Các nhà khoa học đang cố gắng giải quyết một bí ẩn kéo dài một thập kỷ bằng cách xác định danh tính của những tín hiệu bất thường được phát hiện từ dưới lớp băng ở Nam Cực.
Những sóng radio kỳ lạ này xuất hiện trong quá trình tìm kiếm một hiện tượng bất thường khác: các hạt vũ trụ năng lượng cao được gọi là neutrino. Đến Trái đất từ những vùng xa xôi của vũ trụ, neutrino thường được gọi là "ma quái" vì chúng cực kỳ dễ bay hơi, hoặc như hơi nước, và có thể đi qua bất kỳ loại vật chất nào mà không thay đổi.
Trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nhiều thí nghiệm sử dụng những vùng rộng lớn của nước và băng được thiết kế để tìm kiếm neutrino, có thể làm sáng tỏ những tia vũ trụ bí ẩn, những hạt có năng lượng cao nhất trong vũ trụ. Một trong những dự án này là thí nghiệm Ăng-ten Xung Kích Tạm Thời Nam Cực của NASA, hay ANITA, đã bay những quả bóng bay mang thiết bị phía trên Nam Cực từ năm 2006 đến 2016.
Chính trong cuộc săn tìm này mà ANITA đã thu được những sóng radio bất thường không giống như neutrino.
Các tín hiệu đến từ dưới đường chân trời, cho thấy chúng đã đi qua hàng nghìn dặm đá trước khi đến máy dò. Nhưng những sóng radio này lẽ ra phải bị hấp thụ bởi đá. Nhóm ANITA tin rằng những tín hiệu bất thường này không thể được giải thích bằng hiểu biết hiện tại về vật lý hạt.
Các quan sát và phân tích tiếp theo với những thiết bị khác, bao gồm một nghiên cứu gần đây được tiến hành bởi Đài Quan Sát Pierre Auger ở Argentina, đã không thể tìm thấy những tín hiệu tương tự. Kết quả của Cộng tác Pierre Auger đã được công bố trên tạp chí Physical Review Letters vào tháng 3.
Nguồn gốc của những tín hiệu bất thường vẫn không rõ ràng, theo đồng tác giả nghiên cứu Stephanie Wissel, phó giáo sư vật lý, thiên văn học và vật lý thiên văn tại Đại học Bang Pennsylvania.
"Nghiên cứu mới của chúng tôi chỉ ra rằng những (tín hiệu) như vậy đã không được nhìn thấy bởi một thí nghiệm... như Đài Quan Sát Pierre Auger," Wissel nói. "Vậy nên, nó không chỉ ra rằng có vật lý mới, mà thay vào đó là thêm thông tin để bổ sung vào câu chuyện."
Các máy dò lớn hơn, nhạy cảm hơn có thể giải quyết được bí ẩn này, hoặc cuối cùng chứng minh liệu những tín hiệu bất thường có phải là ngẫu nhiên hay không, trong khi tiếp tục tìm kiếm những neutrino bí ẩn và nguồn gốc của chúng, các nhà khoa học nói.
Cuộc Tìm Kiếm Neutrino
Việc phát hiện neutrino trên Trái đất cho phép các nhà nghiên cứu truy vết chúng về nguồn gốc, mà các nhà khoa học tin là chủ yếu từ các tia vũ trụ va chạm với khí quyển hành tinh của chúng ta.
Những hạt có năng lượng cao nhất trong vũ trụ, tia vũ trụ chủ yếu được tạo thành từ proton hoặc hạt nhân nguyên tử, và chúng được phóng ra khắp vũ trụ vì bất cứ thứ gì tạo ra chúng là một máy gia tốc hạt mạnh mẽ đến mức làm lu mờ khả năng của Máy Va Chạm Hadron Lớn. Neutrino có thể giúp các nhà thiên văn học hiểu rõ hơn về tia vũ trụ và điều gì phóng chúng khắp vũ trụ.
Nhưng neutrino rất khó tìm vì chúng hầu như không có khối lượng và có thể đi qua những môi trường cực đoan nhất, như các ngôi sao và toàn bộ thiên hà, mà không thay đổi. Tuy nhiên, chúng có tương tác với nước và băng.
ANITA được thiết kế để tìm kiếm những neutrino có năng lượng cao nhất trong vũ trụ, ở mức năng lượng cao hơn những gì đã được phát hiện, theo Justin Vandenbroucke, phó giáo sư vật lý tại Đại học Wisconsin, Madison. Các ăng-ten radio của thí nghiệm tìm kiếm một xung ngắn của sóng radio được tạo ra khi một neutrino va chạm với một nguyên tử trong băng Nam Cực, dẫn đến một cơn mưa các hạt năng lượng thấp hơn, ông nói.
Trong các chuyến bay, ANITA đã tìm thấy những đài phun hạt năng lượng cao từ băng, một loại cơn mưa tia vũ trụ ngược. Máy dò cũng nhạy cảm với các tia vũ trụ năng lượng cực cao rơi xuống Trái đất và tạo ra một vụ nổ radio hoạt động như một chùm tia đèn pin của sóng radio.
Khi ANITA quan sát một tia vũ trụ, chùm tia đèn pin thực sự là một vụ nổ sóng radio dài một phần tỷ giây có thể được lập bản đồ như một sóng để cho thấy cách nó phản xạ khỏi băng.
Một Bất Thường Trong Dữ Liệu
Hai lần trong dữ liệu từ các chuyến bay ANITA, nhóm ban đầu của thí nghiệm đã phát hiện các tín hiệu đi lên qua băng ở một góc sắc nhọn hơn nhiều so với bất kỳ mô hình nào từng dự đoán, khiến việc truy vết các tín hiệu về nguồn gốc ban đầu của chúng trở nên bất khả thi.
"Những sóng radio mà chúng tôi phát hiện gần một thập kỷ trước ở những góc thực sự dốc, như 30 độ dưới bề mặt băng," Wissel nói.
Neutrino có thể di chuyển qua nhiều vật chất, nhưng không phải tất cả con đường qua Trái đất, Vandenbroucke nói.
"Chúng được dự kiến đến từ hơi dưới đường chân trời, nơi không có nhiều Trái đất để chúng bị hấp thụ," ông viết trong một email. "Các sự kiện bất thường của ANITA hấp dẫn vì chúng dường như đến từ rất xa dưới đường chân trời, vậy nên neutrino sẽ phải di chuyển qua phần lớn Trái đất. Điều này không thể xảy ra theo Mô hình Chuẩn của vật lý hạt."
Cộng tác Pierre Auger, bao gồm hàng trăm nhà khoa học trên khắp thế giới, đã phân tích hơn một thập kỷ dữ liệu để cố gắng hiểu những tín hiệu bất thường được phát hiện bởi ANITA.
Nhóm cũng sử dụng đài quan sát của họ để cố gắng tìm những tín hiệu tương tự. Đài Quan Sát Auger là một máy dò lai sử dụng hai phương pháp để tìm và nghiên cứu tia vũ trụ. Một phương pháp dựa vào việc tìm các hạt năng lượng cao khi chúng tương tác với nước trong các bể trên bề mặt Trái đất, và phương pháp khác theo dõi các tương tác tiềm năng với ánh sáng tử ngoại cao trong khí quyển hành tinh của chúng ta.
"Đài Quan Sát Auger sử dụng một kỹ thuật rất khác để quan sát các cơn mưa tia vũ trụ năng lượng cực cao, sử dụng ánh sáng thứ cấp của các hạt tích điện khi chúng đi qua khí quyển để xác định hướng của tia vũ trụ khởi tạo nó," Peter Gorham, giáo sư vật lý tại Đại học Hawaii ở Mānoa, nói. "Bằng cách sử dụng mô phỏng máy tính về cơn mưa hạt như vậy sẽ trông như thế nào nếu nó hoạt động như các sự kiện bất thường của ANITA, họ có thể tạo ra một loại mẫu cho các sự kiện tương tự và sau đó tìm kiếm dữ liệu của họ để xem có điều gì như vậy xuất hiện không."
Gorham, người không tham gia vào nghiên cứu mới, đã thiết kế thí nghiệm ANITA và đã tiến hành nghiên cứu khác để hiểu thêm về các tín hiệu bất thường.
Trong khi Đài Quan Sát Auger được thiết kế để đo các cơn mưa hạt đi xuống được tạo ra trong khí quyển bởi các tia vũ trụ năng lượng cực cao, nhóm đã thiết kế lại phân tích dữ liệu của họ để tìm kiếm các cơn mưa không khí đi lên, Vandenbroucke nói. Vandenbroucke không làm việc trong nghiên cứu mới, nhưng ông đã đánh giá ngang hàng trước khi xuất bản.
"Auger có một khu vực thu thập khổng lồ cho những sự kiện như vậy, lớn hơn ANITA," ông nói. "Nếu các sự kiện bất thường của ANITA được tạo ra bởi bất kỳ hạt nào di chuyển qua Trái đất và sau đó tạo ra các cơn mưa đi lên, thì Auger lẽ ra đã phát hiện nhiều trong số chúng, và nó đã không làm vậy."
Một nghiên cứu tiếp theo riêng biệt sử dụng Thí nghiệm IceCube, có các cảm biến được nhúng sâu trong băng Nam Cực, cũng đã tìm kiếm các tín hiệu bất thường.
"Vì IceCube rất nhạy cảm, nếu các sự kiện bất thường của ANITA là neutrino thì chúng tôi đã phát hiện chúng," Vandenbroucke viết, người đã phục vụ như đồng trưởng nhóm làm việc Nguồn Neutrino IceCube từ 2019 đến 2022.
"Đó là một vấn đề thú vị vì chúng ta vẫn thực sự không có lời giải thích cho những bất thường đó là gì, nhưng điều chúng ta biết là chúng rất có thể không đại diện cho neutrino," Wissel nói.
Kỳ lạ thay, một loại neutrino khác, được gọi là neutrino tau, là một giả thuyết mà một số nhà khoa học đã đưa ra như nguyên nhân của các tín hiệu bất thường.
Neutrino tau có thể tái tạo. Khi chúng phân rã ở năng lượng cao, chúng tạo ra một neutrino tau khác, cũng như một hạt được gọi là lepton tau — tương tự như electron, nhưng nặng hơn nhiều.
Nhưng điều khiến kịch bản neutrino tau rất không chắc là độ dốc của góc kết nối với tín hiệu, Wissel nói.
"Bạn mong đợi tất cả những neutrino tau này rất, rất gần đường chân trời, như có thể một đến năm độ dưới đường chân trời," Wissel nói. "Những cái này là 30 độ dưới đường chân trời. Có quá nhiều vật liệu. Chúng thực sự sẽ mất khá nhiều năng lượng và không thể phát hiện được."
Tương Lai Của Việc Phát Hiện
Cuối cùng, Gorham và các nhà khoa học khác không biết nguồn gốc của các sự kiện bất thường ANITA là gì. Cho đến nay, không có giải thích nào phù hợp với các tín hiệu, đó là điều tiếp tục thu hút các nhà khoa học quay lại để cố gắng giải quyết bí ẩn. Tuy nhiên, câu trả lời có thể đang ở trong tầm mắt.
Wissel cũng đang làm việc trên một máy dò mới, Tải Trọng cho Quan Sát Năng Lượng Cực Cao hay PUEO, sẽ bay qua Nam Cực trong một tháng bắt đầu từ tháng 12. Lớn hơn và nhạy cảm hơn 10 lần so với ANITA, PUEO có thể tiết lộ thêm thông tin về nguyên nhân gây ra các tín hiệu bất thường được phát hiện bởi ANITA, Wissel nói.
"Ngay bây giờ, đó là một trong những bí ẩn lâu dài," Wissel nói. "Tôi hào hứng rằng khi chúng tôi bay PUEO, chúng tôi sẽ có độ nhạy tốt hơn. Về nguyên tắc, chúng tôi sẽ có thể hiểu rõ hơn những bất thường này, điều này sẽ đi một chặng đường dài để hiểu nền của chúng tôi và cuối cùng phát hiện neutrino trong tương lai."
Gorham nói rằng PUEO, một từ viết tắt tham chiếu đến con cú Hawaii, sẽ có độ nhạy để thu được nhiều tín hiệu bất thường và giúp các nhà khoa học tìm ra câu trả lời.
"Đôi khi bạn chỉ cần quay lại bảng vẽ và thực sự tìm ra những thứ này là gì," Wissel nói. "Kịch bản có khả năng nhất là đó là một số vật lý tầm thường có thể được giải thích, nhưng chúng tôi đang gõ tất cả các cánh cửa để cố gắng tìm ra những gì đó là."
