Tiếng gầm ngoài không gian: Bí ẩn về âm thanh lớn nhất vũ trụ

Trong không gian, không ai có thể nghe thấy bạn hét, nhưng với thiết bị phù hợp, có thể phát hiện ra tiếng gầm. Đó là những gì các nhà khoa học phát hiện vào năm 2006 khi họ bắt đầu tìm kiếm các tín hiệu xa xôi trong vũ trụ bằng cách sử dụng một công cụ phức tạp được gắn cố định vào một quả bóng bay khổng lồ được đưa vào không gian. Công cụ có thể thu sóng vô tuyến từ sức nóng của những ngôi sao xa xôi, nhưng những gì trải qua năm đó không có gì đáng kinh ngạc.

Khi thiết bị nghe từ độ cao khoảng 23 dặm (37 km), nó thu được một tín hiệu lớn gấp sáu lần so với dự kiến ​​của các nhà vũ trụ học. Bởi vì nó quá lớn so với các ngôi sao ban đầu và lớn hơn nhiều so với phát xạ vô tuyến kết hợp được dự đoán từ các thiên hà xa xôi, tín hiệu mạnh gây ra sự bối rối lớn. Và các nhà khoa học vẫn chưa biết điều gì gây ra nó, kể cả ngày nay. Hơn nữa, nó có thể cản trở nỗ lực tìm kiếm tín hiệu từ những ngôi sao đầu tiên hình thành sau vụ nổ Big Bang.

Tín hiệu radar nghe được các âm thanh ngoài vũ trụ

Công cụ phát hiện tín hiệu gầm rú bí ẩn là Máy đo bức xạ tuyệt đối cho vũ trụ học, vật lý thiên văn và phát xạ khuếch tán (ARCADE) (mở trong tab mới), được NASA chế tạo để mở rộng nghiên cứu về phổ nền vi sóng vũ trụ ở tần số thấp hơn.

David Crookes là một cộng tác viên thường xuyên cho Space.com và ấn phẩm chị em của chúng tôi là All About Space. Ông đã viết nhiều bài báo về bí ẩn không gian, từ một tín hiệu kỳ lạ từ Dải Ngân hà đến việc điều tra xem liệu bộ não của chúng ta có thể giúp chứng minh vũ trụ là có ý thức hay không.

Các mục tiêu khoa học của sứ mệnh – khi ARCADE bay cao trên bầu khí quyển của Trái đất, không bị hành tinh của chúng ta can thiệp – là tìm nhiệt từ thế hệ sao đầu tiên, tìm kiếm các di tích vật lý hạt từ Vụ nổ lớn và quan sát sự hình thành của các ngôi sao và thiên hà đầu tiên . Nó đã hoàn thành những mục tiêu này bằng cách quét 7% bầu trời đêm để tìm tín hiệu vô tuyến vì ánh sáng ở xa trở thành sóng vô tuyến khi nó mất năng lượng theo khoảng cách.

Một tín hiệu mạnh mẽ đáng ngạc nhiên

ARCADE đã có thể thực hiện các phép đo “mức 0 được hiệu chỉnh tuyệt đối”, có nghĩa là nó đang đo độ sáng thực tế của một thứ gì đó theo điều kiện vật lý thực chứ không phải trong điều kiện tương đối. Điều này khác với kính thiên văn vô tuyến điển hình, quan sát và đối chiếu hai điểm trên bầu trời. Bằng cách xem xét tất cả “ánh sáng” và so sánh nó với nguồn vật đen, ARCADE có thể thấy sự kết hợp của nhiều nguồn mờ. Sau đó, cường độ của một tín hiệu cụ thể trở nên rõ ràng, mặc dù trong nhiều tháng.

NASA cho biết: “Mặc dù có thể tạo nên một bộ phim hay khi chúng tôi ngạc nhiên khi thấy đồng hồ đo ánh sáng vượt qua giá trị gấp sáu lần dự kiến, nhưng chúng tôi thực sự đã mất nhiều năm để chuẩn bị cho chuyến bay khinh khí cầu của mình và một đêm rất bận rộn để thu thập dữ liệu”. nhà khoa học Dale J. Fixsen. “Sau đó, phải mất nhiều tháng phân tích dữ liệu để đầu tiên tách các hiệu ứng công cụ khỏi tín hiệu và sau đó là tách bức xạ thiên hà khỏi tín hiệu. Vì vậy, điều ngạc nhiên dần dần được tiết lộ trong nhiều tháng.” Điều đó nói rằng, tác động vẫn còn rất lớn.

Kể từ đó, các nhà khoa học đã tìm hiểu xem bức xạ đến từ đâu trong khi tìm cách mô tả các đặc tính của tín hiệu. Sau đó trở nên rõ ràng khá nhanh chóng.

Al Kogut, người đứng đầu nhóm ARCADE tại Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, cho biết: “Đó là một tín hiệu khuếch tán đến từ mọi hướng, vì vậy nó không phải do bất kỳ một vật thể nào gây ra. “Tín hiệu cũng có phổ tần số, hay ‘màu’, tương tự như phát xạ vô tuyến từ thiên hà Milky Way của chúng ta.”

Các nhà khoa học gọi tín hiệu là “nền đồng bộ hóa vô tuyến” – nền là sự phát xạ từ nhiều nguồn riêng lẻ và hòa trộn với nhau thành ánh sáng khuếch tán. Nhưng vì “tiếng gầm không gian” được gây ra bởi bức xạ synctron, một loại phát xạ từ các hạt tích điện năng lượng cao trong từ trường, và vì mọi nguồn đều có phổ đặc tính giống nhau, nên việc xác định nguồn gốc của tín hiệu cường độ cao này là rất khó.

“Người ta đã biết từ cuối những năm 1960 rằng sự phát xạ vô tuyến kết hợp từ các thiên hà xa xôi sẽ tạo thành một nền vô tuyến khuếch tán đến từ mọi hướng”, Kogut nói với All About Space trong một email. “Tiếng gầm trong không gian tương tự như tín hiệu mong đợi này, nhưng dường như không có nhiều thiên hà gấp sáu lần trong vũ trụ xa xôi để tạo nên sự khác biệt, điều này có thể chỉ ra một thứ gì đó mới mẻ và thú vị làm nguồn gốc.”

Có phải tiếng gầm không gian phát ra từ bên trong Dải Ngân hà?

Việc nguồn này nằm trong hay ngoài Dải Ngân hà đang được tranh luận.

Kogut cho biết: “Có những lý lẽ xác đáng tại sao nó không thể đến từ bên trong Dải Ngân hà, và những lý lẽ xác đáng về lý do tại sao nó không thể đến từ bên ngoài thiên hà.

Một lý do khiến nó có thể không phát ra từ bên trong thiên hà của chúng ta là vì tiếng gầm dường như không tuân theo sự phân bố không gian của phát xạ vô tuyến Milky Way. Nhưng không ai nói chắc chắn rằng tín hiệu không phải từ một nguồn gần nhà hơn – chỉ có nghĩa là tiền thông minh đang đến từ nơi khác.

Tạp chí All About Space (mở trong tab mới) đưa bạn vào một cuộc hành trình đầy cảm hứng xuyên qua hệ mặt trời của chúng ta và hơn thế nữa, từ công nghệ tuyệt vời và tàu vũ trụ cho phép nhân loại phiêu lưu vào quỹ đạo, đến sự phức tạp của khoa học vũ trụ.

Jack Singal, một trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học Richmond ở Virginia, cho biết: “Tôi sẽ không hoàn toàn loại trừ khả năng nền đồng bộ vô tuyến bắt nguồn từ thiên hà của chúng ta. vấn đề. “Tuy nhiên, tôi muốn nói rằng lời giải thích này dường như ít xảy ra hơn.

“Lý do chính là nó sẽ làm cho thiên hà của chúng ta hoàn toàn không giống với bất kỳ thiên hà xoắn ốc nào tương tự (mở trong tab mới), theo như chúng tôi có thể biết thì nó không thể hiện loại vầng hào quang phóng xạ khổng lồ, hình cầu, vượt xa thiên hà đĩa sẽ được yêu cầu. Ngoài ra còn có các vấn đề khác, chẳng hạn như nó sẽ yêu cầu xem xét lại hoàn toàn các mô hình của chúng tôi về từ trường thiên hà. ”

Fixsen hết lòng đồng ý. Ông nói: “Trong các thiên hà xoắn ốc khác, có mối quan hệ chặt chẽ giữa phát xạ tia hồng ngoại và vô tuyến, ngay cả trong các phần nhỏ của những thiên hà này. “Vì vậy, nếu nó đến từ một vầng hào quang xung quanh thiên hà của chúng ta, nó sẽ khiến Dải Ngân hà trở thành một thiên hà kỳ lạ, trong khi ở hầu hết các khía cạnh khác, nó có vẻ giống như một thiên hà xoắn ốc ‘bình thường’.”

Nguồn gốc tín hiệu từ ngoài thiên hà?

Các chuyên gia cho rằng tín hiệu chủ yếu có nguồn gốc ngoài thiên hà. Singal nói: “Nó sẽ làm cho nó trở thành nền photon thú vị nhất trên bầu trời vào lúc này bởi vì nguồn gốc hoàn toàn không được biết đến,” Singal nói. Nhưng vì vũ trụ quá rộng lớn nên điều này không chính xác thu hẹp mọi thứ lại nhiều như vậy, đó là lý do tại sao các nhà khoa học đã nỗ lực đưa ra nhiều giả thuyết cho nguồn tín hiệu.

Ví dụ, nhà vật lý người Mỹ David Brown cho biết tiếng gầm trong không gian có thể là “thành công thực nghiệm lớn đầu tiên của lý thuyết M”, một khung toán học rộng bao gồm lý thuyết dây. Brown viết trên blog Cộng đồng FQXi: “Có thể có một máy tự động Fredkin-Wolfram trải rộng trên vô số vũ trụ thay thế, mang lại thời gian vật lý lặp lại với sự lặp lại vô tận của tất cả các sự kiện vật lý có thể xảy ra,” Brown viết trên blog Cộng đồng FQXi (mở trong tab mới). Điều này giả định là vũ trụ sơ khai có nhiều vật chất thực hơn ngày nay, tính đến tín hiệu vô tuyến mạnh mẽ.

Tiếng gầm trong không gian có thể là “thành công thực nghiệm lớn đầu tiên của lý thuyết M”, một khung toán học rộng bao gồm lý thuyết dây.

Nhưng nếu điều đó là quá xa, có những lý thuyết khác để làm cho răng của bạn vào. “Các nhà thiên văn vô tuyến đã quan sát bầu trời và đã xác định được một số loại nguồn đồng bộ hóa”, Fixsen nói.

Ông nói, bức xạ đồng bộ rất dễ tạo ra. “Tất cả những gì bạn cần là các hạt năng lượng và từ trường, và có các hạt năng lượng ở khắp mọi nơi, được tạo ra bởi các siêu tân tinh, gió sao, lỗ đen, thậm chí cả sao OB”, đó là những ngôi sao nóng, khối lượng lớn thuộc loại quang phổ O hoặc loại B. Ông nói: “Không gian giữa các thiên hà dường như chứa đầy khí rất nóng, vì vậy nếu từ trường giữa các thiên hà đủ mạnh [mạnh hơn dự đoán], chúng có thể tạo ra bức xạ synctron mịn.

Người ta cũng biết rằng bức xạ synctron có liên quan đến quá trình tạo sao. “Điều này cũng tạo ra bức xạ hồng ngoại, do đó có mối tương quan chặt chẽ”, Fixsen nói. “Nhưng có lẽ những ngôi sao đầu tiên đã tạo ra bức xạ synctron, trước khi kim loại được tạo ra, chúng không tạo ra nhiều bức xạ hồng ngoại. Hoặc có lẽ có một quá trình nào đó mà chúng ta chưa nghĩ ra.”

Vậy điều này để lại cho chúng ta điều gì? Singal cho biết: “Các nguồn có thể bao gồm các cơ chế khuếch tán quy mô lớn chẳng hạn như các cụm thiên hà hợp nhất hỗn loạn, hoặc một lớp hoàn toàn mới từ trước đến nay có vô số nguồn phát xạ vô tuyến riêng lẻ chưa được biết đến trong vũ trụ,” Singal nói. “Nhưng bất cứ điều gì về vấn đề đó đều mang tính suy đoán cao vào lúc này, và một số gợi ý đã được đưa ra bao gồm hủy diệt vật chất tối, siêu tân tinh của thế hệ sao đầu tiên và nhiều sao khác.”

Một số nhà khoa học đã gợi ý rằng các khí trong các cụm thiên hà lớn có thể là nguồn gốc, mặc dù không chắc các thiết bị của ARCADE có thể phát hiện ra bức xạ từ bất kỳ thiên hà nào trong số chúng. Tương tự, có khả năng là tín hiệu được phát hiện từ các ngôi sao sớm nhất hoặc nó có nguồn gốc từ rất nhiều thiên hà vô tuyến mờ khác, hiệu ứng tích lũy của tín hiệu đó đang được thu nhận. Nhưng nếu trường hợp này xảy ra thì chúng sẽ phải được đóng gói cực kỳ chặt chẽ, đến mức không có khoảng cách giữa chúng, điều này có vẻ khó xảy ra.

 

Làm thế nào mà bí ẩn tiếng ồn ngoài không gian được hé mở

Singal nói: “Tất nhiên, cũng có khả năng có sự trùng hợp về sai số giữa ARCADE và các phép đo khác đã đo lường sai mức của nền đồng bộ vô tuyến. “Điều này có vẻ khó xảy ra, vì đây là những công cụ rất khác nhau đo ở các dải tần số khá khác nhau.”

Dù tín hiệu là gì, nó cũng gây ra vấn đề khi phát hiện các vật thể không gian khác. Như NASA đã chỉ ra trong quá khứ, những ngôi sao sớm nhất ẩn sau tiếng gầm của vũ trụ, và điều đó khiến chúng khó bị phát hiện hơn. Cứ như thể vũ trụ đang cho bằng một tay và lấy bằng một tay khác, nhưng để khám phá ra một điều gì đó bất thường thì quả là vô cùng thú vị. Khi bạn loại trừ nguồn gốc từ các ngôi sao nguyên thủy và các nguồn vô tuyến đã biết như khí trong quầng ngoài cùng của thiên hà chúng ta, đó là một bí ẩn mà bất kỳ nhà khoa học nào cũng thích thú.

“Ngoài ra, tôi nghĩ chúng ta có thể cần một số giả thuyết nguồn gốc mới tuyệt vời mà chưa ai nghĩ ra.”

– Nhà vật lý thiên văn Jack Singal

Để các nhà khoa học cuối cùng giải quyết được câu hỏi hóc búa kéo dài 13 năm này, rất cần thêm nhiều nghiên cứu và bằng chứng. Hiện tại, có một cuộc tranh luận về việc gửi ARCADE sao lưu do sự ra đời của công nghệ mới và cung cấp bộ thiết bị chính xác của nó, được ngâm trong hơn 500 gallon helium lỏng cực lạnh để làm cho chúng nhạy hơn nữa, chắc chắn sẽ không có hại khi làm như vậy.

Nhưng cũng có những dự án mới xuất hiện có thể giúp ích. Kogut cho biết: “Một trong số họ sẽ sử dụng kính viễn vọng vô tuyến dài 300 foot [91 mét] tại Green Bank, Tây Virginia, để lập bản đồ bầu trời vô tuyến với độ chính xác cao hơn trước. “Có lẽ điều này sẽ làm sáng tỏ bí ẩn.”

Singal chắc chắn hy vọng như vậy. Anh ấy đang làm việc trong dự án Kính viễn vọng Ngân hàng Xanh, sử dụng kính thiên văn vô tuyến khẩu độ rõ ràng lớn nhất trên thế giới để đo mức nền như mục tiêu chính chứ không phải mục tiêu phụ. Nó sẽ thực hiện điều này bằng cách sử dụng một phép đo mức 0 xác định, được xây dựng có mục đích, được hiệu chuẩn tuyệt đối được thực hiện ở các tần số megahertz (MHz) nơi bầu trời vô tuyến sáng nhất. (Một megahertz bằng một triệu hertz.)

Singal giải thích: “Phép đo này hiện đang được phát triển bởi một nhóm mà tôi đang tham gia, sử dụng thiết bị đo đạc tùy chỉnh sẽ được gắn trên kính thiên văn. Cũng sẽ có một nỗ lực đo lường khác, nỗ lực này nhằm đo lường hoặc hạn chế hơn nữa cái gọi là “dị hướng”, hoặc biến thể của nền đồng bộ vô tuyến, một lần nữa ở các tần số MHz mà nó chiếm ưu thế.

“Đó không phải là mức tuyệt đối của nó, mà là những khác biệt nhỏ giữa các nơi trên bầu trời”, Singal nói. “Với một số cộng tác viên, tôi đang thử một lần thử nghiệm đầu tiên bằng cách sử dụng Mảng tần số thấp [LOFAR] ở Hà Lan. Cả hai phép đo này trong buổi hòa nhạc có thể giúp xác định xem nền của synctron vô tuyến chủ yếu là thiên hà hay ngoài thiên hà. Ngoài rằng, tôi nghĩ chúng ta có thể cần một giả thuyết nguồn gốc mới tuyệt vời nào đó mà chưa ai nghĩ ra. ”

Bài báo này được chuyển thể từ một phiên bản trước đó được đăng trên tạp chí All About Space, một ấn phẩm của Future Ltd.

Tài nguyên bổ sung

Đọc thêm về sứ mệnh Máy đo bức xạ tuyệt đối cho Vũ trụ học (mở trong tab mới), Vật lý thiên văn và Phát xạ khuếch tán (ARCADE) từ Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ Goddard của NASA. Tìm hiểu về bức xạ synctron (mở trong tab mới) với Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia (NRAO). Khám phá thêm về kính thiên văn vô tuyến Mảng tần số thấp (LOFAR) từ Viện Thiên văn vô tuyến ASTRON Hà Lan (mở trong tab mới).