Một minh họa của một nghệ sĩ về một blazar như người gần đây được phát hiện đang tăng tốc neutrino và các tia vũ trụ tới tốc độ khủng khiếp. Lỗ đen siêu lớn ở trung tâm của đĩa bồi tụ gửi một luồng vật chất năng lượng cao hẹp vào không gian, vuông góc với đĩa.
(Ảnh: © DESY, Phòng thí nghiệm truyền thông khoa học)
Các nhà thiên văn học đã lần đầu tiên truy tìm một neutrino năng lượng cao đến nguồn vũ trụ của nó, giải quyết một bí ẩn thế kỷ trong quá trình này.
Neutrino là các hạt hạ nguyên tử gần như không có khối lượng, không có điện tích và do đó hiếm khi tương tác với môi trường xung quanh. Thật vậy, hàng nghìn tỷ "hạt ma" này chảy khắp cơ thể bạn không được chú ý và không bị cản trở mỗi giây.
Hầu hết các neutrino này đến từ mặt trời. Nhưng một tỷ lệ nhỏ, tự hào với năng lượng cực cao, đã bắn vào cổ rừng của chúng ta từ không gian rất sâu. Sự khó nắm bắt vốn có của neutrino đã ngăn cản các nhà thiên văn học ghim chặt nguồn gốc của những kẻ lang thang vũ trụ như vậy - cho đến tận bây giờ. [Truy tìm một neutrino đến nguồn của nó: Khám phá trong ảnh]
Các quan sát của Đài thiên văn IceCube Neutrino ở Nam Cực và một loạt các công cụ khác cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi một neutrino vũ trụ đến một blazar xa xôi, một thiên hà hình elip khổng lồ với một lỗ đen siêu lớn quay nhanh ở tim.
Và còn nữa. Neutrino vũ trụ đi đôi với các tia vũ trụ, các hạt tích điện cực mạnh liên tục đâm vào hành tinh của chúng ta. Vì vậy, người mới tìm thấy chốt blazar như máy gia tốc của ít nhất một số tia vũ trụ chuyển động nhanh nhất là tốt.
Các nhà thiên văn học đã tự hỏi về điều này kể từ khi các tia vũ trụ được phát hiện lần đầu tiên, từ năm 1912. Nhưng chúng đã bị cản trở bởi bản chất tích điện của các hạt, điều này cho thấy các tia vũ trụ bị kéo theo cách này và bởi các vật thể khác nhau khi chúng phóng to trong không gian. Thành công cuối cùng đến từ việc sử dụng hành trình thẳng của một hạt ma du hành.
"Chúng tôi đã tìm kiếm nguồn phát tia vũ trụ trong hơn một thế kỷ và cuối cùng chúng tôi đã tìm thấy một nguồn", Francis Halzen, nhà khoa học hàng đầu tại Đài thiên văn IceCube Neutrino và giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin-Madison, nói với Space. com. [Vật lý lập dị: Những hạt nhỏ thú vị nhất trong tự nhiên]
Một nỗ lực của nhóm
IceCube, được quản lý bởi Quỹ khoa học quốc gia Hoa Kỳ (NSF), là một thợ săn neutrino chuyên dụng. Cơ sở gồm 86 dây cáp, mà nép mình trong lỗ khoan đó kéo dài khoảng 1,5 dặm (2,5 km) vào băng Nam Cực. Mỗi cáp, lần lượt, chứa 60 "mô-đun quang kỹ thuật số" có kích thước bằng bóng rổ, được trang bị đầu dò ánh sáng nhạy cảm.
Những máy dò này được thiết kế để thu nhận ánh sáng xanh đặc trưng phát ra sau khi neutrino tương tác với hạt nhân nguyên tử. (Ánh sáng này bị loại bỏ bởi một hạt thứ cấp được tạo ra bởi sự tương tác. Và trong trường hợp bạn đang tự hỏi: Tất cả những gì băng quá mức sẽ ngăn các hạt khác ngoài neutrino tiếp cận máy dò và làm bẩn dữ liệu.) Đây là những sự kiện hiếm gặp; IceCube chỉ phát hiện vài trăm neutrino mỗi năm, Halzen nói.
Cơ sở này đã có những đóng góp lớn cho thiên văn học. Ví dụ, vào năm 2013, IceCube đã thực hiện phát hiện neutrino đầu tiên được xác nhận từ bên ngoài thiên hà Milky Way. Các nhà nghiên cứu không thể xác định được nguồn gốc của các hạt ma năng lượng cao đó vào thời điểm đó.
Tuy nhiên, vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, IceCube đã nhặt được một neutrino vũ trụ khác. Nó cực kỳ mạnh mẽ, chứa khoảng 300 teraelectron vôn - lớn hơn gần 50 lần so với năng lượng của các proton đi qua máy gia tốc hạt mạnh nhất Trái đất, Máy va chạm Hadron Lớn.
Trong vòng 1 phút sau khi phát hiện, cơ sở đã gửi một thông báo tự động, cảnh báo cho các nhà thiên văn học khác về việc tìm và chuyển tọa độ đến mảng bầu trời dường như chứa nguồn hạt.
Cộng đồng đã trả lời: Gần 20 kính viễn vọng trên mặt đất và trong không gian đã quét qua dải phổ điện từ, từ sóng vô tuyến năng lượng thấp đến tia gamma năng lượng cao. Các quan sát kết hợp đã tìm ra nguồn gốc của neutrino với một loại blazar đã được biết đến có tên TXS 0506 + 056, nằm cách Trái đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.
Ví dụ, các quan sát tiếp theo của một số thiết bị khác nhau - bao gồm Kính thiên văn vũ trụ tia Fermi Gamma quay quanh Trái đất của NASA và Kính viễn vọng Gamma Imaging Cherenkov (MAGIC) trong Khí quyển - cho thấy một vụ nổ mạnh của tia gamma phát ra từ Quần đảo Canary TXS 0506 + 056. [Vũ trụ Gamma-Ray: Ảnh của Kính viễn vọng Không gian Fermi của NASA]
Nhóm IceCube cũng đã duyệt qua dữ liệu lưu trữ của nó và tìm thấy hơn một chục neutrino vũ trụ khác dường như đến từ cùng một blazar. Những hạt bổ sung này đã được các máy dò tìm từ cuối năm 2014 đến đầu năm 2015.
"Tất cả các mảnh ghép khớp với nhau", Albrecht Karle, một nhà khoa học cao cấp của IceCube và giáo sư vật lý UW-Madison, nói trong một tuyên bố. "Các neutrino bùng lên trong dữ liệu lưu trữ của chúng tôi đã trở thành sự xác nhận độc lập. Cùng với các quan sát từ các đài quan sát khác, đó là bằng chứng thuyết phục cho blazar này là một nguồn của neutrino cực kỳ năng lượng, và do đó là các tia vũ trụ năng lượng cao."
Những phát hiện được báo cáo trong hai nghiên cứu mới được công bố trực tuyến hôm nay (12 tháng 7) trên tạp chí Science. Bạn có thể tìm thấy chúng ở đây và ở đây.
Vật lý thiên văn nhiều người đang gia tăng
Blazar là một loại thiên hà hoạt động siêu mạnh đặc biệt, bắn ra hai tia sáng và hạt, một trong số đó nhắm trực tiếp vào Trái đất. (Đó là một phần lý do tại sao blazar xuất hiện rất sáng đối với chúng tôi - bởi vì chúng tôi đang ở trong dòng lửa phản lực.)
Các nhà thiên văn học đã xác định được hàng ngàn blazar trên khắp vũ trụ, không ai trong số chúng được phát hiện là neutrino trượt vào chúng ta như TXS 0506 + 056.
"Có một cái gì đó đặc biệt về nguồn này, và chúng tôi phải tìm ra nó là gì", Halzen nói với Space.com.
Đó chỉ là một trong nhiều câu hỏi được đưa ra bởi kết quả mới. Ví dụ, Halzen cũng muốn biết cơ chế tăng tốc: Làm thế nào, chính xác, làm blazar có được neutrino và các tia vũ trụ lên đến tốc độ khủng khiếp như vậy?
Halzen bày tỏ sự lạc quan về việc trả lời những câu hỏi như vậy trong tương lai gần, với lý do sức mạnh của "vật lý thiên văn đa năng" - việc sử dụng ít nhất hai loại tín hiệu khác nhau để thẩm vấn vũ trụ - được trưng bày trong hai nghiên cứu mới.
Phát hiện neutrino theo sát gót của một cột mốc đa hành khách khác: Vào tháng 10 năm 2017, các nhà nghiên cứu tuyên bố rằng họ đã phân tích một vụ va chạm giữa hai ngôi sao neutron siêu nặng bằng cách quan sát cả bức xạ điện từ và sóng hấp dẫn phát ra trong sự kiện kịch tính.
"Thời đại của vật lý thiên văn đa hành khách đã ở đây", Giám đốc NSF France Cordova nói trong cùng một tuyên bố. "Mỗi sứ giả - từ bức xạ điện từ, sóng hấp dẫn và giờ là neutrino - cho chúng ta hiểu biết đầy đủ hơn về vũ trụ và những hiểu biết mới quan trọng về các vật thể và sự kiện mạnh nhất trên bầu trời."
