Bản đồ mới của vũ trụ, được vẽ bằng neutrino vũ trụ | Tạp chí lượng tử

Trong số 100 nghìn tỷ neutrino đi qua bạn mỗi giây, hầu hết đến từ mặt trời hoặc bầu khí quyển của Trái đất. Nhưng một phần nhỏ của các hạt - những hạt chuyển động nhanh hơn nhiều so với phần còn lại - đã di chuyển đến đây từ các nguồn mạnh ở xa hơn. Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý thiên văn đã tìm kiếm nguồn gốc của các neutrino “vũ trụ” này. Giờ đây, Đài quan sát Neutrino IceCube cuối cùng đã thu thập đủ chúng để tiết lộ các mô hình nhận biết về nơi chúng đến.

Trong một bài báo được xuất bản ngày hôm nay trong Khoa học, nhóm nghiên cứu đã tiết lộ bản đồ đầu tiên của Dải Ngân hà tính bằng neutrino. (Thông thường thiên hà của chúng ta được lập bản đồ bằng các photon, các hạt ánh sáng.) Bản đồ mới cho thấy một đám mây neutrino vũ trụ lan tỏa phát ra từ khắp Dải Ngân hà, nhưng kỳ lạ thay, không có nguồn riêng lẻ nào nổi bật. “Đó là một bí ẩn,” nói Francis Halzen, người lãnh đạo IceCube.

Kết quả tuân theo một Nghiên cứu IceCube từ mùa thu năm ngoái, cũng trong Khoa học, đó là lần đầu tiên kết nối neutrino vũ trụ với một nguồn riêng lẻ. Nó cho thấy rằng một lượng lớn neutrino vũ trụ được đài quan sát phát hiện cho đến nay đến từ trung tâm của một thiên hà “đang hoạt động” có tên là NGC 1068. Trong lõi phát sáng của thiên hà, vật chất xoắn ốc thành một lỗ đen siêu lớn ở trung tâm, bằng cách nào đó tạo ra neutrino vũ trụ trong quá trình.

“Thật là vui,” nói Kate Scholberg, một nhà vật lý neutrino tại Đại học Duke, người không tham gia nghiên cứu. “Họ đã thực sự xác định được một thiên hà. Đây là điều mà toàn bộ cộng đồng thiên văn học neutrino đã cố gắng thực hiện mãi mãi.”

Việc xác định chính xác các nguồn neutrino vũ trụ mở ra khả năng sử dụng các hạt này như một thăm dò mới của vật lý cơ bản. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng neutrino có thể được sử dụng để mở các vết nứt trong Mô hình Chuẩn đang thịnh hành của ngành vật lý hạt và thậm chí kiểm tra các mô tả lượng tử về lực hấp dẫn.

Tuy nhiên, việc xác định nguồn gốc của ít nhất một số neutrino vũ trụ chỉ là bước đầu tiên. Người ta biết rất ít về cách hoạt động xung quanh một số lỗ đen siêu lớn tạo ra các hạt này và cho đến nay bằng chứng chỉ ra nhiều quá trình hoặc hoàn cảnh.

Nguồn gốc được tìm kiếm từ lâu

Dù dồi dào như vậy, neutrino thường xuyên qua Trái đất mà không để lại dấu vết; một máy dò cực lớn phải được chế tạo để phát hiện đủ chúng để nhận biết các mẫu theo hướng chúng đến. IceCube, được chế tạo cách đây 12 năm, bao gồm các chuỗi máy dò dài hàng km được khoan sâu vào lớp băng ở Nam Cực. Mỗi năm, IceCube phát hiện khoảng hơn chục neutrino vũ trụ với năng lượng cao đến mức chúng rõ ràng nổi bật trên màn sương mù của neutrino khí quyển và mặt trời. Các phân tích phức tạp hơn có thể tách ra thêm các neutrino vũ trụ ứng cử viên từ phần còn lại của dữ liệu.

Các nhà vật lý thiên văn biết rằng neutrino năng lượng như vậy chỉ có thể phát sinh khi hạt nhân nguyên tử chuyển động nhanh, được gọi là tia vũ trụ, va chạm với vật chất ở đâu đó trong không gian. Và rất ít nơi trong vũ trụ có từ trường đủ mạnh để kích thích các tia vũ trụ đạt đủ năng lượng. Các vụ nổ tia gamma, những tia sáng siêu sáng xảy ra khi một số ngôi sao trở thành siêu tân tinh hoặc khi các sao neutron xoắn vào nhau, từ lâu đã được coi là một trong những lựa chọn hợp lý nhất. Giải pháp thay thế thực sự duy nhất là các hạt nhân thiên hà đang hoạt động, hay AGN—những thiên hà có các lỗ đen siêu lớn ở trung tâm phun ra các hạt và bức xạ khi vật chất rơi vào.

Lý thuyết vụ nổ tia gamma bị thất bại vào năm 2012, khi các nhà vật lý thiên văn nhận ra rằng nếu những vụ nổ sáng này là nguyên nhân, thì chúng ta sẽ thấy nhiều neutrino vũ trụ hơn hơn chúng tôi làm. Tuy nhiên, tranh chấp vẫn chưa được giải quyết.

Sau đó, vào năm 2016, IceCube bắt đầu gửi cảnh báo mỗi khi họ phát hiện ra một hạt neutrino vũ trụ, khiến các nhà thiên văn học khác điều khiển kính viễn vọng theo hướng nó đến. Tháng XNUMX năm sau, họ dự kiến khớp một neutrino vũ trụ với một thiên hà đang hoạt động có tên là TXS 0506+056, viết tắt là TXS, đang phát ra tia X và tia gamma cùng một lúc. “Điều đó chắc chắn đã thu hút rất nhiều sự quan tâm,” anh nói Marcos Santander, một cộng tác viên của IceCube tại Đại học Alabama.

Ngày càng có nhiều neutrino vũ trụ được thu thập, và một mảng trời khác bắt đầu nổi bật trên nền của các neutrino khí quyển. Ở giữa mảng này là thiên hà đang hoạt động gần đó NGC 1068. Phân tích gần đây của IceCube cho thấy mối tương quan này gần như chắc chắn là quan hệ nhân quả. Là một phần của quá trình phân tích, các nhà khoa học của IceCube đã hiệu chỉnh lại kính viễn vọng của họ và sử dụng trí tuệ nhân tạo để hiểu rõ hơn về độ nhạy của nó đối với các mảng trời khác nhau. Họ phát hiện ra rằng có ít hơn 1/100,000 khả năng rằng sự phong phú của neutrino đến từ hướng của NGC 1068 là một dao động ngẫu nhiên.

Sự chắc chắn về mặt thống kê rằng TXS là nguồn neutrino vũ trụ không còn xa nữa, và vào tháng XNUMX, IceCube đã ghi lại một neutrino có lẽ từ vùng lân cận TXS chưa được phân tích.

“Chúng tôi bị mù một phần; nó giống như chúng tôi đã tập trung vào,” Halzen nói. “Cuộc đua diễn ra giữa các vụ nổ tia gamma và các thiên hà đang hoạt động. Cuộc đua đó đã được quyết định.”

Cơ chế vật lý

Hai AGN này dường như là nguồn neutrino sáng nhất trên bầu trời, tuy nhiên, thật khó hiểu, chúng rất khác nhau. TXS là một loại AGN được gọi là blazar: Nó bắn một tia bức xạ năng lượng cao trực tiếp về phía Trái đất. Tuy nhiên, chúng ta không thấy dòng tia nào như vậy hướng về phía chúng ta từ NGC 1068. Điều này gợi ý rằng các cơ chế khác nhau ở trung tâm của các thiên hà đang hoạt động có thể tạo ra neutrino vũ trụ. “Các nguồn dường như đa dạng hơn,” nói Julia Tjus, một nhà vật lý thiên văn lý thuyết tại Đại học Ruhr Bochum ở Đức và là thành viên của IceCube.

Halzen nghi ngờ có một số vật liệu bao quanh lõi hoạt động trong NGC 1068 ngăn chặn sự phát xạ tia gamma khi neutrino được tạo ra. Nhưng cơ chế chính xác là phỏng đoán của bất cứ ai. Ông nói: “Chúng tôi biết rất ít về lõi của các thiên hà đang hoạt động vì chúng quá phức tạp.

Các hạt neutrino vũ trụ bắt nguồn từ Dải Ngân hà còn làm rối tung mọi thứ hơn nữa. Không có nguồn rõ ràng nào của các hạt năng lượng cao như vậy trong thiên hà của chúng ta — cụ thể là không có nhân thiên hà đang hoạt động. Lõi thiên hà của chúng ta đã không nhộn nhịp trong hàng triệu năm.

Halzen suy đoán rằng những hạt neutrino này đến từ các tia vũ trụ được tạo ra trong giai đoạn hoạt động sớm hơn của thiên hà chúng ta. Ông nói: “Chúng ta luôn quên rằng chúng ta đang nhìn vào một thời điểm. “Các máy gia tốc tạo ra các tia vũ trụ này có thể đã tạo ra chúng từ hàng triệu năm trước.”

Điều nổi bật trong hình ảnh bầu trời mới là độ sáng mạnh của các nguồn như NGC 1068 và TXS. Dải Ngân hà, chứa đầy các ngôi sao và khí nóng ở gần, tỏa sáng hơn tất cả các thiên hà khác khi các nhà thiên văn quan sát bằng photon. Nhưng khi nó được quan sát bằng neutrino, “điều ngạc nhiên là chúng ta hầu như không thể nhìn thấy thiên hà của mình,” Halzen nói. “Bầu trời bị chi phối bởi các nguồn ngoài thiên hà.”

Đặt bí ẩn Dải Ngân hà sang một bên, các nhà vật lý thiên văn muốn sử dụng các nguồn xa hơn, sáng hơn để nghiên cứu vật chất tối, lực hấp dẫn lượng tử và các lý thuyết mới về hành vi của neutrino.

Thăm dò Vật lý cơ bản

Neutrino đưa ra những manh mối hiếm hoi rằng một lý thuyết hoàn chỉnh hơn về các hạt phải thay thế tập hợp các phương trình 50 năm tuổi được gọi là Mô hình Chuẩn. Mô hình này mô tả các hạt cơ bản và các lực với độ chính xác gần như hoàn hảo, nhưng lại sai lầm khi nói đến neutrino: Nó dự đoán rằng các hạt trung tính không có khối lượng, nhưng chúng không — không hoàn toàn như vậy.

Năm 1998, các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng neutrino có thể thay đổi hình dạng giữa ba loại khác nhau của chúng; chẳng hạn, một neutrino electron do mặt trời phát ra có thể biến thành một neutrino muon khi nó đến Trái đất. Và để thay đổi hình dạng, neutrino phải có khối lượng — các dao động chỉ có ý nghĩa nếu mỗi loại neutrino là một hỗn hợp lượng tử của ba khối lượng khác nhau (tất cả đều rất nhỏ).

Hàng chục thí nghiệm đã cho phép các nhà vật lý hạt dần dần xây dựng một bức tranh về các dạng dao động của các loại neutrino khác nhau—mặt trời, khí quyển, do phòng thí nghiệm tạo ra. Nhưng neutrino vũ trụ có nguồn gốc từ AGN cung cấp một cái nhìn về hành vi dao động của các hạt trên những khoảng cách và năng lượng lớn hơn rất nhiều. Điều này làm cho chúng trở thành “một công cụ thăm dò rất nhạy đối với vật lý nằm ngoài Mô hình Chuẩn,” cho biết Carlos Argüelles–Delgado, một nhà vật lý neutrino tại Đại học Harvard, người cũng là một phần của sự hợp tác rộng lớn của IceCube.

Các nguồn neutrino vũ trụ ở rất xa nên các dao động neutrino sẽ bị mờ đi — bất cứ nơi nào các nhà vật lý thiên văn nhìn vào, họ đều mong đợi nhìn thấy một phần không đổi của mỗi loại trong số ba loại neutrino. Bất kỳ dao động nào trong các phân số này sẽ chỉ ra rằng các mô hình dao động neutrino cần được xem xét lại.

Một khả năng khác là các neutrino vũ trụ tương tác với vật chất tối khi chúng di chuyển, như nhiều người dự đoán. mô hình khu vực tối. Những mô hình này đề xuất rằng vật chất vô hình của vũ trụ bao gồm nhiều loại hạt không phát sáng. Tương tác với các hạt vật chất tối này sẽ phân tán neutrino với các năng lượng cụ thể và tạo ra một khoảng cách trong quang phổ của neutrino vũ trụ mà chúng ta thấy.

Hoặc bản thân cấu trúc lượng tử của không-thời gian có thể kéo các neutrino, làm chúng chậm lại. Một nhóm có trụ sở tại Ý gần đây tranh cãi trong Thiên văn học Thiên văn rằng dữ liệu IceCube cho thấy gợi ý về điều này xảy ra, nhưng các nhà vật lý khác đã hoài nghi của những tuyên bố này.

Những hiệu ứng như thế này sẽ diễn ra trong vài phút, nhưng khoảng cách giữa các thiên hà có thể phóng đại chúng lên mức có thể phát hiện được. Scholberg nói: “Đó chắc chắn là điều đáng để khám phá.

Đã, Argüelles–Delgado và các cộng tác viên đã sử dụng nền khuếch tán của neutrino vũ trụ — chứ không phải các nguồn cụ thể như NGC 1068 — để tìm kiếm bằng chứng về cấu trúc lượng tử của không-thời gian. Như họ báo cáo trong Vật lý tự nhiên vào tháng XNUMX, họ không tìm thấy gì, nhưng việc tìm kiếm của họ bị cản trở do khó phân biệt loại neutrino thứ ba — tau — với một neutrino electron trong máy dò IceCube. Đồng tác giả cho biết điều cần thiết là “xác định hạt tốt hơn”. Teppei katori của Đại học King's London. Nghiên cứu đang được tiến hành để phân biệt hai loại.

Katori nói rằng việc biết các vị trí và cơ chế cụ thể của các nguồn neutrino vũ trụ sẽ mang lại một “bước nhảy lớn” về độ nhạy của những tìm kiếm vật lý mới này. Tỷ lệ chính xác của mỗi loại neutrino phụ thuộc vào mô hình nguồn, và các mô hình phổ biến nhất, tình cờ, dự đoán rằng số lượng bằng nhau của ba loại neutrino sẽ đến Trái đất. Nhưng neutrino vũ trụ vẫn chưa được hiểu rõ đến mức bất kỳ sự mất cân bằng nào quan sát được trong các phân số của ba loại đều có thể bị hiểu sai. Kết quả có thể là hệ quả của lực hấp dẫn lượng tử, vật chất tối hoặc mô hình dao động neutrino bị phá vỡ - hoặc chỉ là vật lý vẫn còn mơ hồ về sự tạo ra neutrino vũ trụ. (Tuy nhiên, một số tỷ lệ sẽ là dấu hiệu “súng bốc khói” của vật lý mới, Argüelles nói–Delgado.)

Cuối cùng, chúng ta cần phát hiện thêm nhiều neutrino vũ trụ, Katori nói. Và có vẻ như chúng tôi sẽ làm. IceCube đang được nâng cấp và mở rộng lên 10 km khối trong vài năm tới, và vào tháng XNUMX, một máy dò neutrino dưới Hồ Baikal ở Siberia đăng quan sát đầu tiên của nó của neutrino vũ trụ từ TXS.

Và sâu trong Địa Trung Hải, hàng chục chuỗi máy dò neutrino được gọi chung là KM3NeT đang được gắn chặt dưới đáy biển bởi một robot lặn để cung cấp một cái nhìn bổ sung về bầu trời neutrino vũ trụ. “Những áp lực là rất lớn; Paschal Coyle, giám đốc nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý Hạt Marseille và là người phát ngôn của thí nghiệm cho biết, biển rất khắc nghiệt. Nhưng “chúng ta cần nhiều kính viễn vọng hơn để quan sát bầu trời và nhiều quan sát được chia sẻ hơn, điều này sẽ đến ngay bây giờ.”