Ba năm trước, các nhà khoa học đã phát hiện một neutrino vũ trụ “siêu năng lượng” trong vùng biển Địa Trung Hải — đây là neutrino có năng lượng cao nhất từng được ghi nhận. Khám phá này đã thu hút sự chú ý toàn cầu từ giới nghiên cứu, truyền thông và công chúng. Một lý do khiến sự kiện này gây quan tâm lớn là nguồn gốc của hạt vẫn chưa được xác định. Năng lượng của nó cao hơn hơn 10 lần so với bất kỳ neutrino nào từng quan sát trước đó.

Một nghiên cứu công bố trên Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) bởi nhóm hợp tác KM3NeT đã đưa ra một lời giải thích khả dĩ. Nhóm vận hành máy dò KM3NeT/ARCA ngoài khơi Sicily, cho rằng hạt này có thể xuất phát từ một quần thể blazar — các nhân thiên hà hoạt động được cung cấp năng lượng bởi lỗ đen siêu khối lượng, phóng các tia plasma hướng về phía Trái Đất.

KM3NeT/ARCA là một máy dò neutrino đặt dưới đáy biển gần Sicily và hiện vẫn đang được xây dựng. Dù vậy, vào ngày 13/2/2023, nó đã ghi nhận một tín hiệu phi thường.

Neutrino được phát hiện có năng lượng khoảng 220 PeV (khoảng 35 joule) — vượt xa mọi neutrino năng lượng cao từng đo trước đó. Phát hiện này khiến giới khoa học bất ngờ và đặt ra câu hỏi then chốt: nguồn nào có thể tạo ra một hạt cực đoan như vậy?

Để tìm câu trả lời, các nhà nghiên cứu áp dụng phương pháp tương tự điều tra pháp y: đưa ra các giả thuyết, mô phỏng từng kịch bản và so sánh với dữ liệu thực tế.

Một giả thuyết hàng đầu là neutrino này đến từ một loại blazar nhất định.

Nguồn khuếch tán thay vì một sự kiện đơn lẻ

Bendahman và các cộng sự nhận thấy dấu hiệu cho thấy neutrino này không đến từ một sự kiện đơn lẻ như vụ nổ hay bùng phát.

Trong những trường hợp như vậy, các nhà khoa học thường tìm “đối tác điện từ” — tức tín hiệu đồng thời ở sóng vô tuyến, ánh sáng, tia X hoặc tia gamma từ cùng khu vực trên bầu trời. Tuy nhiên, không có tín hiệu nào như vậy được ghi nhận.

Để kiểm tra giả thuyết này, nhóm đã mô phỏng một quần thể blazar bằng phần mềm mã nguồn mở AM3, dựa trên các dữ liệu quan sát sẵn có như cường độ từ trường và kích thước vùng phát xạ.

Họ tập trung vào hai yếu tố chính:

• Tải baryon (baryonic loading): năng lượng proton so với electron
• Chỉ số phổ proton: phân bố năng lượng của proton

Những yếu tố này quyết định số lượng neutrino được tạo ra và mức năng lượng của chúng.

Đối chiếu với IceCube và Fermi

Điểm mạnh của nghiên cứu là sử dụng nhiều bộ dữ liệu khác nhau. Ngoài dữ liệu từ KM3NeT/ARCA, nhóm còn phân tích dữ liệu từ:

• Đài quan sát neutrino IceCube
• Kính thiên văn không gian tia gamma Fermi

Họ xem xét cả những lần phát hiện và cả những trường hợp không phát hiện.

Việc không tìm thấy neutrino siêu năng lượng tương tự trong các dữ liệu hiện có (kể cả từ IceCube) cho thấy các sự kiện như vậy cực kỳ hiếm — và kịch bản blazar phù hợp với đặc điểm này.

Nhóm cũng kiểm tra rằng lượng tia gamma dự đoán từ blazar không vượt quá nền tia gamma ngoài thiên hà đo bởi Fermi. Mô hình của họ vẫn phù hợp với các giới hạn quan sát.

KM3NeT và tương lai của thiên văn học neutrino

Giải thích bằng blazar rất hứa hẹn, nhưng cần thêm dữ liệu để xác nhận. Tại thời điểm phát hiện, chỉ có 21 đường dò hoạt động — khoảng 10% quy mô dự kiến của hệ thống. Nếu cách giải thích này được xác nhận, nó sẽ thay đổi hiểu biết về cách blazar gia tốc hạt.