thế nào và những gì hoạt động bên trong các cỗ máy năng lượng cao của các thiên hà đó.

Năm cái nhìn vào dải Ngân hà: hai giải bên trên cho thấy rõ ánh sáng khả kiến và tia gamma trong khi ba dải bên dưới cho thấy kết quả về các hạt neutrino, cộng thêm một đo đạc các sự kiện neutrino do IceCube dò được. Nguồn: IceCube Collaboration

Tuy nhiên, chúng ta mới chỉ điểm được các máy gia tốc bên trong dải Ngân hà. Phân tích mới của IceCube đã tìm thấy bằng chứng cho các hạt neutrino từ dải khu vực bên ngoài thiên hà này nhưng chưa đủ khả năng biết được từng nguồn một.

Nhóm nghiên cứu của Jenni Adams, tại trường đại học Canterbury ở New Zealand và trường đại học Adelaide ở Australia, đã có một kế hoạch cho bước tiếp theo. Họ đang viết những mô hình dự đoán tín hiệu neutrino gần với những cỗ máy gia tốc hạt để hướng đích tìm kiếm các hạt neutrino.

Học viên cao học Rhia Hewett và nghiên cứu sinh Ryan Burley đang kiểm tra những cặp ứng viên máy gia tốc và các đám mây bụi phân tử. Họ lên kế hoạch ước tính thông lượng các hạt neutrino được sự tương tác của các tia vũ trụ trong các đám mây này tạo ra, sau khi các hạt neutrino di chuyển từ các máy gia tốc đó.

Họ sẽ sử dụng các kết quả này để cho phép một cuộc kiếm tìm tập trung vào dữ liệu IceCube về các nguồn phát xạ neutrino. Họ tin rằng điều này sẽ đem đến điểm mấu chốt để sử dụng IceCube phá vỡ các bí mật của nhưng quá trình năng lượng cao bậc nhất trong dải Ngân hà.

Thanh Hương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-06-neutrino-portrait-galaxy-reveals-high-energy.html

https://edition.cnn.com/2023/06/29/world/neutrino-portrait-milky-way-scn/index.html

———————————-

1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9818

Tác giả