Phát hiện tín hiệu vô tuyến bí ẩn đã du hành qua 80% lịch sử vũ trụ

Tín hiệu đã di chuyển hơn 10 tỷ năm trước khi đến Trái Đất, có thể lập kỷ lục về khoảng cách đối với loại hiện tượng này và mở ra cơ hội nghiên cứu lượng vật chất khó quan sát trong vũ trụ xa xôi.

Hình minh họa một vụ nổ sóng radio nhanh di chuyển từ một thiên hà xa xôi và đến Trái Đất. (Ảnh: Robert Lea)

Tín hiệu mang tên FRB 20240304B được phát hiện bằng kính viễn vọng vô tuyến MeerKAT tại Nam Phi. Sau đó, các nhà khoa học sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) để xác định thiên hà nơi vụ nổ phát ra.

Nghiên cứu về phát hiện này được công bố trên tạp chí Science. Các nhà nghiên cứu cho biết tín hiệu xuất hiện khi vũ trụ mới khoảng 3 tỷ năm tuổi, trong khi tuổi hiện tại của vũ trụ ước tính khoảng 13,8 tỷ năm. Điều đó có nghĩa là tín hiệu đã trải qua khoảng 80% lịch sử vũ trụ trước khi đến Trái Đất.

Nếu được xác nhận là vụ nổ sóng vô tuyến nhanh ở khoảng cách xa nhất từng ghi nhận, FRB 20240304B sẽ vượt kỷ lục trước đó hơn 2 lần.

Tiến sĩ Themiya Nanayakkara thuộc Đại học Sydney, một trong những nhà nghiên cứu chính của công trình, nhấn mạnh rằng khi tín hiệu được phát ra, "không có Trái đất, không có Mặt Trời", Phát hiện này cho phép các nhà khoa học nghiên cứu những hiện tượng xảy ra từ thời kỳ rất sớm trong quá trình tiến hóa của vũ trụ.

Những vụ nổ phát ra năng lượng khổng lồ trong vài mili giây

FRB, viết tắt của Fast Radio Burst, là những vụ bùng phát sóng vô tuyến cực mạnh nhưng chỉ kéo dài trong khoảng vài mili giây. Trong thời gian ngắn ngủi đó, chúng có thể giải phóng lượng năng lượng tương đương với lượng năng lượng Mặt trời phát ra trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm.

Các nhà khoa học lần đầu phát hiện FRB vào năm 2007. Kể từ đó, hiện tượng này trở thành một trong những câu đố lớn của thiên văn học, bởi nguồn gốc và cơ chế tạo ra các xung vô tuyến vẫn chưa được giải thích đầy đủ.

Một trong những giả thuyết được quan tâm cho rằng FRB có thể bắt nguồn từ các sao từ trường, một dạng sao neutron sở hữu từ trường cực mạnh, nhưng chưa thể khẳng định mọi FRB đều hình thành theo cùng một cơ chế.

Tính đến nay, hơn 10.000 vụ nổ sóng vô tuyến nhanh đã được phát hiện. Một số phát ra tín hiệu lặp lại nhiều lần, trong khi những vụ khác chỉ xuất hiện trong một khoảng thời gian rồi biến mất. Cũng có những FRB chỉ được ghi nhận một lần và chưa bao giờ phát lại tín hiệu.

Đối với FRB 20240304B, các nhà khoa học vẫn chưa biết đây là một sự kiện đơn lẻ hay sẽ tiếp tục phát ra những xung vô tuyến khác trong tương lai.

Theo Nanayakkara, giá trị khoa học của FRB không chỉ nằm ở việc xác định nguyên nhân tạo ra chúng. Ngay cả khi chưa hiểu đầy đủ cơ chế hình thành, các nhà nghiên cứu vẫn có thể sử dụng những tín hiệu này để tìm hiểu cấu trúc và thành phần của vũ trụ.

Thiên hà chủ có đặc điểm khác thường

Dữ liệu từ kính viễn vọng James Webb cho thấy FRB 20240304B bắt nguồn từ một thiên hà trẻ, có kích thước tương đối nhỏ và đang hình thành sao với tốc độ cao. Thiên hà này cũng chứa lượng nguyên tố nặng, được các nhà thiên văn học gọi chung là kim loại, tương đối thấp.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra vụ nổ bằng kính viễn vọng vô tuyến MeerKAT ở Nam Phi và sau đó xác định được thiên hà chủ của nó bằng kính viễn vọng không gian James Webb của NASA. (Ảnh: BW)

Trong thiên văn học, thuật ngữ "kim loại" dùng để chỉ các nguyên tố nặng hơn hydro và heli, chứ không chỉ những kim loại theo cách hiểu thông thường.

Đặc điểm của thiên hà chủ đặt ra câu hỏi về điều kiện có thể tạo ra các vụ nổ sóng vô tuyến nhanh trong vũ trụ sơ khai. Theo Nanayakkara, bất kỳ cơ chế nào tạo ra tín hiệu này cũng cần giải thích được khả năng FRB hình thành trong những thiên hà rất trẻ, có hàm lượng kim loại thấp.

Phát hiện mới vì thế không chỉ giúp mở rộng giới hạn khoảng cách quan sát FRB mà còn cung cấp thêm dữ liệu để kiểm tra các giả thuyết về nguồn gốc của chúng, hiện vẫn chưa đủ bằng chứng để xác định chính xác vật thể nào đã tạo ra FRB 20240304B.

Tín hiệu vô tuyến giúp tìm kiếm vật chất vô hình

Một trong những giá trị quan trọng nhất của FRB là khả năng giúp các nhà khoa học đo lượng vật chất nằm giữa nguồn phát và Trái đất.

Khi sóng vô tuyến truyền qua không gian, chúng tương tác với các hạt vật chất trên đường đi. Những tương tác này làm thay đổi đặc điểm của tín hiệu, cung cấp thông tin về lượng vật chất mà sóng đã đi qua, kể cả phần vật chất quá mờ hoặc khó quan sát bằng kính viễn vọng quang học.

Giáo sư Matthew Bailes thuộc Đại học Swinburne, một trong những nhà vật lý thiên văn đầu tiên phát hiện FRB, đánh giá nghiên cứu mới là minh chứng cho sức mạnh của loại tín hiệu này trong việc khám phá vũ trụ. Ông ví FRB như một phương pháp cơ bản để xác định lượng nguyên tử trong vũ trụ.

Tiến sĩ Sara Webb, cũng thuộc Đại học Swinburne và không tham gia nghiên cứu, giải thích rằng các nhà khoa học có thể sử dụng FRB như một phép đo dọc theo đường truyền của tín hiệu để ước tính lượng vật chất mà nó gặp phải trước khi đến Trái đất.

Nhờ đó, những vụ nổ ở khoảng cách rất xa có thể giúp lập bản đồ vật chất trong vũ trụ, kể cả những thành phần khó phát hiện trực tiếp. Khi thu thập được thêm nhiều tín hiệu từ các khoảng cách khác nhau, các nhà khoa học sẽ có thêm dữ liệu để tìm hiểu cách vật chất phân bố và tiến hóa theo thời gian.

Webb cho rằng phát hiện này cũng gợi ý các vụ nổ sóng vô tuyến nhanh có thể đã xuất hiện phổ biến trong vũ trụ sơ khai. Dù vậy, cần thêm quan sát để xác định mức độ phổ biến thực sự của chúng và làm rõ mối liên hệ giữa FRB với những thiên hà đã tạo ra chúng.