Bí ẩn tín hiệu dị thường từ băng giá: Nhiệm vụ PUEO mới của ANITA tìm lời giải

Gần một thập kỷ trước, trên bầu trời băng giá của Nam Cực, một thiết bị khoa học có tên ANITA đã ghi nhận được một sự kiện dường như không thể xảy ra. Ngày nay, bí ẩn khoa học thách thức các mô hình vật lý tiêu chuẩn này đang đứng trước ngưỡng cửa của một lời giải đáp tiềm năng. Nhờ các nghiên cứu độc lập mới và việc triển khai thí nghiệm tiên tiến PUEO (Payload for Ultrahigh Energy Observations), cộng đồng khoa học đang tiến gần hơn bao giờ hết đến việc làm sáng tỏ bản chất của những tín hiệu bí ẩn này.

Bản chất của sự bất thường: Những tín hiệu không nên tồn tại

Trong khoảng thời gian từ năm 2016 đến 2018, thí nghiệm ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna) tại Nam Cực, sử dụng các ăng-ten vô tuyến gắn trên khinh khí cầu bay cao, đã phát hiện ra một loạt xung vô tuyến có nguồn gốc đến từ một góc khoảng 30 độ dưới đường chân trời.

Quỹ đạo này ngụ ý rằng nguồn phát tín hiệu nằm sâu bên dưới bề mặt băng. Điều này có nghĩa là sóng vô tuyến lẽ ra phải đi xuyên qua hàng ngàn km đá và đất dày đặc của Trái Đất, một hành trình chắc chắn sẽ dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn.

Ban đầu, thiết bị này được thiết kế để ghi nhận các neutrino năng lượng cực cao từ vũ trụ. Các hạt này, khi tương tác với băng, sẽ tạo ra các tia bức xạ vô tuyến (hiệu ứng Askaryan). Tuy nhiên, những tín hiệu bất thường được ghi nhận lại không phù hợp với các đặc tính dự kiến của neutrino.

Trong những năm qua, các nỗ lực kiểm chứng độc lập dữ liệu của ANITA đã được tiến hành quy mô lớn, bổ sung thêm các chi tiết quan trọng vào câu chuyện này. Một điểm đáng chú ý là sự thiếu vắng xác nhận từ Đài quan sát Pierre Auger: Tổ chức hợp tác quốc tế Pierre Auger Observatory ở Argentina, sau khi phân tích 15 năm dữ liệu, đã không tìm thấy dấu vết nào của các sự kiện bất thường tương tự. Với diện tích phát hiện khổng lồ của Auger, điều này đặt ra nghi vấn nghiêm trọng về khả năng ANITA đã ghi nhận một luồng hạt mới đi xuyên qua Trái Đất. Tiến sĩ Stephanie Wisell từ Đại học Bang Pennsylvania, nhà nghiên cứu chính của ANITA, nhận định: “Nghiên cứu mới của chúng tôi chỉ ra rằng các sự kiện tương tự đã không được quan sát thấy trong các thí nghiệm phơi sáng kéo dài… Điều này không gợi ý về vật lý mới, mà thay vào đó, nó bổ sung thêm thông tin vào bức tranh tổng thể”. Nhận định này đang chuyển trọng tâm từ các lời giải thích mang tính lý thuyết cao sang việc tìm kiếm các nguyên nhân thực tế hơn.

Các giả thuyết chính đang được xem xét bao gồm:

• Các hiệu ứng lan truyền sóng vô tuyến chưa biết: Đây là lời giải thích khả thi nhất theo nhiều nhà khoa học. Nó liên quan đến các hiệu ứng phản xạ và khúc xạ phức tạp của sóng vô tuyến trong cấu trúc không đồng nhất của băng Nam Cực và bầu khí quyển gần cực, có thể làm sai lệch quỹ đạo tín hiệu.
• Các giả thuyết vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn: Các giả thuyết này, như các loại hạt mới (ví dụ, liên quan đến vật chất tối) hoặc neutrino vô trùng, đã được xem xét nhưng hiện được coi là ít có khả năng xảy ra do thiếu bằng chứng xác thực.

Hy vọng để làm rõ tình hình cuối cùng hiện đang đặt vào PUEO, thiết bị kế nhiệm ANITA. Vụ phóng đầu tiên của PUEO, với tư cách là sứ mệnh NASA Astrophysics Pioneers, đã diễn ra vào tháng 12 năm 2025 từ căn cứ McMurdo ở Nam Cực.

Những cải tiến chính của PUEO so với ANITA bao gồm:

• Độ nhạy: Cao hơn gấp 10 lần, cho phép thực hiện cuộc tìm kiếm neutrino vũ trụ năng lượng siêu cao nhạy nhất trong lịch sử.
• Bộ kích hoạt giao thoa kế trên mảng pha: Hệ thống mới này sẽ giúp phân biệt tín hiệu hữu ích yếu ớt với nhiễu nền một cách chính xác hơn.
• Ăng-ten và định vị được cải tiến: Diện tích hiệu dụng của ăng-ten tăng gấp đôi và hệ thống định vị quán tính mới sẽ nâng cao đáng kể độ chính xác trong việc xác định hướng tín hiệu đến.

PUEO sẽ hoặc ghi lại vô số sự kiện bất thường để nghiên cứu chi tiết và xác định bản chất của chúng, hoặc xác nhận sự vắng mặt hoàn toàn của chúng, qua đó khép lại vấn đề về lỗi hệ thống hoặc một hiện tượng dị thường độc nhất của ANITA.

Việc giải mã bí ẩn các dị thường của ANITA không chỉ quan trọng tự thân nó. Đây là một bước đi then chốt cho toàn bộ lĩnh vực vật lý thiên văn năng lượng cao.

Bà Stephanie Wisell chia sẻ: “Hiện tại, đây là một trong những bí ẩn kéo dài dai dẳng. Tôi rất háo hức, bởi vì khi PUEO bắt đầu chuyến bay, chúng ta sẽ có độ nhạy tốt hơn. Về cơ bản, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về những dị thường này, điều này sẽ là một bước tiến lớn trong việc hiểu nhiễu nền và cuối cùng là phát hiện neutrino trong tương lai”. Dự kiến, những kết quả đầu tiên từ sứ mệnh PUEO có thể được công bố ngay trong năm 2026.