Các nhà khoa học đã phát hiện ra "hạt ma" có năng lượng cao nhất từng thấy. Hạt này, một loại neutrino, đã đến Trái Đất với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và có năng lượng gấp 30 lần so với neutrino năng lượng cao nhất từng được nhìn thấy trước đó. Đây là bằng chứng vững chắc đầu tiên cho thấy neutrino có năng lượng cao như vậy có thể được tạo ra trong vũ trụ.
Bản chất năng lượng cao của hạt này chỉ ra rằng neutrino có nguồn gốc từ bên ngoài Ngân Hà, và mặc dù nguồn gốc của hạt ma vẫn chưa được xác định, nhóm nghiên cứu đã nghĩ đến 12 nghi phạm. Tất cả các nghi phạm đều là "blazar", hoặc lõi năng lượng của "nhân thiên hà hoạt động" (AGN) được cung cấp năng lượng bằng cách cung cấp năng lượng cho các lỗ đen siêu lớn. Blazar là loại quasar nổi bật vì các chùm hạt năng lượng cao và ánh sáng mà chúng phát ra hướng thẳng vào Trái đất.
Tuy nhiên, một khả năng khác là neutrino năng lượng cao được tạo ra khi một hạt tia vũ trụ cực lớn va chạm với các hạt ánh sáng hay "photon", còn sót lại trong vũ trụ sau một sự kiện nào đó xảy ra ngay sau Vụ nổ lớn.
Neutrino được phát hiện thông qua việc phát hiện ra một muon đơn lẻ bởi Kính viễn vọng Neutrino khối Kilômét (KM3NeT), nằm ở độ sâu 11.300 feet (3.450 mét) bên dưới những con sóng của Biển Địa Trung Hải, vào tháng 2. 13, 2023. Trong sự kiện được chỉ định là KM3-230213A, muon đã đi qua toàn bộ máy dò KM3NeT và thắp sáng một phần ba trong số hàng nghìn cảm biến đang hoạt động của thiết bị dưới biển sâu này.
"Rất có thể neutrino này có nguồn gốc từ vũ trụ và năng lượng của nó lớn đến mức nó nằm trong một vùng năng lượng hoàn toàn chưa được khám phá", Paschal Coyle thuộc Trung tâm nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp cho biết trong một cuộc họp báo được tổ chức vào thứ Ba (ngày 11 tháng 2). "Lịch sử cho chúng ta thấy rằng bất cứ khi nào bạn mở một 'cửa sổ năng lượng' mới, bạn không bao giờ thực sự biết mình sẽ tìm thấy điều gì. Nó hoàn toàn chưa được khám phá.
"Việc tìm thấy những điều bất ngờ thúc đẩy nhiều người trong chúng ta", Coyle nói thêm.
Vì vậy, mặc dù neutrino là hạt phổ biến thứ hai trong vũ trụ sau hạt ánh sáng, photon, nhưng chúng rất khó phát hiện và đòi hỏi các máy dò phải đi sâu dưới lòng đất hoặc trong trường hợp này là sâu dưới biển.
"Neutrino là một trong những hạt cơ bản bí ẩn nhất", Rosa Coniglione, thành viên nhóm KM3NeT đến từ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare tại Ý, phát biểu trong buổi họp báo. "Chúng không mang điện tích, hầu như không có khối lượng và chỉ tương tác yếu với vật chất. Chúng là sứ giả vũ trụ đặc biệt, mang đến cho chúng ta thông tin độc đáo về các cơ chế liên quan đến hiện tượng năng lượng nhất và cho phép chúng ta khám phá những vùng xa nhất của vũ trụ."
Mặc dù KM3NeT phát hiện ra một tia sáng từ một muon giống electron — không phải neutrino — nhưng chính những đặc tính của hạt cơ bản này đã chỉ ra rằng nó được tạo ra khi một neutrino năng lượng cao bất thường va chạm với một hạt khác.
"Có rất nhiều muon đi qua máy dò đến từ phía trên, được tạo ra trong bầu khí quyển của Trái đất và chúng không thú vị. Chúng tôi đã phát hiện ra khoảng 110 triệu muon trong số đó vào năm 2023", điều phối viên vật lý của thí nghiệm tại thời điểm phát hiện, Aart Heijboer thuộc Viện Vật lý Hạ nguyên tử Quốc gia Nikhef tại Hà Lan, phát biểu tại buổi họp báo. "Hóa ra hạt này [được định hướng] theo chiều ngang. Để tạo ra một muon nằm ngang, phải có một neutrino vì đây là những hạt duy nhất có thể đi qua lượng vật liệu cần thiết, 87 dặm [140 km] đá và nước để tạo ra hạt nằm ngang này trong máy dò."
Nhóm nghiên cứu đã có thể xác định năng lượng của neutrino từ lượng ánh sáng mà máy dò ghi lại. Họ phát hiện ra rằng năng lượng là 220 triệu tỷ electron volt, mà Heijboer giải thích là gấp 30.000 lần năng lượng mà máy gia tốc hạt lớn nhất của Trái Đất, Máy va chạm Hadron Lớn (LHC), có thể đạt được.
Để hiểu rõ hơn, Coyle giải thích rằng để tăng tốc một hạt lên mức năng lượng như vậy, LHC sẽ phải được mở rộng từ chiều dài hiện tại là 17 dặm (27 km) lên khoảng 25.000 dặm (40.000 km). Đó là chu vi của Trái đất.
"Cần phải có một máy gia tốc LHC toàn cầu trên khắp thế giới để đạt được mức năng lượng như vậy", Coyle nói.
Vậy, loại máy gia tốc hạt vũ trụ tự nhiên nào có thể phóng ra một neutrino với năng lượng như vậy? Mặc dù các nhà nghiên cứu vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn, họ nghi ngờ rằng giải pháp nằm ở trung tâm của AGN.
Tất cả các sự kiện này đều có thể hoạt động như máy gia tốc hạt, nhưng nghi phạm chính trong trường hợp này là các hố đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần so với mặt trời. Khi các hố đen siêu lớn này được bao quanh bởi một lượng lớn vật chất trong AGN, chúng được gọi là "sao chuẩn tinh", cung cấp năng lượng cho các luồng vật chất khổng lồ có thể kéo dài hàng trăm năm ánh sáng. Khi những tia này hướng thẳng về phía chúng ta, quasar được gọi là "blazar".
Các tia phát ra trong các sự kiện bùng phát blazar bao gồm các hạt năng lượng cao được gọi là tia vũ trụ có thể mở rộng vượt xa ranh giới của các thiên hà chứa lỗ đen đã tạo ra chúng. Các tia này cũng bao gồm bức xạ điện từ, từ sóng vô tuyến năng lượng thấp đến tia gamma năng lượng cực cao. Khi các hạt như vậy va chạm với các hạt khác trong thiên hà gốc, chúng sẽ tạo ra các trận mưa neutrino năng lượng cao rơi xuống khắp vũ trụ.
Coniglione giải thích trong buổi họp báo rằng, bằng cách đo hướng của hạt, các nhà nghiên cứu có thể lần theo dấu vết của nó trở lại ranh giới của Ngân Hà.
Không có nguồn nào giải thích được hạt ma năng lượng cao có thể lần theo dấu vết trong thiên hà của chúng ta, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy 12 nguồn thú vị: tất cả đều là các blazar nằm ngoài ranh giới của Ngân Hà. Một trong 12 hạt đó có thể là điểm xuất phát của hạt mới được phát hiện này.
Tuy nhiên, vẫn còn một nghi phạm khác.
Các nhà nghiên cứu cho rằng neutrino năng lượng cao này có thể được tạo ra khi một tia vũ trụ năng lượng cực cao, rất có thể là một proton, va vào một photon trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB). Hóa thạch vũ trụ này đại diện cho ánh sáng đầu tiên có khả năng di chuyển tự do qua vũ trụ sau khi các electron liên kết với proton, cho phép các photon di chuyển tự do mà không bị phân tán vô tận.
Một tương tác giữa tia vũ trụ và CMB sẽ tạo ra một trận mưa neutrino năng lượng cao. Nếu đúng như vậy, đây sẽ là lần đầu tiên phát hiện ra cái gọi là "neutrino vũ trụ". Các nhà khoa học chắc chắn rằng những neutrino như vậy phải tồn tại, mặc dù chúng vẫn khó nắm bắt một cách đáng thất vọng.
Việc phát hiện ra neutrino vũ trụ có tiềm năng là điều thú vị vì những hạt năng lượng cao này có thể mở ra một hình thức thiên văn học mới. Điều này sẽ củng cố sự thống nhất của "thiên văn học truyền thống" khai thác bức xạ điện từ và thiên văn học sóng hấp dẫn tập trung vào những gợn sóng nhỏ trong cấu trúc của không thời gian. Nhánh thứ ba của những cách thức sáng tạo này để nghiên cứu vũ trụ được gọi là thiên văn học đa sứ giả, và các phiên bản dựa trên neutrino của phương pháp này sẽ mở rộng nó thành các miền năng lượng cao mới.
Các bài viết liên quan:
— Một cách tiếp cận mới có thể giúp các nhà khoa học nhìn thấy bên trong một ngôi sao neutron
— Các ngôi sao neutron có kích thước bằng thành phố thực sự có thể lớn hơn chúng ta nghĩ
— Ngôi sao neutron nặng nhất từng được quan sát đang xé nát người bạn đồng hành của nó
Hiện tại, với một phát hiện duy nhất, nhóm nghiên cứu không thể phân biệt được liệu neutrino năng lượng cao này có đến từ máy gia tốc hạt vũ trụ như blazar hay nó có nguồn gốc từ va chạm tia vũ trụ/CMB.
Tuy nhiên, thực tế là KM3NeT đã thực hiện phát hiện mang tính lịch sử đầu tiên này trong khi vẫn đang trong quá trình xây dựng có thể mang lại sự tin tưởng rằng bí ẩn vũ trụ này có thể sớm được giải đáp.
"Trong năm tới, KM3NeT sẽ cung cấp ngày càng nhiều dữ liệu hơn với độ phân giải góc được cải thiện", Coniglione cho biết. "Trong tương lai gần, chúng ta sẽ có một chỉ điểm tinh tế hơn về sự kiện này và có thể là một kết luận chắc chắn hơn về nguồn gốc của sự kiện này."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Tư (ngày 12 tháng 2) trên tạp chí Thiên nhiên.
Bản chất năng lượng cao của hạt này chỉ ra rằng neutrino có nguồn gốc từ bên ngoài Ngân Hà, và mặc dù nguồn gốc của hạt ma vẫn chưa được xác định, nhóm nghiên cứu đã nghĩ đến 12 nghi phạm. Tất cả các nghi phạm đều là "blazar", hoặc lõi năng lượng của "nhân thiên hà hoạt động" (AGN) được cung cấp năng lượng bằng cách cung cấp năng lượng cho các lỗ đen siêu lớn. Blazar là loại quasar nổi bật vì các chùm hạt năng lượng cao và ánh sáng mà chúng phát ra hướng thẳng vào Trái đất.
Tuy nhiên, một khả năng khác là neutrino năng lượng cao được tạo ra khi một hạt tia vũ trụ cực lớn va chạm với các hạt ánh sáng hay "photon", còn sót lại trong vũ trụ sau một sự kiện nào đó xảy ra ngay sau Vụ nổ lớn.
Neutrino được phát hiện thông qua việc phát hiện ra một muon đơn lẻ bởi Kính viễn vọng Neutrino khối Kilômét (KM3NeT), nằm ở độ sâu 11.300 feet (3.450 mét) bên dưới những con sóng của Biển Địa Trung Hải, vào tháng 2. 13, 2023. Trong sự kiện được chỉ định là KM3-230213A, muon đã đi qua toàn bộ máy dò KM3NeT và thắp sáng một phần ba trong số hàng nghìn cảm biến đang hoạt động của thiết bị dưới biển sâu này.
"Rất có thể neutrino này có nguồn gốc từ vũ trụ và năng lượng của nó lớn đến mức nó nằm trong một vùng năng lượng hoàn toàn chưa được khám phá", Paschal Coyle thuộc Trung tâm nghiên cứu khoa học quốc gia Pháp cho biết trong một cuộc họp báo được tổ chức vào thứ Ba (ngày 11 tháng 2). "Lịch sử cho chúng ta thấy rằng bất cứ khi nào bạn mở một 'cửa sổ năng lượng' mới, bạn không bao giờ thực sự biết mình sẽ tìm thấy điều gì. Nó hoàn toàn chưa được khám phá.
"Việc tìm thấy những điều bất ngờ thúc đẩy nhiều người trong chúng ta", Coyle nói thêm.
Bắt những bóng ma vũ trụ năng lượng cao
Neutrino thường được gọi là "hạt ma" vì chúng không có điện tích và có khối lượng gần như không tồn tại. Trên thực tế, khoảng 100 nghìn tỷ neutrino có thể đi qua cơ thể bạn mỗi giây mà bạn không hề nhận thấy điều gì.Vì vậy, mặc dù neutrino là hạt phổ biến thứ hai trong vũ trụ sau hạt ánh sáng, photon, nhưng chúng rất khó phát hiện và đòi hỏi các máy dò phải đi sâu dưới lòng đất hoặc trong trường hợp này là sâu dưới biển.
"Neutrino là một trong những hạt cơ bản bí ẩn nhất", Rosa Coniglione, thành viên nhóm KM3NeT đến từ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare tại Ý, phát biểu trong buổi họp báo. "Chúng không mang điện tích, hầu như không có khối lượng và chỉ tương tác yếu với vật chất. Chúng là sứ giả vũ trụ đặc biệt, mang đến cho chúng ta thông tin độc đáo về các cơ chế liên quan đến hiện tượng năng lượng nhất và cho phép chúng ta khám phá những vùng xa nhất của vũ trụ."
Mặc dù KM3NeT phát hiện ra một tia sáng từ một muon giống electron — không phải neutrino — nhưng chính những đặc tính của hạt cơ bản này đã chỉ ra rằng nó được tạo ra khi một neutrino năng lượng cao bất thường va chạm với một hạt khác.
"Có rất nhiều muon đi qua máy dò đến từ phía trên, được tạo ra trong bầu khí quyển của Trái đất và chúng không thú vị. Chúng tôi đã phát hiện ra khoảng 110 triệu muon trong số đó vào năm 2023", điều phối viên vật lý của thí nghiệm tại thời điểm phát hiện, Aart Heijboer thuộc Viện Vật lý Hạ nguyên tử Quốc gia Nikhef tại Hà Lan, phát biểu tại buổi họp báo. "Hóa ra hạt này [được định hướng] theo chiều ngang. Để tạo ra một muon nằm ngang, phải có một neutrino vì đây là những hạt duy nhất có thể đi qua lượng vật liệu cần thiết, 87 dặm [140 km] đá và nước để tạo ra hạt nằm ngang này trong máy dò."
Nhóm nghiên cứu đã có thể xác định năng lượng của neutrino từ lượng ánh sáng mà máy dò ghi lại. Họ phát hiện ra rằng năng lượng là 220 triệu tỷ electron volt, mà Heijboer giải thích là gấp 30.000 lần năng lượng mà máy gia tốc hạt lớn nhất của Trái Đất, Máy va chạm Hadron Lớn (LHC), có thể đạt được.
Để hiểu rõ hơn, Coyle giải thích rằng để tăng tốc một hạt lên mức năng lượng như vậy, LHC sẽ phải được mở rộng từ chiều dài hiện tại là 17 dặm (27 km) lên khoảng 25.000 dặm (40.000 km). Đó là chu vi của Trái đất.
"Cần phải có một máy gia tốc LHC toàn cầu trên khắp thế giới để đạt được mức năng lượng như vậy", Coyle nói.
Vậy, loại máy gia tốc hạt vũ trụ tự nhiên nào có thể phóng ra một neutrino với năng lượng như vậy? Mặc dù các nhà nghiên cứu vẫn chưa có câu trả lời chắc chắn, họ nghi ngờ rằng giải pháp nằm ở trung tâm của AGN.
Hố đen siêu lớn như máy gia tốc hạt vũ trụ
Vũ trụ năng lượng cao tràn ngập nhiều sự kiện dữ dội và mạnh mẽ, từ cái chết của siêu tân tinh bùng nổ của các ngôi sao lớn đến vụ nổ tia gamma, là vụ nổ ngắn ngủi của ánh sáng năng lượng cao. Mặc dù chúng thường kéo dài trong một phần nhỏ của một giây, vụ nổ tia gamma có thể bơm ra nhiều năng lượng hơn cả năng lượng mà mặt trời sẽ tỏa ra trong toàn bộ thời gian tồn tại của nó.Tất cả các sự kiện này đều có thể hoạt động như máy gia tốc hạt, nhưng nghi phạm chính trong trường hợp này là các hố đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần so với mặt trời. Khi các hố đen siêu lớn này được bao quanh bởi một lượng lớn vật chất trong AGN, chúng được gọi là "sao chuẩn tinh", cung cấp năng lượng cho các luồng vật chất khổng lồ có thể kéo dài hàng trăm năm ánh sáng. Khi những tia này hướng thẳng về phía chúng ta, quasar được gọi là "blazar".
Các tia phát ra trong các sự kiện bùng phát blazar bao gồm các hạt năng lượng cao được gọi là tia vũ trụ có thể mở rộng vượt xa ranh giới của các thiên hà chứa lỗ đen đã tạo ra chúng. Các tia này cũng bao gồm bức xạ điện từ, từ sóng vô tuyến năng lượng thấp đến tia gamma năng lượng cực cao. Khi các hạt như vậy va chạm với các hạt khác trong thiên hà gốc, chúng sẽ tạo ra các trận mưa neutrino năng lượng cao rơi xuống khắp vũ trụ.
Coniglione giải thích trong buổi họp báo rằng, bằng cách đo hướng của hạt, các nhà nghiên cứu có thể lần theo dấu vết của nó trở lại ranh giới của Ngân Hà.
Không có nguồn nào giải thích được hạt ma năng lượng cao có thể lần theo dấu vết trong thiên hà của chúng ta, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy 12 nguồn thú vị: tất cả đều là các blazar nằm ngoài ranh giới của Ngân Hà. Một trong 12 hạt đó có thể là điểm xuất phát của hạt mới được phát hiện này.
Tuy nhiên, vẫn còn một nghi phạm khác.
Các nhà nghiên cứu cho rằng neutrino năng lượng cao này có thể được tạo ra khi một tia vũ trụ năng lượng cực cao, rất có thể là một proton, va vào một photon trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB). Hóa thạch vũ trụ này đại diện cho ánh sáng đầu tiên có khả năng di chuyển tự do qua vũ trụ sau khi các electron liên kết với proton, cho phép các photon di chuyển tự do mà không bị phân tán vô tận.
Một tương tác giữa tia vũ trụ và CMB sẽ tạo ra một trận mưa neutrino năng lượng cao. Nếu đúng như vậy, đây sẽ là lần đầu tiên phát hiện ra cái gọi là "neutrino vũ trụ". Các nhà khoa học chắc chắn rằng những neutrino như vậy phải tồn tại, mặc dù chúng vẫn khó nắm bắt một cách đáng thất vọng.
Việc phát hiện ra neutrino vũ trụ có tiềm năng là điều thú vị vì những hạt năng lượng cao này có thể mở ra một hình thức thiên văn học mới. Điều này sẽ củng cố sự thống nhất của "thiên văn học truyền thống" khai thác bức xạ điện từ và thiên văn học sóng hấp dẫn tập trung vào những gợn sóng nhỏ trong cấu trúc của không thời gian. Nhánh thứ ba của những cách thức sáng tạo này để nghiên cứu vũ trụ được gọi là thiên văn học đa sứ giả, và các phiên bản dựa trên neutrino của phương pháp này sẽ mở rộng nó thành các miền năng lượng cao mới.
Các bài viết liên quan:
— Một cách tiếp cận mới có thể giúp các nhà khoa học nhìn thấy bên trong một ngôi sao neutron
— Các ngôi sao neutron có kích thước bằng thành phố thực sự có thể lớn hơn chúng ta nghĩ
— Ngôi sao neutron nặng nhất từng được quan sát đang xé nát người bạn đồng hành của nó
Hiện tại, với một phát hiện duy nhất, nhóm nghiên cứu không thể phân biệt được liệu neutrino năng lượng cao này có đến từ máy gia tốc hạt vũ trụ như blazar hay nó có nguồn gốc từ va chạm tia vũ trụ/CMB.
Tuy nhiên, thực tế là KM3NeT đã thực hiện phát hiện mang tính lịch sử đầu tiên này trong khi vẫn đang trong quá trình xây dựng có thể mang lại sự tin tưởng rằng bí ẩn vũ trụ này có thể sớm được giải đáp.
"Trong năm tới, KM3NeT sẽ cung cấp ngày càng nhiều dữ liệu hơn với độ phân giải góc được cải thiện", Coniglione cho biết. "Trong tương lai gần, chúng ta sẽ có một chỉ điểm tinh tế hơn về sự kiện này và có thể là một kết luận chắc chắn hơn về nguồn gốc của sự kiện này."
Nghiên cứu của nhóm đã được công bố vào thứ Tư (ngày 12 tháng 2) trên tạp chí Thiên nhiên.
