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

Gần một thập kỷ trước, trên vùng 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 lời giải đáp khả dĩ. Nhờ vào 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 lý giải 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 đến từ một góc khoảng 30 độ dưới đường chân trời.

Quỹ đạo này ngụ ý rằng nguồn phát tín hiệu nằm sâu dưới bề mặt băng. Theo lẽ thường, sóng vô tuyến lẽ ra phải xuyên qua hàng ngàn km vật chất rắn của Trái Đất, điều chắc chắn sẽ dẫn đến sự hấp thụ hoàn toàn.

Ban đầu, thiết bị này được chế tạo để dò tìm các neutrino năng lượng cực cao từ vũ trụ. Khi tương tác với băng, chúng tạo ra các tia bức xạ vô tuyến (hiệu ứng Askaryan). Tuy nhiên, các 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 dữ liệu ANITA một cách độc lập đã được tiến hành quy mô lớn, bổ sung thêm nhiều chi tiết quan trọng vào câu chuyện này. 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 dòng hạt mới xuyên qua Trái Đất. Stephanie Wiseman, nhà nghiên cứu chính của ANITA tại Đại học Bang Pennsylvania, 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 có thời gian phơi sáng dài… Điều này không ám chỉ vật lý mới, mà thay vào đó bổ sung thêm thông tin vào bức tranh tổng thể.” Điều này làm dịch chuyển trọng tâm từ các giải thích mang tính đột phá 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 dĩ nhất theo quan điểm của nhiều nhà khoa học. Nó liên quan đến sự 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 vùng cực, có thể làm sai lệch quỹ đạo tín hiệu.
• Các giả thuyết vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn: Những giả thuyết này đã được xem xét nhưng bị đánh giá là khó xảy ra do thiếu bằng chứng xác thực. Chúng bao gồm các loại hạt mới (ví dụ, liên quan đến vật chất tối) hoặc neutrino vô trùng.

Hy vọng làm sáng tỏ hoàn toàn tình hình hiện nay đặt vào PUEO, thiết bị kế nhiệm của ANITA. Chuyến bay đầu tiên của PUEO, với tư cách là sứ mệnh NASA Astrophysics Pioneers, đã được phóng vào tháng 12 năm 2025 từ căn cứ McMurdo ở Nam Cực.

Những cải tiến then chốt của PUEO so với ANITA bao gồm:

• Độ nhạy: Cao hơn 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 chính xác hơn các tín hiệu hữu ích yếu ớt khỏi nhiễu nền.
• 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 hoặc sẽ ghi nhận nhiều sự kiện bất thường tương tự, cho phép nghiên cứu chi tiết và xác định bản chất của chúng, hoặc sẽ xác nhận sự vắng mặt hoàn toàn của chúng, khép lại vấn đề về sai sót hệ thống hoặc một hiện tượng đặc biệt chỉ xảy ra một lần với ANITA.

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

Bà Stephanie Wiseman 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 bay, chúng ta sẽ có độ nhạy tốt hơn. Về cơ bản, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về những bất thường này, điều này sẽ là một bước tiến lớn trong việc nắm bắt 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.