Vũ trụ luôn ẩn chứa những bí ẩn mà con người chưa thể lý giải, và mới đây, các nhà thiên văn học lại phát hiện ra một hiện tượng gây kinh ngạc. Một hạt neutrino có năng lượng cực cao, lên tới 220 triệu tỷ electron volt, vừa được kính viễn vọng neutrino Kilometre Cubic (KM3NeT) ghi nhận dưới đáy Địa Trung Hải.
Đây là mức năng lượng cao hơn hơn 100 lần so với bất kỳ neutrino nào từng được phát hiện trước đó, đặt ra câu hỏi lớn về nguồn gốc cũng như cơ chế hình thành của hạt này. Với sự kiện này, một chương mới của thiên văn học neutrino có thể sẽ được mở ra, giúp nhân loại tiến gần hơn đến việc khám phá những hiện tượng vũ trụ chưa từng được biết đến.
Neutrino từ lâu đã được xem là một trong những hạt bí ẩn nhất trong vật lý. Không mang điện tích, có khối lượng gần như bằng không và hầu như không tương tác với vật chất, chúng được ví như những “hạt ma” vì có thể xuyên qua mọi vật thể mà không để lại dấu vết. Mỗi giây, có đến 100 tỷ neutrino đi xuyên qua mỗi cm² cơ thể con người mà không gây ra bất kỳ ảnh hưởng nào.
Phần lớn neutrino được tạo ra trong quá trình phản ứng hạt nhân bên trong các ngôi sao, trong những vụ nổ siêu tân tinh hay do sự phân rã phóng xạ. Ngay trên Trái Đất, chúng cũng xuất hiện trong các máy gia tốc hạt và lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, một neutrino có năng lượng khổng lồ như hạt vừa được phát hiện lại là một câu chuyện hoàn toàn khác. Nó không thể bắt nguồn từ những nguồn thông thường mà có khả năng đến từ các hiện tượng vũ trụ khốc liệt hơn nhiều, chẳng hạn như lỗ đen siêu khối hay các vụ nổ thiên hà mạnh mẽ.
Việc quan sát các neutrino như thế này không hề đơn giản. Do neutrino gần như không tương tác với vật chất, chúng không thể được phát hiện trực tiếp bằng các phương pháp truyền thống. Để khắc phục điều này, các nhà khoa học đã xây dựng kính viễn vọng neutrino KM3NeT dưới đáy Địa Trung Hải, một trong những công trình khoa học tham vọng nhất trong lĩnh vực thiên văn học hạt.
Hệ thống KM3NeT gồm hai máy dò chính: ARCA, chuyên nghiên cứu các hạt neutrino năng lượng cao từ vũ trụ, và ORCA, tập trung vào các nghiên cứu dao động neutrino. Cả hai đều hoạt động dựa trên hiện tượng bức xạ Cherenkov – một dạng ánh sáng xanh đặc biệt phát ra khi một hạt di chuyển trong nước với tốc độ nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong môi trường đó. Khi một neutrino va chạm với hạt nhân nguyên tử trong nước, nó có thể tạo ra muon – một hạt hạ nguyên tử có khả năng phát ra bức xạ Cherenkov. Bằng cách quan sát ánh sáng này, các nhà khoa học có thể xác định được đường đi cũng như năng lượng của neutrino ban đầu.
Vào tháng 2 năm 2023, máy dò ARCA đã ghi nhận một sự kiện chưa từng có. Ở độ sâu 3,5 km dưới đáy biển, cách bờ biển Sicily khoảng 80 km, một muon đặc biệt mạnh đã di chuyển qua hệ thống cảm biến của kính viễn vọng. Tín hiệu của nó đủ mạnh để kích hoạt hơn một phần ba số thiết bị đo lường của KM3NeT.
Phân tích sâu hơn cho thấy đây chính là dấu vết của một neutrino vũ trụ có năng lượng cao nhất từ trước đến nay. Sự kiện này ngay lập tức thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học, bởi nó không chỉ vượt xa mọi neutrino từng được ghi nhận, mà còn đặt ra một câu hỏi lớn: hạt này đến từ đâu?
Các nhà thiên văn học hiện vẫn chưa thể xác định nguồn gốc chính xác của neutrino này. Một số giả thuyết cho rằng nó có thể đã được gia tốc trong môi trường xung quanh một lỗ đen siêu khối, nơi các từ trường cực mạnh có thể bắn ra các hạt với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Một khả năng khác là nó có liên quan đến một vụ nổ siêu tân tinh, khi một ngôi sao khổng lồ phát nổ, giải phóng năng lượng khổng lồ vào không gian.
Một giả thuyết thậm chí còn táo bạo hơn: neutrino này có thể đến từ sự tương tác giữa một tia vũ trụ cực mạnh và bức xạ nền vi sóng vũ trụ – tàn dư của Vụ Nổ Lớn (Big Bang). Nếu giả thuyết này đúng, đây sẽ là lần đầu tiên con người có bằng chứng trực tiếp về cách các hạt trong vũ trụ sơ khai có thể ảnh hưởng đến vật chất ngày nay.
Để tìm ra câu trả lời, các nhà khoa học đang tiếp tục mở rộng kính viễn vọng KM3NeT, với tham vọng tạo ra một hệ thống đủ lớn và nhạy bén để phát hiện nhiều neutrino năng lượng cao hơn. Với kích thước hàng kilomet khối, KM3NeT hứa hẹn sẽ giúp nhân loại quan sát được những sự kiện vũ trụ mạnh mẽ nhất, từ đó vẽ lại bức tranh về cách mà các vật thể cực đoan trong vũ trụ hoạt động.
“KM3NeT đã bắt đầu thăm dò một loạt năng lượng và độ nhạy mới, cho phép chúng ta quan sát các hiện tượng vật lý thiên văn cực đoan”, Paschal Coyle, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, chia sẻ. “Lần đầu tiên phát hiện neutrino có năng lượng hàng trăm Petaelectronvolt (PeV) mở ra một chương mới trong thiên văn học neutrino và giúp chúng ta có thêm một cửa sổ để quan sát vũ trụ”.
Phát hiện này không chỉ là một bước tiến quan trọng trong nghiên cứu neutrino mà còn mở ra một hướng đi mới trong ngành thiên văn học hạt. Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã dựa vào ánh sáng và sóng vô tuyến để quan sát vũ trụ, nhưng những phương pháp này đều có giới hạn.
Với sự xuất hiện của các kính viễn vọng neutrino như KM3NeT, con người có thể nhìn sâu hơn vào các khu vực mà ánh sáng không thể xuyên qua, như bên trong các lỗ đen hay trung tâm các thiên hà xa xôi. Điều này đồng nghĩa với việc chúng ta đang tiến gần hơn bao giờ hết đến việc hiểu rõ những bí ẩn lớn nhất của vũ trụ, từ cách các thiên hà hình thành cho đến cơ chế hoạt động của những vật thể cực đoan nhất.
