Giải mã bí ẩn năng lượng tia vũ trụ

Tuần này, lần đầu tiên trong lịch sử nhân loại, các nhà khoa học đã có thể lần ra nguồn gốc của một loại hạt hạ nguyên tử, còn gọi là “hạt ma”, đã di chuyển 3,7 tỷ năm ánh sáng để đến Trái Đất.

Giải mã bí ẩn năng lượng tia vũ trụ
Giải mã bí ẩn năng lượng tia vũ trụ

Loại hạt cực nhỏ, cao năng lượng đến từ vũ trụ này có tên gọi khoa học là hạt neutrino, và nó được phát hiện nhờ các bộ cảm ứng bên trong đài quan sát IceCube, một cơ sở khổng lồ nằm sâu 1 dặm bên dưới bề mặt của Nam Cực. 

Các nhà khoa học cùng nhiều đài quan sát trên thế giới từ lâu đã có thể theo dõi hạt neutrino từ một ngân hà có tồn tại một hố đen cực lớn ở trung tâm và dao động nhanh, còn gọi là blazar. Ngân hà này nằm phía bên trái của chòm sao Orion (Thiên Lang) và cách Trái Đất khoản 4 tỷ năm ánh sáng.

Giới khoa học nói rằng phát hiện vừa qua sẽ mở ra một thời kỳ mới của ngành nghiên cứu vũ trụ học, cho phép sử dụng hạt nrutrino để nghiên cứu và quan sát vũ trụ theo một cách chưa từng có tiền lệ. Và phát hiện mới cũng cho phép các nhà khoa học theo dõi nguồn gốc bí ẩn của các tia vũ trụ, lần đầu tiên trong lịch sử.

“Phát hiện này sẽ mở ra hẳn một lĩnh vực nghiên cứu mới liên quan tới hạt cao năng lượng neutrino, chúng tôi mong đợi sẽ có những đột phát mới trong việc tìm hiểu về vũ trụ và vật lý cơ bản - trong đó gồm cả việc giải thích làm sao mà các hạt cao năng lượng này được sản sinh ra” - Doug Cowen, thành viên sáng lập đài quan sát IceCube hiện đang làm việc tại ĐH bang Pennsylvania, Mỹ, cho hay.

“Trong suốt 20 năm qua, một trong những ước mơ của chúng tôi là xác nhận được nguồn phát các hạt cao năng neutrino, và dường như chúng tôi đã hiện thực hóa ước mơ này” - ông Cowen nói thêm.

Phát hiện chấn động trên đã được đăng tải trong 2 bài viết khác nhau trên tạp chí khoa học danh tiếng Science số ra hôm 12/7.

Neutrino, tia vũ trụ và blazar là gì?

Neutrino được giới khoa học nhắc tới như một loại “hạt ma” bởi chúng chúng cực kỳ không ổn định, dễ bốc hơi, là loại hạt có thể đi xuyên qua bất kỳ loại vật chất nào mà không bị biến đổi. Và chúng gần như không có khối lượng. Chúng có thể di chuyển qua phần lớn những môi trường cực kỳ khắc nghiệt, như những ngôi sao, hành tinh và toàn bộ dải ngân hà, trong khi vẫn không bị biến đổi. Trước khi có phát hiện mới này, giới khoa học chỉ đưa ra 2 nguồn chính sản sinh neutrino: Mặt Trời và một siêu tân tinh.

Tia vũ trụ, các hạt cao năng lượng bậc nhất trong vũ trụ, xuất phát từ ngoài không gian và đổ bộ vào Trái Đất. Các hạt này lần đầu tiên được phát hiện cách đây hơn 100 năm, vào năm 1912, bởi nhà vật lý học Victor Hess. Ông cho rằng nó đến từ vũ trụ.

Tia vũ trụ phần lớn cấu thành bởi các hạt proton và hạt nhân của nguyên tử, và chúng được phát đi trong khắp vũ trụ bởi nguồn phát của chúng được xem như một máy phát hạt cực kỳ mạnh mẽ, mạnh hơn rất rất nhiều so với Máy Gia tốc Hạt lớn (LHC) mà con người chế tạo, đang đặt ở Geneva, Thụy Sỹ. Nhưng tia vũ trụ đã khiến giới khoa học bối rối kể từ khi họ phát hiện ra nó: Nguồn gốc của nó từ đâu? Thứ gì phát ra nó và phóng nó đi khắp vũ trụ?

Và hạt neutrino có thể giúp đưa ra câu trả lời, bởi chúng mang thông tin độc nhất về nơi chúng được tạo ra.

Điểm đặc biệt của một blazar chính là một ngân hà dạng elip bao gồm 2 luồng phát ánh sáng và phát ra hạt, di chuyển với tốc độ gần bằng vận tốc ánh sáng dọc theo các trục của hố đen. Chúng có thể lóe sáng trong vài phút hoặc trong vài tháng. Và luồng bức xạ mà nó phát ra hướng về phái Trái Đất.

Giới khoa học từng cho rằng các loại hạt cao năng lượng này có thể được tạo ra từ blazar bởi blazar hoạt động như một “máy gia tốc vũ trụ”, ảnh hưởng tới proton và neutron, biến chúng thành các tia vũ trụ. Do tia vũ trụ mang trong mình năng lượng lớn gấp hàng trăm triêu lần lượng năng lượng mà LHC có thể tạo ra, nên chỉ có thứ gì đó cực mạnh mới có thể tạo nên chúng; giới khoa học nhận định.

Do tia vũ trụ bản chất là các loại hạt được gia tốc, nên rất khó để có thể theo dõi đường đi của chúng để từ đó tìm ra nguồn gốc, bởi các trường từ tính ảnh hưởng và làm thay đổi hướng đi của nó. Nhưng neutrino lại khác, dù có năng lượng cao nhưng lại không được gia tốc, và ngay cả trường từ tính mạnh nhất cũng không thể ảnh hưởng đến loại hạt này.

Chính vì lý do trên, giới khoa học nếu muốn xác định nguồn phát tia vũ trụ thì cần phải tìm hiểu về nguồn gốc của neutrino trước. Cũng bởi vậy mà trạm quan sát IceCube đã được lập ra.

Giải mã bí ẩn năng lượng tia vũ trụ - ảnh 1 Trạm quan sát IceCube đặt ở Nam Cực đã giúp giới khoa học phát hiện ra nguồn gốc của “hạt ma” neutrino.

Phát hiện đầu tiên về nguồn gốc của neutrino

Đài quan sát IceCube bắt đầu vận hành ở Nam Cực vào năm 2010. Được rót vốn phần lớn bởi Tổ chức Khoa học Quốc gia (NSF) của Mỹ, cùng sự đóng góp của nhiều tổ chức trên thế giới, IceCube có nhiệm vụ phát hiện các hạt neutrino cao năng lượng. Nó cũng là cỗ máy dò lớn nhất cùng loại.

Để xây dựng nó, người ta đã phải đào 86 hố lớn trên băng, mỗi hố sâu 1 dặm rưỡi, và mắc một mạng lưới gồm 5.160 bộ cảm ứng ánh sáng trên một khung 1 km khối. IceCube được vận hành bởi một đội ngũ khoa học thuộc ĐH Madison-Wisconsin, và có sự tham gia của khoảng 300 nhà khoa học cùng 49 tổ chức khác.

Năm 2013, IceCube phát hiện ra các hạt neutrino đầu tiên mang trong mình năng lượng cao đến từ chính thiên hà của chúng ta. Kể từ đó, nó đã phát hiện được 82 hạt neutrino cao năng lượng nhưng vẫn chưa thể lần theo dấu vết của chúng. IceCube quan sát không gian và phát hiện khoảng 200 hạt neutrino mỗi ngày, nhưng phần lớn đều là neutrino năng lượng thấp, được tạo nên khi các tia vũ trụ tương tác với bầu khí quyển Trái Đất.

Vào ngày 22/9/2013, điều đó đã thay đổi khi hạt neutrino có tên gọi IceCube-170922A được phát hiện.Nó có năng lượng 300 triệu electron volt (eV). Được biết, khi một hạt neutrino tương tác với hạt nhân của một nguyên tử, nó tạo ra một hạt được gia tốc thứ hai, sản sinh ra một luồng sáng xanh có thể phát hiện được bởi mạng lưới cảm ứng ánh sáng của IceCube.

Khi phát hiện ra sự kiện trên, hệ thống cảnh báo thời gian thực của IceCube tự động được kích hoạt. Điều này cho phép 18 đài quan sát trên Trái Đất và ngoài không gian thu thập dữ liệu về nguồn gốc của hạt neutrino thông qua các dải quang phổ điện từ nó phát ra: Tia gamma năng lượng cao, tia X, ánh sáng mắt thường có thể nhìn thấy và sóng radio.

Và họ lần ra được nguồn gốc của hạt neutrino nọ là một blazar, có tên TXS 0506+056. Blazar này đã được giới khoa học phát hiện từ trước, nhưng vẫn chưa nghiên cứu sâu hơn về nó. Quan sát tia gamma mà nó phát ra, họ nhận ra rằng blazar này là một trong những vật thể phát sáng nhất trong vũ trụ.

Các nhà nghiên cứu cuối cùng phát hiện ra các tia gamma với nguồn năng lượng lớn đến từ blazar này. Phóng xạ phát ra từ nó đạt mức năng lượng ít nhất là 400 giga eV, tức 400 tỷ eV. Kết quả này cho thấy ngoài hạt neutrino, một phần của các tia gamma được sản sinh bởi các hạt proton cao năng lượng, nhờ đó giới khoa học xác định được rằng cả neutrino và tia gamma bắt nguồn từ proton.

Quan sát vũ trụ theo cách nhìn mới

Phát hiện đột phá trong tuần này đã đưa ra một cách thức mới để loài người nghiên cứu về vũ trụ, bởi hạt neutrino đưa ra một cách mới trong quan sát vũ trụ.

“Đây là chứng cứ đầu tiên mà chúng tôi có về việc một thiên hà hoạt động mạnh phát ra các hạt neutrino. Chúng tôi sẽ sớm sử dụng neutrino để quan sát vũ trụ theo cách mới, nhằm  hiểu thêm về các vật thể theo cách chưa từng có tiền lệ” - Marcos Santander, Giáo sư vật lý và vũ trụ học thuộc ĐH Alabama và là đồng tác giả của báo cáo mới, cho hay.

“Tất cả vũ trụ học đều xoay quanh ánh sánh. Bạn có thể nhìn thấy một ngôi sao là nhờ photon - tức ánh sáng - đập vào mắt bạn” - Naoko Kurahashi Neilson, Giáo sư thuộc ĐH Drexel, giải thích - “Nếu tôi chiếu đền pin vào mặt bàn, bạn chỉ nhìn thấy ánh sáng ở một mặt. Nhưng nếu cái đèn pin đó phát ra hạt neutrino, hạt này sẽ đi xuyên qua mặt bàn, giúp bạn nhìn thấy cả hai mặt của chiếc bàn”.

Hiện nay, nhiều máy phát hiện hạt neutrino mới cũng đã được lắp đặt nhằm giúp nhân loại tăng khả năng phát hiện loại hạt này, từ đó xác định nguồn gốc của chúng một cách chi tiết hơn.    

Neutrino được giới khoa học nhắc tới như một loại “hạt ma” bởi chúng chúng cực kỳ không ổn định, dễ bốc hơi, là loại hạt có thể đi xuyên qua bất kỳ loại vật chất nào mà không bị biến đổi. Và chúng gần như không có khối lượng.

 

Theo Đại Đoàn Kết

Video đang được xem nhiều

Cùng chuyên mục

Xem thêm Khoa học

Mới - Nóng

Khám phá