Cơ sở bề mặt cho thí nghiệm IceCube, nằm dưới gần 1 dặm (1,6 km) băng ở Nam Cực. IceCube cho thấy neutrino ma quái không tồn tại, nhưng một thí nghiệm mới cho biết họ làm được.
(Ảnh: © Biếu không của Đài thiên văn IceCube Neutrino)
Trong vùng đất băng giá ở Nam Cực có máy dò hạt khổng lồ, Đài thiên văn IceCube Neutrino. Nhưng việc tìm kiếm bề mặt cho thiết bị sẽ tỏ ra khó khăn, bởi vì phần lớn đài quan sát bị kẹt dưới lớp băng. Đài quan sát quốc tế đã săn lùng neutrino - các hạt không khối lượng, không có điện tích mà hầu như không bao giờ tương tác với vật chất. Bây giờ, các quan sát của nó có thể giải quyết một trong những bí ẩn lớn nhất trong thiên văn học, trả lời các câu hỏi đằng sau nguồn gốc của neutrino và các tia vũ trụ.
Lớn nhất trong số họ
Đài quan sát IceCube Neutrino bao phủ một km khối gần Nam Cực. Các nhạc cụ bao gồm một km vuông của bề mặt và kéo dài xuống đến 4.920 feet (1.500 mét) sâu. Đây là máy dò neutrino gigaton đầu tiên từng được chế tạo.
Trong khi các bức ảnh của IceCube thường cho thấy một tòa nhà ngồi trên bề mặt tuyết, thì công việc thực sự được thực hiện dưới đây. Thí nghiệm đa năng bao gồm một mảng bề mặt, IceTop, một mảng gồm 81 trạm nằm phía trên chuỗi. IceTop đóng vai trò là máy dò hiệu chuẩn cho IceCube, cũng như phát hiện các trận mưa rào từ các tia vũ trụ chính, thông lượng và thành phần của chúng.
Bộ phận bên trong dày đặc, DeepCore, là nhà máy điện của thí nghiệm IceCube. Mỗi trạm IceTop được tạo thành từ các chuỗi được gắn với các mô-đun quang kỹ thuật số (DOM) được triển khai trên lưới hình lục giác cách nhau 410 feet (125 mét). Mỗi chuỗi chứa 60 DOM có kích thước bằng bóng rổ. Ở đây, sâu bên trong băng, IceCube có thể săn lùng neutrino đến từ mặt trời, từ bên trong Dải Ngân hà và từ bên ngoài thiên hà. Những hạt ma quái này được kết nối với các tia vũ trụ, các hạt năng lượng cao nhất từng được quan sát.
[Liên quan: Truy tìm một neutrino đến nguồn của nó: Khám phá trong ảnh]
Hạt bí ẩn
Các tia vũ trụ được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1912. Các vụ nổ bức xạ mạnh mẽ va chạm với Trái đất liên tục, truyền vào từ tất cả các phần của thiên hà. Các nhà khoa học tính toán rằng các hạt tích điện phải hình thành trong một số vật thể và sự kiện bạo lực nhất và ít được hiểu nhất trong vũ trụ. Cái chết sao bùng nổ của một ngôi sao, siêu tân tinh, cung cấp một phương pháp tạo ra các tia vũ trụ; các lỗ đen hoạt động ở trung tâm của các thiên hà khác.
Tuy nhiên, vì các tia vũ trụ được tạo thành từ các hạt tích điện, chúng tương tác với từ trường của các ngôi sao và các vật thể khác mà chúng đi qua. Các trường cong vênh và dịch chuyển đường đi của các tia vũ trụ, khiến các nhà khoa học không thể theo dõi chúng trở về nguồn của chúng.
Đó là nơi neutrino phát huy tác dụng. Giống như các tia vũ trụ, các hạt có khối lượng thấp được cho là hình thành thông qua bạo lực. Nhưng vì neutrino không có điện tích, chúng đi qua từ trường mà không thay đổi đường đi, đi theo đường thẳng từ nguồn của chúng.
"Vì lý do này, việc tìm kiếm nguồn phát tia vũ trụ cũng trở thành tìm kiếm neutrino năng lượng rất cao", theo trang web của IceCube.
Tuy nhiên, những đặc điểm tương tự khiến neutrino trở thành những sứ giả tốt như vậy cũng có nghĩa là chúng rất khó phát hiện. Mỗi giây, khoảng 100 tỷ neutrino đi qua một inch vuông trên cơ thể bạn. Hầu hết chúng đến từ mặt trời và không đủ năng lượng để được IceCube xác định, nhưng một số có khả năng đã được sản xuất bên ngoài Dải Ngân hà.
Phát hiện neutrino yêu cầu sử dụng vật liệu rất rõ ràng như nước hoặc băng. Khi một neutrino đơn đâm vào một proton hoặc neutron bên trong nguyên tử, phản ứng hạt nhân tạo ra sẽ tạo ra các hạt thứ cấp phát ra ánh sáng xanh gọi là bức xạ Cherenkov.
"Các neutrino mà chúng tôi phát hiện giống như dấu vân tay giúp chúng tôi hiểu các vật thể và hiện tượng nơi neutrino được tạo ra", theo nhóm IceCube.
Điều kiện khắc nghiệt
Nam Cực có thể không phải là không gian bên ngoài, nhưng nó mang lại những thách thức riêng. Các kỹ sư bắt đầu xây dựng trên IceCube vào năm 2004, một dự án kéo dài 7 năm đã hoàn thành đúng tiến độ vào năm 2010. Việc xây dựng chỉ có thể diễn ra trong vài tháng mỗi năm, vào mùa hè ở Nam bán cầu, diễn ra từ tháng 11 đến tháng 2.
Chán 86 lỗ cần một loại máy khoan đặc biệt - thực sự là hai trong số chúng. Lần đầu tiên tiến qua ngọn lửa, một lớp tuyết được nén chặt, xuống khoảng 164 feet (50 mét). Sau đó, một áp suất cao khoan nước nóng tan chảy xuyên qua lớp băng ở tốc độ khoảng 2 mét (6,5 feet) cho mỗi phút, xuống đến độ sâu 2.450 mét (8038 feet, tương đương 1.5 dặm).
"Cùng với nhau, hai cuộc tập trận đã có thể liên tục tạo ra các lỗ thẳng đứng gần như hoàn hảo sẵn sàng để triển khai thiết bị với tốc độ một lỗ mỗi hai ngày," theo IceCube.
Các chuỗi sau đó phải nhanh chóng được triển khai vào nước tan chảy trước khi băng đóng băng. Đóng băng mất vài tuần để ổn định, sau đó các dụng cụ vẫn không thể chạm tới, bị đóng băng vĩnh viễn trong băng và không thể sửa chữa. Tỷ lệ thất bại của các thiết bị là cực kỳ chậm, với ít hơn 100 trong số 5.500 cảm biến hiện không hoạt động.
IceCube bắt đầu quan sát ngay từ đầu, ngay cả khi các chuỗi khác đang được triển khai.
Khi dự án lần đầu tiên bắt đầu, các nhà nghiên cứu không rõ ràng về việc ánh sáng sẽ đi qua băng bao xa, theo Halzen. Với thông tin được thiết lập tốt, sự hợp tác đang hướng tới IceCube-Gen2. Đài quan sát được nâng cấp sẽ bổ sung thêm khoảng 80 chuỗi máy dò, trong khi sự hiểu biết về các tính chất của băng sẽ cho phép các nhà nghiên cứu đặt các cảm biến cách xa nhau hơn so với ước tính bảo thủ ban đầu của chúng. IceCube-Gen2 nên tăng gấp đôi kích thước của đài quan sát với chi phí gần bằng nhau.
Khoa học đáng kinh ngạc
IceCube bắt đầu săn lùng neutrino trước khi nó được hoàn thành, tạo ra một số kết quả khoa học hấp dẫn trên đường đi.
Từ tháng 5 năm 2010 đến tháng 5 năm 2012, IceCube đã quan sát thấy 28 hạt năng lượng rất cao. Halzen quy cho khả năng của máy dò để quan sát các sự kiện cực đoan này cho đến khi hoàn thành máy dò.
"Đây là dấu hiệu đầu tiên của neutrino năng lượng rất cao đến từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta, với năng lượng hơn một triệu lần so với những gì được quan sát vào năm 1987 liên quan đến siêu tân tinh nhìn thấy trong Đám mây Magellan Lớn", Halzen nói trong một tuyên bố. "Thật hài lòng khi cuối cùng cũng thấy những gì chúng ta đang tìm kiếm. Đây là buổi bình minh của một kỷ nguyên mới của thiên văn học."
Vào tháng 4 năm 2012, một cặp neutrino năng lượng cao đã được phát hiện và có biệt danh là Bert và Ernie, sau khi các nhân vật trong chương trình truyền hình dành cho trẻ em "Sesame Street". Với năng lượng trên 1 petaelectronvolt (PeV), cặp đôi này là neutrino được phát hiện dứt khoát đầu tiên từ bên ngoài hệ mặt trời kể từ siêu tân tinh năm 1987.
"Đó là một bước đột phá lớn", Uli Katz, nhà vật lý hạt tại Đại học Erlangen-Nürnberg, Đức, người không tham gia nghiên cứu cho biết. "Tôi nghĩ rằng đó là một trong những khám phá lớn tuyệt đối trong vật lý hạt astro", Katz nói với Space.com.
Những quan sát này dẫn đến việc IceCube được trao giải đột phá thế giới vật lý 2013.
Một khoản chi trả lớn khác đến vào ngày 4 tháng 12 năm 2012, khi đài quan sát phát hiện một sự kiện mà các nhà khoa học gọi là Big Bird, cũng từ "Sesame Street". Big Bird là một neutrino có năng lượng vượt quá 2 triệu vôn electron, lớn hơn một triệu triệu lần so với năng lượng của tia X nha khoa, được đóng gói thành một hạt có khối lượng nhỏ hơn một phần triệu của một electron. Vào thời điểm đó, nó là neutrino năng lượng cao nhất từng được phát hiện; tính đến năm 2018, nó vẫn đứng thứ hai.
Với sự trợ giúp của kính viễn vọng không gian tia gamma Fermi của NASA, các nhà khoa học đã buộc Big Bird vào sự bùng nổ năng lượng cao của một chiếc blazar được gọi là PKS B1424-418. Blazar được cung cấp bởi các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của một thiên hà. Khi lỗ đen nuốt chửng vật chất, một số vật liệu bị lệch vào các tia nước mang theo rất nhiều năng lượng, chúng làm khuất phục các ngôi sao trong thiên hà. Các máy bay phản lực tăng tốc vật chất, tạo ra neutrino và các mảnh nguyên tử tạo ra một số tia vũ trụ.
Bắt đầu từ mùa hè năm 2012, blazar tỏa sáng từ 15 đến 30 lần trong các tia gamma so với mức trung bình của nó trước khi phun trào. Một chương trình quan sát dài hạn có tên TANAMI, thường xuyên theo dõi gần 100 thiên hà đang hoạt động trên bầu trời phía nam, tiết lộ rằng lõi của máy bay phản lực của thiên hà đã phát sáng bốn lần trong giai đoạn 2011-2013.
"Không có thiên hà nào khác của chúng tôi được TANAMI quan sát trong suốt vòng đời của chương trình đã thể hiện một sự thay đổi mạnh mẽ như vậy", ông Eduardo Ros, từ Viện thiên văn vô tuyến Max Planck (MP IfR) ở Đức, cho biết trong một tuyên bố năm 2016. Nhóm tính toán rằng hai sự kiện đã được liên kết.
"Có tính đến tất cả các quan sát, blazar dường như đã có phương tiện, động cơ và cơ hội để bắn ra neutrino Big Bird, khiến nó trở thành nghi phạm chính của chúng tôi", Matthias Kadler, giáo sư vật lý thiên văn tại Đại học Wurzburg nói. Nước Đức."
Vào tháng 7 năm 2018, IceCube tuyên bố rằng, lần đầu tiên, nó đã theo dõi neutrino trở lại nguồn blazar của họ. Vào tháng 9 năm 2017, nhờ một hệ thống cảnh báo mới được cài đặt phát cho các nhà khoa học trên thế giới trong vòng vài phút sau khi phát hiện ra một ứng cử viên neutrino mạnh, các nhà nghiên cứu đã có thể nhanh chóng xoay kính viễn vọng theo hướng tín hiệu mới bắt nguồn. Fermi đã cảnh báo các nhà nghiên cứu về sự hiện diện của một blazar đang hoạt động, được gọi là TXS-0506 + 056, trong cùng một phần của bầu trời. Các quan sát mới xác nhận rằng blazar đang bùng phát, phát ra những luồng năng lượng sáng hơn bình thường.
Đối với hầu hết các phần, TXS là một blazar điển hình; đó là một trong 100 blazar sáng nhất được phát hiện bởi Fermi. Tuy nhiên, trong khi 99 người khác cũng sáng, họ không ném neutrino về phía IceCube. Trong những tháng gần đây, TXS đã bùng cháy, sáng và mờ mạnh gấp hàng trăm lần so với những năm trước.
"Theo dõi rằng neutrino năng lượng cao được IceCube phát hiện trở lại TXS 0506 + 056 khiến đây là lần đầu tiên chúng tôi có thể xác định một vật thể cụ thể là nguồn có thể của neutrino năng lượng cao như vậy," Gregory Sivakoff, thuộc Đại học của Alberta ở Canada, cho biết trong một tuyên bố.
IceCube chưa hoàn thành. Hệ thống cảnh báo mới sẽ giữ chân các nhà thiên văn học trong những năm tới. Đài thiên văn có tuổi thọ dự kiến là 20 năm, do đó, có ít nhất một thập kỷ khám phá đáng kinh ngạc đến từ đài thiên văn Nam Cực.
