Hình ảnh đầu tiên về ‘hạt tử thần’ của Dải Ngân Hà gây sốc cho các nhà khoa học và những người đam mê thiên văn

Dải ngân hà của chúng ta, một cảnh tượng ngoạn mục tô điểm cho bầu trời đêm, luôn thu hút trí tưởng tượng của chúng ta. Tất cả chúng ta đều ngạc nhiên trước những hình ảnh tuyệt vời về thiên hà quê hương của chúng ta được chụp bởi Hubble hoặc Kính viễn vọng Không gian James Webb gần đây hơn. Giờ đây, các nhà khoa học tại Đài quan sát Neutrino IceCube đã chụp được hình ảnh đầu tiên của Dải Ngân hà bằng cách sử dụng các hạt bí ẩn được gọi là neutrino.

Trong một nghiên cứu mới, IceCube Collaboration, một nhóm quốc tế gồm hơn 350 nhà khoa học, đưa ra bằng chứng thuyết phục về sự phát xạ neutrino năng lượng cao bắt nguồn từ lõi ngôi nhà thiên hà của chúng ta.

Lộ diện sứ giả ma

Neutrino có thể được coi là sứ giả giống như bóng ma của vũ trụ. Chúng có khối lượng rất nhỏ và chỉ tương tác yếu với vật chất, kể cả các hạt khác và thậm chí cả ánh sáng.

Neutrino là các hạt cơ bản, nghĩa là chúng không được tạo thành từ các hạt nhỏ hơn. Chúng thuộc họ gọi là “lepton”, cũng bao gồm các điện tử thông thường. Tuy nhiên, neutrino có khối lượng rất nhỏ so với electron, đó là lý do tại sao chúng thường được gọi là “hạt ma”.

Chúng đi qua vũ trụ mà không bị cản trở, cho phép các nhà khoa học khám phá những góc tối nhất của vũ trụ, ngoài tầm với của ánh sáng. Hàng nghìn tỷ hạt neutrino đi qua cơ thể bạn mỗi giây, nhưng bạn sẽ không nhận thức được sự hiện diện của chúng vì chúng hiếm khi va chạm với các hạt khác. Nhưng điều này cũng khiến chúng rất khó bị phát hiện và nghiên cứu.

Các nhà khoa học đã chế tạo những máy dò đặc biệt nằm sâu dưới lòng đất hoặc dưới những vùng nước lớn để thu giữ neutrino. Những máy dò này được thiết kế để phát hiện những dấu vết mờ nhạt của bức xạ được tạo ra khi neutrino thỉnh thoảng tương tác với vật chất. Bằng cách nghiên cứu các tương tác này, các nhà khoa học có thể tìm hiểu thêm về các tính chất của neutrino và các quá trình tạo ra chúng.

Máy dò IceCube là một máy dò neutrino như vậy. Nằm ở Nam Cực, đây là máy dò neutrino lớn nhất thế giới và hoạt động bằng cách tận dụng các đặc tính của băng.

IceCube bao gồm hàng nghìn cảm biến quang hình cầu, được gọi là mô-đun quang kỹ thuật số (DOM), được nhúng trong một km khối băng ở Nam Cực. DOM này trải rộng trên lưới, kéo dài đến độ sâu khoảng 2,5 km. Mỗi DOM chứa một ống nhân quang điện có thể phát hiện những tia sáng yếu được tạo ra khi neutrino tương tác với băng.

Khi neutrino va chạm với hạt nhân nguyên tử trong băng, chúng tạo ra các hạt thứ cấp, bao gồm các hạt tích điện gọi là muon và ánh sáng hơi xanh nhạt gọi là bức xạ Cherenkov. Ánh sáng Cherenkov truyền qua lớp băng và được phát hiện bởi DOM. Bằng cách đo mô hình và thời gian của những vụ nổ ánh sáng này, các nhà khoa học có thể tái tạo lại hướng và năng lượng của neutrino tới.

IceCube không chỉ được thiết kế để phát hiện neutrino từ các nguồn vật lý thiên văn như siêu tân tinh hoặc hạt nhân thiên hà đang hoạt động mà còn để tìm kiếm neutrino năng lượng cao từ bên ngoài hệ mặt trời của chúng ta. Những hạt neutrino năng lượng cao này là những hạt có năng lượng lớn hơn hàng triệu đến hàng tỷ lần so với năng lượng được tạo ra bởi các phản ứng nhiệt hạch sao.

Trong một thành tựu to lớn, Đài quan sát Neutrino IceCube hiện đã phát hiện ra các neutrino năng lượng cao bằng một kỹ thuật mới và sử dụng tín hiệu này để biên soạn một bản đồ mới của Dải Ngân hà.

“Điều thú vị là, không giống như trường hợp ánh sáng ở bất kỳ bước sóng nào, trong neutrino, vũ trụ áp đảo các nguồn lân cận trong thiên hà của chúng ta,” Francis Halzen, giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin–Madison và là nhà điều tra chính của IceCube, cho biết.

“Như thường lệ, những khám phá quan trọng trong khoa học được thực hiện nhờ những tiến bộ trong công nghệ,” Denise Caldwell, giám đốc Bộ phận Vật lý của NSF cho biết.

“Các khả năng được cung cấp bởi máy dò IceCube có độ nhạy cao, kết hợp với các công cụ phân tích dữ liệu mới, đã cho chúng ta một cái nhìn hoàn toàn mới về thiên hà của chúng ta—một cái nhìn mà trước đây chỉ có thể tưởng tượng được. Khi những khả năng này tiếp tục được hoàn thiện, chúng ta có thể mong đợi nhìn thấy những bức ảnh này xuất hiện với độ phân giải ngày càng tăng, có khả năng tiết lộ những đặc điểm tiềm ẩn của thiên hà của chúng ta mà con người chưa từng thấy.

Để nắm bắt được các hạt neutrino khó nắm bắt do thiên hà của chúng ta phát ra, Nhóm hợp tác IceCube đã tập trung tìm kiếm của họ vào bầu trời phía nam, nơi dự kiến ​​sẽ có phần lớn phát xạ neutrino từ mặt phẳng thiên hà. Tuy nhiên, sự hiện diện của các muon và neutrino nền được tạo ra bởi sự tương tác của các tia vũ trụ với bầu khí quyển của Trái đất là một thách thức đáng kể.

Để vượt qua trở ngại này, các nhà khoa học tại Đại học Drexel, phối hợp với IceCube, đã phát triển phân tích phức tạp nhắm vào các sự kiện “xếp tầng”—các tương tác neutrino trong băng tạo ra các chùm ánh sáng hình cầu. Bằng cách cô lập những sự kiện này, sự ô nhiễm từ muon và neutrino trong khí quyển đã giảm đáng kể, dẫn đến độ tinh khiết cao hơn của neutrino vật lý thiên văn có nguồn gốc từ bầu trời phía nam.

Trao quyền cho thiên văn học với AI

Bước đột phá thực sự trong nỗ lực này đến từ việc tích hợp các kỹ thuật máy học được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học TU Dortmund, cũng là một phần của Hợp tác IceCube. Phương pháp tiên tiến này cải thiện hơn nữa việc xác định các tầng do neutrino gây ra, cải thiện độ chính xác của hướng và tái tạo năng lượng.

Mirco Hünnefeld, tiến sĩ vật lý. sinh viên tại Đại học TU Dortmund và nhà phân tích đồng lãnh đạo, nhấn mạnh tác động của tiến bộ này: “Phương pháp cải tiến cho phép chúng tôi giữ lại một trật tự các sự kiện neutrino cường độ cao hơn với khả năng tái tạo góc tốt hơn, dẫn đến một phép phân tích nhạy hơn ba lần so với trước đây tìm kiếm.”

Các tia vũ trụ, bao gồm các proton năng lượng cao và các hạt nhân nặng hơn, cũng bắt nguồn từ bên trong thiên hà của chúng ta. Khi chúng tương tác với khí và bụi thiên hà, chúng tạo ra tia gamma và neutrino. Việc phát hiện các tia gamma phát ra từ mặt phẳng thiên hà đã cho thấy tiềm năng của Dải Ngân hà là một nguồn neutrino năng lượng cao.

Bộ dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm 60.000 neutrino đáng kinh ngạc trong dữ liệu IceCube trong một thập kỷ. Bộ sưu tập lớn này lớn hơn ba mươi lần so với bộ sưu tập được sử dụng trong các phân tích trước đây về mặt phẳng thiên hà dựa trên các sự kiện tầng. Các neutrino này được so sánh cẩn thận với các bản đồ dự đoán thu được từ các quan sát tia gamma của Dải Ngân hà do Kính viễn vọng Diện tích lớn Fermi tạo ra, cũng như một bản đồ thay thế do một nhóm các nhà lý thuyết gọi là KRA-gamma xây dựng.

Ignacio Taboada, giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Georgia và phát ngôn viên của IceCube, cho biết: “Bằng chứng mạnh mẽ về Dải Ngân hà với tư cách là nguồn neutrino năng lượng cao đã vượt qua các bài kiểm tra nghiêm ngặt của sự hợp tác”.

Với thành tích đáng chú ý này, bước tiếp theo là xác định các nguồn cụ thể trong thiên hà của chúng ta. Phân tích tiếp theo theo kế hoạch của IceCube nhằm giải quyết câu hỏi hấp dẫn này và mở khóa những bí mật của Dải Ngân hà, cho phép chúng ta nhìn vũ trụ qua một lăng kính hoàn toàn mới.

Naoko Kurahashi Neilson, giáo sư vật lý tại Đại học Drexel, cho biết: “Việc quan sát thiên hà của chúng ta lần đầu tiên bằng cách sử dụng các hạt thay vì ánh sáng là một bước tiến lớn. Khi thiên văn học neutrino phát triển, chúng ta sẽ có một thấu kính mới để quan sát vũ trụ”. và là thành viên của IceCube.

Những phát hiện đã được báo cáo trong hai nghiên cứu được công bố trên tạp chí Khoa học đồng thời (thứ nhất và thứ hai).