Hạt hạ nguyên tử rọi sáng nguồn gốc bí ẩn của tia vũ trụ
Một hạt hạ nguyên tử do South Pole dò được vào tháng 9/2017 đang giúp các nhà khoa học giải quyết một bí ẩn vũ trụ: cái gì đem lại điện tích cho các tia vũ trụ, vốn được tạo ra từ những hạt nhiều năng lượng bậc nhất trong tự nhiên.
Phòng thí nghiệm IceCube tại Nam Cực. Nguồn: Nature
Các nhà nghiên cứu ở hơn 10 đài quan sát đã thực hiện nhiều nghiên cứu sau sự kiện này. Kết quả cho thấy, lần đầu tiên họ thấy một thiên hà xa xôi là nơi xuất phát của các hạt neutrino năng lượng cao. Khám phá này có thể giúp các nhà khoa học tìm ra nguồn gốc bí ẩn của các hạt proton và hạt nhân nguyên tử là đến trái đất từ ngoài không gian, tập hợp thành tia vũ trụ. Những cơ chế tạo ra tia vũ trụ cũng có thể tương tự cơ chế tạo ra các hạt neutrino năng lượng cao.
Các nhóm nghiên cứu đa quốc gia đã mô tả nguồn khởi phát hạt neutrino trong một bài báo xuất bản trên tạp chí Science.
“Mọi điểm đều chỉ ra rằng đây là một nguồn phát năng lượng siêu sáng – một nguồn tuyệt vời”, Elisa Resconi, một nhà vật lý hạt thiên văn tại trường đại học Kỹ thuật Munich (Đức) cho biết.
Các nhà vật lý thiên văn đã đề xuất một số kịch bản về các hiện tượng vật lý thiên văn có thể tạo ra cả các hạt neutrino năng lượng cao và những phản hạt mang điện tích của chúng: các proton và các hạt nhân nguyên tử vốn được tập hợp thành các tia vũ trụ. Nhưng đến tận bây giờ, họ vẫn chưa kiểm chứng được nguồn gốc của bất kỳ hạt nào trong số này. Đây là điều hết sức khó với các tia vũ trụ bởi do mang điện tích nên đường đi của chúng xuống trái đất theo đường cong trong khi các hạt neutrino lại đi theo đường thẳng.
Nghiên cứu này đã đem đến nhiều triển vọng cho thiên văn đa tín hiệu, một lĩnh vực mới còn sơ khai kết hợp các tín hiệu từ nhiều loại khác nhau mà các đài quan sát thu thập được đến những chi tiết [thông tin] của các sự kiện xảy ra trong vũ trụ.
Muon – tín hiệu báo từ trạm nghiên cứu cực nam
Câu chuyện bắt đầu từ ngày 22/9/ 2017, khi muon – một hạt mang điện tích, trượt qua mỏm băng Nam Cực với vận tốc tương đương vật tốc ánh sáng. IceCube – một thiết bị gồm 5000 cảm biến được chôn trong một khối băng – dò được những tia sáng lóe lên mà hạt muon này phát ra. Hạt muon xuất hiện dưới máy dò – sự định hướng cho thấy đó là sự phân rã sinh ra từ một hạt neutrino đến từ dưới đường chân trời. Các hạt muon chỉ có thể di chuyển vào bên trong vật chất, ngược lại những hạt neutrino thường băng qua toàn bộ hành tinh một cách tự do; phần lớn số hat mà IceCube dò được đã va chạm với một hạt bên trong trái đất để tạo ra muon.
Trong vòng vài giây, một dàn máy tính tại Trạm nghiên cứu Amundsen–Scott South Pole của Quỹ Khoa học Mỹ đặt tại đỉnh cực nam của trái đất đã tái cấu trúc đường đi chính xác của hạt muon và nhận thấy nó được sinh ra từ một hạt neutrino mang điện tích cao; 43 giây sau sự kiện này, Trạm đã gửi tín hiệu tự động tới mạng lưới các nhà thiên văn theo đường vệ tinh. Hạt neutrino này được đặt tên là IceCube-170922A.
Sau khi nhận được thông tin, Derek Fox – nhà vật lý thiên văn tại trường đại học bang Pennsylvania, đã nhanh chóng tìm thêm thông tin về sự kiện với việc xem giờ quan sát trên đài quan sát tia X Swift – thiết bị được phóng lên quỹ đạo trái đất để phát hiện các vụ nổ tia gamma. Hai năm trước, Fox đã tạo ra hệ thống cảnh báo tự động với hi vọng các nhà nghiên cứu có thể theo sát các sự kiện như vậy.
Anh và đồng nghiệp đã tìm thấy 9 nguồn tia X năng lượng cao gần với nơi hạt neutrino tới. Giữa chúng là một vật thể được gọi là TXS 0506+056 – một nhân thiên hà hoạt động với một lỗ đen siêu khối lượng ở trung tâm và một nguồn tia γ đã biết. Trong nhân thiên hà hoạt động này, lỗ đen khuấy động khí trong nhiệt độ cao đến hàng triệu độ và bắn ra khỏi các cực của nó theo hai luồng tia chuẩn trực, một theo hướng trực tiếp đến hệ mặt trời. Vài ngày sau nhóm nghiên cứu của Fox thông báo nghiên cứu này của họ tới cộng đồng vật lý thiên văn.
Lóe sáng
Trong những ngày tiếp theo, một nhóm nghiên cứu khác đã xem dữ liệu từ Large Area Telescope (LAT) của Phòng thí nghiệm Kính thiên văn tia vũ trụ gamma Fermi (NASA), thiết bị quét bầu trời một cách liên tục và là một trong số những thiết bị đang theo dõi khoảng 2.000 nhân thiên hà hoạt động. Chúng đang trải qua các quá trình hoạt động tăng cường, có thể kéo dài trong vài tháng hoặc vài tuần, và trong suốt thời gian đó, chúng trở nên sáng một cách bất thường. Regina Caputo – một nhà vật lý thiên văn tại Trung tâm bay không gian Goddard (NASA) tại Greenbelt, Maryland và là điều phối viên phân tích của Fermi-LAT, cho biết: “Khi nhìn vào khu vực mà theo IceCube là nơi hạt neutrino đến, chúng tôi nhận thấy rằng nhân thiên hà hoạt động này đã lóe sáng nhiều hơn trước đây”.
Vào ngày 28/9/2017, nhóm nghiên cứu ở Fermi-LAT đã gửi đi một thông báo về nghiên cứu của họ. Các nhà thiên văn khác đón nhận thông tin này rất hào hứng. Kể từ khi bắt đầu vận hành vào năm 2010, IceCube đã dò được hàng tá hạt neutrino năng lượng cao mỗi năm nhưng không phát hiện nào trong số này có liên hệ với một nguồn phát năng lượng đặc biệt nào trên bầu trời. “Thông tin của họ làm chúng tôi vô cùng sửng sốt”, Fox nói.
Mặc dù vậy thì sự liên kết giữa hạ neutrino với sự lóe sáng của nhân thiên hà đang hoạt động TXS có thể chỉ là một sự trùng khớp. Để có những bằng chứng mạnh hơn, các nhà nghiên cứu của cả IceCube và Fermi-LAT cần tính toán đến những dữ liệu khác để chứng tỏ sự bùng sáng và hạt neutrino thực sự có liên hệ với nhau hơn là đến từ những thứ tương tự trên bầu trời bằng may rủi.
“Chúng tôi đã phải tính đến cơ hội mà các hạt neutrino ngẫu nhiên trên bầu trời có thể đến từ một trong những nguồn tia X đã biết, và khả năng nó bùng phát trong cùng thời điểm đó”, Anna Franckowiak – nhà vật lý hạt tại Trung tâm Máy gia tốc Electron Synchrotron Đức (DESY) tại Zeuthen, thành viên của cả IceCube và Fermi-LAT, nói. Chị và đồng nghiệp của mình đã tìm thấy khả năng đó, dẫu chưa đạt đến mức độ đáng kể về thống kê để có thể dẫn đến một khám phá trong vật lý.
Săn tìm bằng chứng
Nghiên cứu về các hạt neutrino và tia γ đã được dò trong suốt đợt bùng phát trước của nhân thiên hà hoạt động này có thể tăng thêm bằng chứng cho giả thuyết TXS 0506+056 hình thành từ nguồn phát năng lượng đó. Vào tháng 11/2018, các nhà nghiên cứu ở IceCube đã thấy đài quan sát của họ đã ghi lại được một lượng lớn hạt neutrino đến từ hướng tương tự trên bầu trời giữa năm 2014 và 2015.
Resconi – thành viên nghiên cứu chính của IceCube, đã phấn khích vì khám phá mà chị đã lỡ cơ hội chứng kiến hiện tượng này do đi xem buổi diễn của Nick Cave. “Đồng nghiệp giờ vẫn trêu tôi là trong lần tới, khi quan sát nguồn neutrino thì mọi người biết nơi nào để tìm tôi rồi đó”.
Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng sự bùng sáng này không giống như những hình ảnh trong dữ liệu của Fermi-LAT. “Tin đó đến thật bất ngờ”, Resconi nói. Nhưng trong một nghiên cứu riêng khác, cô và đồng nghiệp đã tìm thấy những gợi ý từ một bùng sáng TXS cũng xảy ra cùng giai đoạn đó nhưng với những tia γ với năng lượng quá cao để Fermi-LAT có thể dò được.
Có một thông tin chưa rõ là khoảng cách của nhân thiên hà đang hoạt động này với Trái đất, theo Simona Paiano của Đài quan sát Thiên văn Padua tại Ý. Để đo được khoảng cách này, cô và đồng nghiệp đã mất 15 giờ quan sát ở kính thiên văn quang học lớn nhất thế giới, Gran Telescopio Canarias có đường kính dài 10,4 m tại La Palma, một hòn đảo thuộc quần đảo Canary của Tây Ban Nha, và xác định khoảng cách là 1,15 tỷ parsec (tương đương 3,78 tỷ năm ánh sáng).
Kết hợp các thông tin này lại với nhau, các nhà nghiên cứu có trong tay dữ liệu có thể chỉ ra được nguồn phát, Kyle Cranmer – nhà vật lý hạt và chuyên gia phân tích dữ liệu tại đại học New York nhận xét, “nhưng quan sát này không đủ rõ ràng. Cần có nhiều dữ liệu nữa để xác định các nhân thiên hà đang hoạt động là nguồn phát các hạt neutrino năng lượng cao một cách thuyết phục”.
Các nhà nghiên cứu hi vọng rằng đây chỉ là một trong nhiều sự kiện thuộc dạng này của thiên văn đa tín hiệu. Họ đang háo hức chờ đợi sẽ dò được các hạt neutrino cùng sóng hấp dẫn. Cuộc va chạm nổi tiếng giữa hai ngôi sao neutron được phát hiện vào tháng 8/2017 có thể cũng tạo ra các hạt neutrino nhưng IceCube lại không phát hiện ra. Tuy nhiên trong trường hợp bùng sáng nhân thiên hà TXS một lần nữa thì có thể họ sẽ phát hiện thêm nhiều hạt neutrino năng lượng cao và các loại bức xạ khác phát ra từ đó.
Thanh Nhàn dịch
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-018-05703-y
