Một thiên hà hình thành sao cực mạnh bị che khuất bởi bụi vũ trụ có thể là nguồn gốc của neutrino năng lượng cao được IceCube ghi nhận, mở ra hướng đi mới cho ngành thiên văn đa sứ giả.
Một neutrino năng lượng cực cao được Đài quan sát IceCube tại Nam Cực phát hiện vào tháng 9/2021 đang làm thay đổi cách giới thiên văn nhìn nhận về nguồn gốc của các hạt bí ẩn này trong vũ trụ. Sau gần 5 năm theo dõi bằng nhiều kính thiên văn trên khắp thế giới, các nhà khoa học cho rằng hạt neutrino nói trên không xuất phát từ một hố đen siêu lớn đang hoạt động như giả thuyết phổ biến trước đây, mà đến từ một thiên hà giàu bụi đang trải qua giai đoạn bùng nổ hình thành sao dữ dội.
Thiên hà này mang tên JCMT0402−0424, được nhóm nghiên cứu đặt biệt danh là “Shadow Blaster”. Nó nằm cách Trái Đất khoảng 11 tỷ năm ánh sáng, tức ánh sáng mà chúng ta quan sát ngày nay được phát ra khi vũ trụ mới chỉ khoảng 3 tỷ năm tuổi. Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Astronomy cho rằng đây hiện là ứng viên thuyết phục nhất liên quan đến sự kiện neutrino IC 210922A do IceCube ghi nhận.
Nếu mối liên hệ này được xác nhận trong tương lai, đây sẽ là lần đầu tiên một thiên hà hình thành sao bị che khuất bởi bụi được xác định trực tiếp là nguồn phát neutrino năng lượng cao. Kết quả này có thể giúp giải thích một phần bí ẩn kéo dài nhiều năm liên quan đến lượng neutrino năng lượng cao liên tục đổ về Trái Đất từ mọi hướng trong không gian.
Những cuộc tìm kiếm trước đây đã bỏ sót điều gì?
Ngay sau khi IceCube phát đi cảnh báo về sự kiện IC 210922A, hàng loạt đài quan sát nổi tiếng đã tham gia truy tìm nguồn phát. Các kính thiên văn quan sát tia gamma, tia X, ánh sáng khả kiến cùng nhiều hệ thống khảo sát bầu trời đều tập trung vào khu vực chòm sao Eridanus, nơi neutrino được cho là xuất phát.
Tuy nhiên, mọi nỗ lực đều không mang lại kết quả rõ ràng. Không có vụ nổ gamma, siêu tân tinh, hiện tượng sao bị hố đen xé nát hay nhân thiên hà hoạt động nào được xác định là thủ phạm.
Nguyên nhân nằm ở chỗ các chương trình tìm kiếm truyền thống chủ yếu dựa trên tia gamma, tia X và ánh sáng nhìn thấy được. Trong khi đó, Shadow Blaster gần như bị che phủ hoàn toàn bởi lớp bụi dày đặc. Bức xạ từ các ngôi sao trẻ bị bụi hấp thụ rồi phát lại ở bước sóng dưới milimet, khiến thiên hà này gần như “vô hình” đối với các kính thiên văn quang học.
Nhóm nghiên cứu tại Đài Loan đã quyết định sử dụng Kính thiên văn James Clerk Maxwell cùng hệ thống Submillimeter Array trên đỉnh Maunakea (Hawaii) để quan sát khu vực nghi vấn. Chính tại đây, họ phát hiện một thiên hà có độ sáng hồng ngoại nội tại lên tới 2,7 nghìn tỷ lần Mặt Trời nhưng hầu như không xuất hiện trong các khảo sát quang học trước đó.
ALMA hé lộ vùng hình thành sao cực kỳ đặc biệt
Những quan sát tiếp theo bằng mạng lưới kính thiên văn vô tuyến ALMA tại Chile cho phép các nhà khoa học nghiên cứu chi tiết hơn cấu trúc của Shadow Blaster.
Dữ liệu cho thấy thiên hà này nằm gần như thẳng hàng phía sau một thiên hà elip khổng lồ ở tiền cảnh. Trọng lực của thiên hà phía trước hoạt động như một “thấu kính hấp dẫn” tự nhiên, bẻ cong và khuếch đại ánh sáng từ Shadow Blaster. Nhờ hiệu ứng này, độ sáng biểu kiến của thiên hà tăng từ 2,7 nghìn tỷ lên khoảng 33 nghìn tỷ lần độ sáng Mặt Trời trong vùng hồng ngoại.
Sau khi xây dựng mô hình thấu kính hấp dẫn, nhóm nghiên cứu phát hiện lõi của Shadow Blaster chỉ rộng khoảng 1.500 năm ánh sáng nhưng chứa lượng khí và bụi khổng lồ. Đây là khu vực hình thành sao cực kỳ dày đặc, tạo nên nguồn năng lượng mạnh mẽ mà ALMA ghi nhận được.
Thiên hà có độ dịch chuyển đỏ z = 2,988, tương ứng với giai đoạn được các nhà thiên văn gọi là “buổi trưa vũ trụ” – thời kỳ cách đây khoảng 10–11 tỷ năm khi tốc độ hình thành sao trong vũ trụ đạt đỉnh.
Điều đáng chú ý là các quan sát không phát hiện dấu hiệu của hố đen siêu lớn đang hoạt động. Không có luồng vật chất phun ra, không có đĩa bồi tụ sáng mạnh và cũng không có lượng tia X hay tia gamma bất thường. Điều này cho thấy nguồn năng lượng chính của thiên hà đến từ quá trình hình thành sao chứ không phải từ nhân thiên hà hoạt động.
Quá trình tạo ra neutrino trong các “nhà máy sao”
Theo các mô hình lý thuyết, các vụ nổ siêu tân tinh xuất hiện dày đặc trong những thiên hà hình thành sao mạnh sẽ tạo ra lượng lớn tia vũ trụ chứa proton năng lượng cao.
Ở những thiên hà thông thường như Ngân Hà, phần lớn các proton này thoát ra không gian trước khi va chạm với vật chất xung quanh. Nhưng tại một môi trường đặc khí như Shadow Blaster, mật độ khí cao đến mức proton liên tục va chạm với các proton khác trước khi kịp thoát ra ngoài.
Các va chạm này sinh ra pion – những hạt tồn tại trong thời gian rất ngắn. Pion trung hòa phân rã thành tia gamma, còn pion mang điện tạo ra neutrino năng lượng cao.
Do mật độ vật chất cực lớn, lõi của Shadow Blaster hoạt động như một “máy đo nhiệt proton” tự nhiên, chuyển đổi hiệu quả năng lượng của tia vũ trụ thành neutrino. Đây chính là cơ chế mà các nhà vật lý thiên văn đã dự đoán từ gần 20 năm trước nhưng chưa từng có bằng chứng quan sát trực tiếp ở một thiên hà cụ thể.
Có thể giải mã một phần bí ẩn neutrino vũ trụ
Ý nghĩa của Shadow Blaster không chỉ dừng lại ở một sự kiện neutrino đơn lẻ. Các mô hình dân số thiên hà cho thấy những thiên hà bùng nổ hình thành sao tương tự từng rất phổ biến trong vũ trụ sơ khai.
Nghiên cứu mới ước tính nhóm thiên hà giàu bụi này có thể đóng góp tới khoảng 20% lượng neutrino năng lượng cao nền mà IceCube đang ghi nhận. Đây là tỷ lệ đáng kể nếu so với những nguồn neutrino đã được xác nhận trước đó như blazar TXS 0506+056 hay thiên hà Seyfert NGC 1068, vốn chỉ giải thích được một phần nhỏ tổng lượng neutrino quan sát được.
Theo trưởng nhóm nghiên cứu Yuji Urata, môi trường giàu khí và bụi của Shadow Blaster phù hợp với những dự đoán lý thuyết về nơi sản sinh neutrino năng lượng cao hiệu quả nhất. Nếu được xác nhận, đây sẽ là trường hợp đầu tiên một thiên hà hình thành sao bị che khuất bởi bụi được liên kết trực tiếp với một sự kiện neutrino.
Cần thêm bằng chứng để khẳng định
Dù kết quả rất hứa hẹn, các nhà khoa học vẫn thận trọng khi chỉ gọi Shadow Blaster là một ứng viên. Một sự trùng hợp vị trí trên bầu trời giữa thiên hà và neutrino vẫn chưa đủ để khẳng định mối liên hệ nhân quả.
Để xác nhận chắc chắn, giới nghiên cứu cần quan sát thêm nhiều neutrino năng lượng cao khác xuất phát từ cùng khu vực trong những năm tới hoặc xây dựng được mô hình lý thuyết dự đoán chính xác năng lượng của sự kiện IC 210922A dựa trên các đặc tính vật lý của thiên hà này.
Nếu giả thuyết được chứng minh, các chiến lược theo dõi neutrino trong tương lai có thể phải thay đổi đáng kể. Thay vì chỉ dựa vào kính thiên văn tia gamma hay tia X, các đài quan sát bước sóng dưới milimet sẽ trở thành một phần quan trọng trong nỗ lực truy tìm nguồn gốc của những hạt mang năng lượng cao nhất trong vũ trụ.