Trong kết xuất nghệ thuật này, một blazar đang tăng tốc các proton tạo ra pion, tạo ra neutrino và tia gamma. Neutrino luôn là kết quả của một phản ứng mãn tính như phản ứng hiển thị ở đây. Tia gamma có thể được tạo ra trong cả tương tác hadronic và điện từ. (ICECUBE / NASA)

Một vũ trụ đầu tiên: Các neutrino năng lượng cực cao được tìm thấy, từ các thiên hà rực sáng trên khắp vũ trụ

Vào năm 1987, chúng tôi đã phát hiện neutrino từ một thiên hà khác trong một siêu tân tinh. Sau 30 năm chờ đợi, chúng tôi đã tìm thấy thứ gì đó thậm chí còn tốt hơn.

Một trong những bí ẩn lớn trong khoa học là xác định không chỉ những gì ngoài kia, mà cả những gì tạo ra các tín hiệu chúng ta phát hiện ở đây trên Trái đất. Trong hơn một thế kỷ, chúng ta đã biết rằng việc nhảy qua vũ trụ là các tia vũ trụ: các hạt năng lượng cao có nguồn gốc từ rất xa thiên hà của chúng ta. Trong khi một số nguồn cho các hạt này đã được xác định, phần lớn trong số chúng, bao gồm cả những nguồn năng lượng mạnh nhất, vẫn còn là một bí ẩn.

Cho đến hôm nay, tất cả điều đó đã thay đổi. Sự hợp tác của IceCube, vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, đã phát hiện ra một neutrino năng lượng cực cao đã đến Nam Cực và có thể xác định được nguồn gốc của nó. Khi một loạt các kính viễn vọng tia gamma nhìn vào cùng một vị trí, họ không chỉ nhìn thấy một tín hiệu, họ còn xác định được một blazar, thứ đang xảy ra vào lúc đó. Cuối cùng, loài người đã phát hiện ra ít nhất một nguồn tạo ra các hạt vũ trụ siêu năng lượng này.

Khi lỗ đen ăn vật chất, chúng tạo ra một đĩa bồi tụ và một máy bay phản lực lưỡng cực vuông góc với nó. Khi một máy bay phản lực từ một lỗ đen siêu lớn chỉ vào chúng tôi, chúng tôi gọi nó là vật thể BL Lacertae hoặc blazar. Điều này hiện được cho là một nguồn chính của cả tia vũ trụ và neutrino năng lượng cao. (NASA / JPL)

Vũ trụ, ở mọi nơi chúng ta nhìn, có rất nhiều thứ để nhìn và tương tác. Vật chất tụ lại với nhau thành các thiên hà, ngôi sao, hành tinh và thậm chí cả con người. Các luồng bức xạ xuyên qua Vũ trụ, bao trùm toàn bộ phổ điện từ. Và trong mỗi centimet khối của không gian, có thể tìm thấy hàng trăm hạt ma quái, khối lượng nhỏ được gọi là neutrino.

Ít nhất, chúng có thể được tìm thấy, nếu chúng tương tác với bất kỳ tần số đáng kể nào với vấn đề bình thường mà chúng ta biết cách thao tác. Thay vào đó, một neutrino sẽ phải trải qua một năm dẫn đầu để có một cú bắn 50/50 va chạm với một hạt trong đó. Trong nhiều thập kỷ sau khi đề xuất vào năm 1930, chúng tôi không thể phát hiện ra neutrino.

Thí nghiệm hạt nhân RA-6 (Cộng hòa Argentina 6), en marcha, cho thấy bức xạ Cherenkov đặc trưng từ các hạt trong nước nhanh hơn ánh sáng phát ra. Các neutrino (hay chính xác hơn là antineutrino) được Pauli đưa ra giả thuyết đầu tiên vào năm 1930 đã được phát hiện từ một lò phản ứng hạt nhân tương tự vào năm 1956. (CENTRO ATOMICO BARILOCHE, VIA PIECK DARÍO)

Năm 1956, lần đầu tiên chúng tôi đã phát hiện ra chúng bằng cách thiết lập các máy dò ngay bên ngoài các lò phản ứng hạt nhân, chỉ cách nơi neutrino được sản xuất. Vào những năm 1960, chúng tôi đã chế tạo các máy dò đủ lớn - dưới lòng đất, được che chắn khỏi các hạt gây ô nhiễm khác - để tìm ra neutrino do Mặt trời tạo ra và do va chạm tia vũ trụ với khí quyển.

Sau đó, vào năm 1987, chỉ có sự tình cờ đã cho chúng ta một siêu tân tinh gần nhà đến mức chúng ta có thể phát hiện neutrino từ nó. Các thí nghiệm chạy cho các mục đích hoàn toàn không liên quan đã phát hiện ra neutrino từ SN 1987A, mở ra kỷ nguyên của thiên văn học đa sứ giả. Neutrino, theo như chúng ta có thể nói, đã đi khắp vũ trụ với năng lượng không thể phân biệt với tốc độ ánh sáng.

Phần còn lại của siêu tân tinh 1987a, nằm trong Đám mây Magellan Lớn cách đó khoảng 165.000 năm ánh sáng. Việc neutrino đến hàng giờ trước tín hiệu ánh sáng đầu tiên đã dạy chúng ta nhiều hơn về thời gian ánh sáng truyền qua các lớp siêu tân tinh của ngôi sao so với tốc độ neutrino truyền tới, không thể phân biệt được với tốc độ ánh sáng. Hiện tại neutrino, ánh sáng và trọng lực dường như di chuyển với cùng tốc độ. (NOEL CARBONI & ESA / ESO / NASA HÌNH ẢNH FITS LIBERATOR)

Trong khoảng 30 năm, neutrino từ siêu tân tinh đó là neutrino duy nhất mà chúng ta từng xác nhận là từ bên ngoài Hệ Mặt trời của chúng ta, ít hơn nhiều so với thiên hà nhà chúng ta. Nhưng điều đó không có nghĩa là chúng ta không nhận được neutrino xa hơn; điều đó chỉ có nghĩa là chúng ta không thể xác định chúng một cách mạnh mẽ với bất kỳ nguồn nào được biết trên bầu trời. Mặc dù neutrino chỉ tương tác rất yếu với vật chất, nhưng chúng có nhiều khả năng tương tác hơn nếu chúng có năng lượng cao hơn.

Đó là nơi đài quan sát neutrino IceCube đi vào.

Đài thiên văn IceCube, đài quan sát neutrino đầu tiên thuộc loại này, được thiết kế để quan sát các hạt năng lượng cao, khó nắm bắt này từ bên dưới lớp băng ở Nam Cực. (EMANUEL JACOBI, ICECUBE / NSF)

Sâu bên trong băng Nam Cực, IceCube chứa một km khối vật chất rắn, tìm kiếm những neutrino gần như không khối lượng này. Khi neutrino đi qua Trái đất, sẽ có cơ hội tương tác với một hạt trong đó. Một sự tương tác sẽ dẫn đến một cơn mưa các hạt, sẽ để lại chữ ký không thể nhầm lẫn trong máy dò.

Trong hình minh họa này, một neutrino đã tương tác với một phân tử băng, tạo ra một hạt thứ cấp - muon - di chuyển với tốc độ tương đối tính trong băng, để lại dấu vết của ánh sáng xanh phía sau nó. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Trong sáu năm mà IceCube đã hoạt động, họ đã phát hiện hơn 80 neutrino vũ trụ năng lượng cao có năng lượng trên 100 TeV: gấp mười lần năng lượng cao nhất đạt được bởi bất kỳ hạt nào tại LHC. Một số trong số họ thậm chí đã phá vỡ thang đo PeV, đạt được năng lượng lớn hơn hàng nghìn lần so với những gì cần thiết để tạo ra những hạt cơ bản nặng nhất đã biết.

Tuy nhiên, bất chấp tất cả các neutrino có nguồn gốc vũ trụ đã đến Trái đất, chúng ta chưa bao giờ kết hợp chúng với một nguồn trên bầu trời cung cấp một vị trí dứt khoát. Phát hiện các neutrino này là một kỳ công to lớn, nhưng trừ khi chúng ta có thể tương quan chúng với một vật thể quan sát thực tế trong Vũ trụ - ví dụ, điều đó cũng có thể quan sát được dưới một dạng ánh sáng điện từ - chúng ta không biết gì về thứ tạo ra chúng.

Khi một neutrino tương tác trong lớp băng ở Nam Cực rõ ràng, nó tạo ra các hạt thứ cấp để lại dấu vết của ánh sáng xanh khi chúng đi qua máy dò IceCube. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Các nhà lý luận đã không có vấn đề gì với các ý tưởng, bao gồm:

  • hypernovae, siêu tân tinh nhất trong tất cả các siêu tân tinh,
  • vụ nổ tia gamma,
  • lỗ đen bùng lên,
  • hoặc quasar, lỗ đen lớn nhất, hoạt động trong Vũ trụ.

Nhưng nó sẽ lấy bằng chứng để quyết định.

Một ví dụ về sự kiện neutrino năng lượng cao được phát hiện bởi IceCube: một neutrino 4,45 PeV tấn công máy dò trở lại vào năm 2014. (ICECUBE SOUTH POLE NEUTRINO OBSERVATORY / NSF / TRƯỜNG ĐẠI HỌC WISCONSIN-MADISON)

IceCube đã theo dõi và phát hành các bản phát hành với mọi neutrino năng lượng cực cao mà họ đã tìm thấy. Vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, một sự kiện như vậy đã được nhìn thấy: IceCube-170922A. Trong bản phát hành đi ra, họ đã tuyên bố như sau:

Vào ngày 22 tháng 9 năm 2017, IceCube đã phát hiện một sự kiện có năng lượng rất cao giống như theo dõi với xác suất cao là có nguồn gốc vật lý thiên văn. Sự kiện này được xác định bằng lựa chọn sự kiện theo dõi Năng lượng cực cao (EHE). Máy dò IceCube ở trạng thái hoạt động bình thường. Các sự kiện EHE thường có một đỉnh tương tác neutrino nằm bên ngoài máy dò, tạo ra một muon đi ngang qua âm lượng của máy dò và có mức ánh sáng cao (một proxy cho năng lượng).
Tia vũ trụ hạt tắm bằng cách tấn công các proton và nguyên tử trong khí quyển, nhưng chúng cũng phát ra ánh sáng do bức xạ Cherenkov. Bằng cách quan sát cả các tia vũ trụ từ bầu trời và neutrino tấn công Trái đất, chúng ta có thể sử dụng sự trùng hợp để khám phá nguồn gốc của cả hai. (SIMON SWORDY (U. CHICAGO), NASA)

Nỗ lực này rất thú vị không chỉ đối với neutrino, mà còn đối với các tia vũ trụ nói chung. Mặc dù thực tế là chúng ta đã thấy hàng triệu tia năng lượng cao trong vũ trụ trong hơn một thế kỷ, chúng ta không hiểu phần lớn chúng bắt nguồn từ đâu. Điều này đúng với các proton, hạt nhân và neutrino được tạo ra ở cả nguồn và thông qua các tầng / vòi hoa sen trong khí quyển.

Đó là lý do tại sao nó hấp dẫn rằng, cùng với cảnh báo, IceCube cũng đưa ra tọa độ cho nơi neutrino này nên có nguồn gốc trên bầu trời, ở vị trí sau:

  • RA: 77,43 độ (-0,80 độ / + 1,30 độ 90% ngăn chặn PSF) J2000
  • Tháng 12: 5,72 độ (-0,40 độ / + 0,70 độ 90% ngăn chặn PSF) J2000

Và điều đó đã dẫn các nhà quan sát, cố gắng thực hiện các quan sát tiếp theo trên phổ điện từ, đến đối tượng này.

Ấn tượng của nghệ sĩ về hạt nhân thiên hà hoạt động. 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. Một vầng sáng cách xa khoảng 4 tỷ năm ánh sáng là nguồn gốc của các tia vũ trụ và neutrino này. (DESY, LAB TRUYỀN THÔNG KHOA HỌC)

Đây là một blazar: một lỗ đen siêu lớn hiện đang ở trạng thái hoạt động, ăn vật chất và đẩy nó đến tốc độ khủng khiếp. Blazar giống như chuẩn tinh, nhưng với một sự khác biệt quan trọng. Trong khi các quasar có thể được định hướng theo bất kỳ hướng nào, một blazar sẽ luôn có một trong các máy bay phản lực của nó hướng thẳng vào Trái đất. Chúng được gọi là blazar bởi vì chúng rực lửa ngay tại bạn.

Blazar đặc biệt này được gọi là TXS 0506 + 056 và khi một loạt các đài quan sát, bao gồm đài quan sát Fermi của NASA và kính viễn vọng MAGIC trên mặt đất ở Quần đảo Canary, đã phát hiện ra tia gamma phát ra từ nó ngay lập tức.

Khoảng 20 đài quan sát trên Trái đất và trong không gian đã thực hiện các quan sát tiếp theo về vị trí mà IceCube quan sát neutrino tháng 9 năm ngoái, cho phép xác định những gì các nhà khoa học coi là nguồn neutrino năng lượng rất cao và do đó, là các tia vũ trụ. Bên cạnh neutrino, các quan sát được thực hiện trên phổ điện từ bao gồm tia gamma, tia X và bức xạ quang học và vô tuyến. (NICOLLE R. FULLER / NSF / ICECUBE)

Không chỉ vậy, nhưng khi neutrino đến, blazar được tìm thấy ở trạng thái bùng phát, tương ứng với các hoạt động mạnh nhất chảy ra từ một vật thể như vậy. Kể từ khi vượt quá đỉnh và giảm, các nhà nghiên cứu liên kết với IceCube đã trải qua các kỷ lục trị giá một thập kỷ trước khi bùng phát ngày 22 tháng 9 năm 2017 và tìm kiếm bất kỳ sự kiện neutrino nào có nguồn gốc từ vị trí của TXS 0506 + 056.

Việc tìm thấy ngay lập tức? Neutrino đến từ vật thể này trong nhiều vụ nổ, kéo dài nhiều năm. Bằng cách kết hợp các quan sát neutrino với các điện từ, chúng tôi mạnh mẽ có thể xác định rằng neutrino năng lượng cao được tạo ra bởi blazar và chúng tôi có khả năng phát hiện ra chúng, thậm chí từ khoảng cách rất xa. TXS 0506 + 056, nếu bạn tò mò, nằm cách xa khoảng 4 tỷ năm ánh sáng.

Blazar TXS 0506 + 056 là nguồn neutrino và tia vũ trụ năng lượng cao đầu tiên được xác định. Hình minh họa này, dựa trên hình ảnh Orion của NASA, cho thấy vị trí của blazar, nằm trên bầu trời đêm ngay ngoài vai trái của chòm sao Orion. Nguồn này cách Trái đất khoảng 4 tỷ năm ánh sáng. (ICECUBE / NASA / NSF)

Một số lượng lớn có thể được học chỉ từ một quan sát đa sứ giả này.

  • Blazar đã được chứng minh là ít nhất một nguồn tia vũ trụ.
  • Để tạo ra neutrino, bạn cần các pion phân rã và chúng được tạo ra bởi các proton gia tốc.
  • Điều này cung cấp bằng chứng dứt khoát đầu tiên về gia tốc proton bằng các lỗ đen.
  • Điều này cũng chứng tỏ rằng blazar TXS 0506 + 056 là một trong những nguồn phát sáng nhất trong Vũ trụ.
  • Cuối cùng, từ các tia gamma đi kèm, chúng ta có thể chắc chắn rằng neutrino vũ trụ và các tia vũ trụ, ít nhất là đôi khi, có nguồn gốc chung.
Các tia vũ trụ được tạo ra bởi các nguồn vật lý thiên văn năng lượng cao có thể chạm tới bề mặt Trái đất. Khi một tia vũ trụ va chạm với một hạt trong bầu khí quyển của Trái đất, nó sẽ tạo ra một cơn mưa các hạt mà chúng ta có thể phát hiện với các mảng trên mặt đất. Cuối cùng, chúng tôi đã phát hiện ra một nguồn chính của họ. (ASPERA THU THẬP / ASTROPARTICLE ERANET)

Theo Frances Halzen, điều tra viên chính của đài thiên văn neutrino IceCube,

Điều thú vị là có một sự đồng thuận chung trong cộng đồng vật lý thiên văn rằng blazar dường như không phải là nguồn của tia vũ trụ, và ở đây chúng ta là Khả năng của các kính viễn vọng trên toàn cầu để thực hiện một khám phá sử dụng nhiều bước sóng khác nhau và kết hợp với máy dò neutrino giống như IceCube đánh dấu một mốc quan trọng trong những gì các nhà khoa học gọi là thiên văn học đa sứ giả.

Thời đại của thiên văn học đa sứ giả đã chính thức ở đây, và bây giờ chúng ta có ba cách nhìn hoàn toàn độc lập và bổ sung cho bầu trời: với ánh sáng, với neutrino và với sóng hấp dẫn. Chúng ta đã học được rằng blazar, từng được coi là một ứng cử viên không thể tạo ra neutrino năng lượng cao và các tia vũ trụ, trên thực tế tạo ra cả hai.

Đây là ấn tượng của một nghệ sĩ về một quasar xa xôi 3C 279. Các máy bay phản lực lưỡng cực là một đặc điểm phổ biến, nhưng nó cực kỳ hiếm khi một máy bay phản lực như vậy được chĩa thẳng vào chúng tôi. Khi điều đó xảy ra, chúng ta có một Blazar, hiện được xác nhận là nguồn của cả các tia vũ trụ năng lượng cao và neutrino năng lượng cực cao mà chúng ta đã thấy trong nhiều năm. (ESO / M. KORNMESSER)

Một lĩnh vực khoa học mới, đó là thiên văn học neutrino năng lượng cao, chính thức ra mắt với khám phá này. Neutrino không còn là sản phẩm phụ của các tương tác khác, cũng không phải là sự tò mò vũ trụ mà hầu như không vượt ra ngoài Hệ mặt trời của chúng ta. Thay vào đó, chúng ta có thể sử dụng chúng như một thăm dò cơ bản của Vũ trụ và của các định luật vật lý cơ bản của chính nó. Một trong những mục tiêu chính trong việc xây dựng IceCube là xác định nguồn gốc của neutrino vũ trụ năng lượng cao. Với việc xác định blazar TXS 0506 + 056 là nguồn cho cả các neutrino và tia gamma này, đó là một giấc mơ vũ trụ cuối cùng đã đạt được.

Starts With A Bang hiện đã có mặt trên Forbes và được tái bản trên Medium nhờ những người ủng hộ Patreon của chúng tôi. Ethan là tác giả của hai cuốn sách Beyond The Galaxy và Treknology: The Science of Star Trek from Tricnings to Warp Drive.