Hạt ma năng lượng cao nhất của IceCube đến từ một nhà máy sao ẩn sau bụi

Một hạt neutrino có thể xuyên qua một năm ánh sáng chì mà không chạm vào một nguyên tử nào. Khi nó đến IceCube — máy dò có kích thước một km khối chìm trong băng Nam Cực tại Nam Cực — nó để lại một vệt sáng xanh mờ kéo dài vài nano giây, đủ để ghi lại hướng và năng lượng của nó. Vào ngày 22 tháng 9 năm 2021, hạt đến mang theo 750 nghìn tỷ electron volt. Năng lượng đó gấp khoảng 100 tỷ lần năng lượng của một photon ánh sáng khả kiến, và vượt xa bất kỳ máy gia tốc hạt nào trên Trái Đất có thể tạo ra.

Tia sáng đó chỉ về phía chòm sao Eridanus. Nhiều nhóm nghiên cứu ngay lập tức hướng kính thiên văn của họ về cùng một vùng trời và tìm kiếm tia gamma, tia X, ánh sáng khả kiến — bộ công cụ theo dõi tiêu chuẩn khi IceCube bắt được thứ gì đó cực đoan. Họ chẳng tìm thấy gì. Không blazar. Không hố đen đang hoạt động, không quasar, không nguồn xác định nào. Bầu trời dường như trống rỗng.

Neutrino được đặt mã là IC 210922A và được lưu hồ sơ. Nó không có nguồn gốc xác nhận trong gần bốn năm.

Thiên hà mà mọi kính thiên văn đều bỏ lỡ

Yuji Urata tại MITOS Science ở Đài Loan có một ý tưởng khác về thứ cần tìm kiếm. Neutrino xuyên qua bụi — chúng xuyên qua hầu hết mọi thứ. Nhưng ánh sáng thì không. Nếu nguồn của neutrino bị chôn vùi bên trong một đám mây khí và bụi đủ dày đặc, mọi kính thiên văn quang học và tia X sẽ đơn giản bỏ lỡ nó. Giải pháp là một kính thiên văn sử dụng bước sóng xuyên qua bụi: sóng vô tuyến.

Nhóm của Urata đã hướng ALMA — Mảng Atacama Large Millimeter/submillimeter ở Chile — về cùng vùng trời đó. Thứ họ tìm thấy là JCMT0402−0424, một thiên hà vô hình trước mọi cuộc tìm kiếm khác. Biệt danh của nó nhanh chóng trở thành Shadow Blaster.

Shadow Blaster nằm ở dịch chuyển đỏ 2,988. Ánh sáng của nó rời đi cách đây 11 tỷ năm, khi vũ trụ khoảng 2,8 tỷ năm tuổi — một kỷ nguyên mà các nhà thiên văn gọi là buổi trưa vũ trụ, khi các thiên hà trên khắp vũ trụ đang lắp ráp các ngôi sao với tốc độ cao nhất trong lịch sử vũ trụ. Shadow Blaster đã làm điều này với sự dữ dội đặc biệt, tạo ra hàng trăm khối lượng Mặt Trời của các ngôi sao mới mỗi năm bên trong một lõi nhỏ gọn chỉ rộng 1.700 năm ánh sáng. Một thiên hà tiền cảnh hoạt động như một thấu kính hấp dẫn, bẻ cong không gian đủ để tạo ra nhiều ảnh sáng của Shadow Blaster và cho phép ALMA tái tạo cấu trúc bên trong của nó với độ chi tiết mà nếu không thì không thể có được ở khoảng cách này.

Xác suất Shadow Blaster xuất hiện trong vùng định vị của IceCube một cách tình cờ là 1% hoặc thấp hơn.

Ngôi sao, không phải hố đen

Lý thuyết chủ đạo về nguồn gốc của các neutrino năng lượng cao nhất từ IceCube chỉ đến blazar: các thiên hà có hố đen siêu khối lượng hướng thẳng vào Trái Đất với các luồng vật chất được gia tốc mạnh mẽ, bơm năng lượng khổng lồ vào không gian. Logic cho rằng: bất cứ thứ gì tạo ra các hạt 750 nghìn tỷ electron volt đều cần một nguồn cực đoan, và không gì có vẻ cực đoan hơn một hố đen tiêu thụ vật chất với hiệu suất cao nhất.

Shadow Blaster không có hố đen đang hoạt động nào được phát hiện. Năng lượng của nó đến từ các ngôi sao — hay chính xác hơn, từ hậu quả của các ngôi sao chết đi và được sinh ra với tốc độ phi thường. Trong các vùng hình thành sao dày đặc, sóng xung kích siêu tân tinh gia tốc proton và các hạt nhân nặng hơn lên gần tốc độ ánh sáng. Khi các tia vũ trụ đó va chạm với khí xung quanh, dòng thác va chạm tạo ra các pion phân rã thành neutrino. Hồ chứa khí càng dày đặc và nhỏ gọn, càng nhiều va chạm xảy ra, và càng nhiều neutrino thoát ra.

Lý thuyết cho rằng các thiên hà bùng nổ sao nhỏ gọn có thể là nguồn neutrino chính đã tồn tại trong các bài báo lý thuyết hàng thập kỷ. Shadow Blaster là thiên hà riêng lẻ đầu tiên biến nó thành một phát hiện vật lý thay vì một dự đoán.

Urata nói rằng Shadow Blaster “sở hữu loại môi trường giàu khí, dày đặc mà các mô hình lý thuyết từ lâu đã gợi ý có thể sản xuất hiệu quả các neutrino năng lượng cao.” Martin Still của Quỹ Khoa học Quốc gia, khi bình luận về kết quả, đã nhấn mạnh thiên văn học đa sứ giả — kết hợp tín hiệu từ các loại đài quan sát khác nhau — như mở ra “chi tiết chưa từng có” mà không một kính thiên văn nào có thể đạt được.

Các ngôi sao có thể chiếm một phần năm màn sương neutrino của IceCube

IceCube không chỉ bắt các sự kiện năng lượng cao riêng lẻ. Nó còn đo một nền khuếch tán của các neutrino đến từ mọi hướng — một màn sương ổn định của các hạt ma từ các nguồn trải rộng khắp vũ trụ quan sát được. Nền này đã là một trong những câu đố dai dẳng của vật lý thiên văn năng lượng cao: quá lớn để chỉ giải thích bằng blazar, nhưng các đóng góp bổ sung vẫn chưa được xác định.

Nhóm của Urata ước tính rằng các thiên hà thuộc loại Shadow Blaster — bùng nổ sao nhỏ gọn, bị bụi che khuất vào buổi trưa vũ trụ — có thể chiếm 15 đến 20% nền neutrino khuếch tán đó. Buổi trưa vũ trụ là khi loại thiên hà này phổ biến nhất, và hầu hết chúng bị ẩn sau bụi khiến chúng vô hình trước các cuộc khảo sát bầu trời trước ALMA. Toàn bộ quần thể chưa bao giờ được đếm đúng cách.

Nếu ước tính đóng góp này đứng vững, việc tìm ra các thiên hà loại Shadow Blaster có thể giải thích một phần đáng kể tín hiệu mà IceCube đã tích lũy mà không có lời giải thích trong hơn một thập kỷ.

Một điểm dữ liệu chưa phải là một khám phá

Một điểm dữ liệu chưa phải là một khám phá. IC 210922A là một sự kiện đơn lẻ. Xác suất trùng hợp 1% nằm dưới ngưỡng mà các nhà vật lý có thể tuyên bố một liên kết xác nhận — nhóm IceCube thường yêu cầu nhiều sự kiện tương quan từ cùng một hướng trước khi tuyên bố một nguồn xác định. Shadow Blaster là một ứng cử viên thuyết phục, và xác suất là mạnh, nhưng một neutrino thứ hai từ cùng hướng vẫn chưa đến.

Cơ chế bên trong Shadow Blaster cũng được suy luận, không phải quan sát trực tiếp. Trường hợp này dựa trên các đặc tính của môi trường của nó — nhỏ gọn, dày đặc, giàu khí, tỷ lệ siêu tân tinh cao — thay vì phát hiện các tương tác hạt cụ thể đã tạo ra năng lượng của neutrino này. Chính xác phần nào của thiên hà đã tạo ra nó, và thông qua chuỗi va chạm nào, vẫn chưa thể xác định được.

Đóng góp 15–20% vào nền của IceCube mang độ bất định đáng kể. Nó phụ thuộc vào số lượng các thiên hà tương tự tồn tại vào buổi trưa vũ trụ, hiệu quả chuyển đổi năng lượng hình thành sao thành neutrino bên trong chúng, và mức độ đại diện của Shadow Blaster cho quần thể. Cần nhiều liên kết xác nhận hơn để thu hẹp phép tính.

Các câu hỏi thường gặp về Shadow Blaster và IceCube

Neutrino là gì và tại sao rất khó để truy ngược về nguồn của nó?

Neutrino là một hạt hạ nguyên tử hầu như không có khối lượng và không có điện tích. Nó tương tác với vật chất thông thường hiếm đến nỗi hàng nghìn tỷ hạt đi qua cơ thể bạn mỗi giây mà không để lại dấu vết. IceCube bắt được những trường hợp hiếm hoi khi một hạt tương tác với một nguyên tử trong băng, nhưng ngay cả khi đó hướng ghi lại có độ bất định góc từ một đến vài độ — một vùng trời rộng. Trong vùng đó, bất kỳ số lượng vật thể nào cũng có thể xuất hiện.

Tại sao mất bốn năm để xác định Shadow Blaster?

Bởi vì các cuộc tìm kiếm theo dõi thông thường cho các sự kiện IceCube sử dụng kính thiên văn quang học, tia X và tia gamma — không loại nào có thể nhìn xuyên qua bụi. Lớp vỏ bụi dày của Shadow Blaster đã hấp thụ tất cả ánh sáng đó trước khi nó có thể thoát khỏi thiên hà. ALMA hoạt động ở bước sóng vô tuyến và submillimeter xuyên qua bụi, nhưng một cuộc tìm kiếm ALMA chuyên dụng nhắm vào các vật thể bị bụi che khuất tại tọa độ của neutrino đòi hỏi nhóm của Urata phải đưa ra một lựa chọn có chủ đích để tìm kiếm những thứ mà các cuộc tìm kiếm khác đã bỏ lỡ.

Buổi trưa vũ trụ là gì?

Giai đoạn khoảng 10 tỷ năm trước khi tốc độ hình thành sao tổng thể của vũ trụ đạt đỉnh lịch sử. Các thiên hà ở thời đại đó chưa tiêu thụ hết hồ chứa khí của chúng, và nhiều thiên hà đang hình thành sao với tốc độ mà theo tiêu chuẩn ngày nay được coi là dữ dội. Hầu hết các thiên hà đó bị che khuất bởi bụi do chính quá trình hình thành sao của chúng tạo ra — khiến các quan sát vô tuyến của ALMA trở thành công cụ chính để nghiên cứu chúng.

Liệu các thiên hà bùng nổ sao đầy bụi có thể giải thích toàn bộ nền neutrino của IceCube không?

Có lẽ là không. Ước tính hiện tại là 15–20% — một phần đáng kể, nhưng hầu hết nền có thể đến từ nhiều quần thể nguồn hoạt động cùng nhau: blazar, một số siêu tân tinh, chớp gamma và thiên hà bùng nổ sao. Tìm thêm nhiều nguồn xác nhận riêng lẻ là cách duy nhất để xác định các tỷ lệ.

Điều gì xảy ra tiếp theo trong hướng nghiên cứu này?

Nhóm IceCube đang mở rộng các cuộc tìm kiếm của họ để đối chiếu các sự kiện năng lượng cao với các cuộc khảo sát ALMA về các thiên hà bùng nổ sao đầy bụi. Thế hệ tiếp theo của IceCube (IceCube-Gen2), hiện đang được thiết kế, sẽ mở rộng máy dò và cải thiện độ phân giải hướng, thu hẹp vùng trời cần tìm kiếm sau mỗi sự kiện. Các nhà nghiên cứu cũng lên kế hoạch cho các chiến dịch theo dõi ALMA nhanh cho lô neutrino năng lượng cực đoan tiếp theo.

Được công bố trên Nature Astronomy vào tháng 6 năm 2026, phát hiện Shadow Blaster mở ra một chương mới trong thiên văn học đa sứ giả: các hạt ma năng lượng nhất của vũ trụ không chỉ được tạo ra tại các hố đen. Một số trong chúng đến từ những nơi các ngôi sao được sinh ra quá nhanh, và chết quá dữ dội, đến nỗi khí giữa chúng bốc cháy.

Tham khảo: Urata et al., “Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos,” Nature Astronomy, 2026. DOI: 10.1038/s41550-026-02884-9

Thẻ: thiên văn học, ALMA, IceCube, multi-messenger astronomy, neutrino, Shadow Blaster