Thiết bị kính thiên văn neutrino TRIDENT của Trung Quốc vượt qua thử nghiệm quan trọng dưới biển sâu

Cột mốc dưới biển sâu mở ra góc nhìn mới về vũ trụ

Các nhà khoa học Trung Quốc đã hoàn tất thành công những cuộc thử nghiệm trên biển mang tính then chốt đối với Kính thiên văn Neutrino Biển sâu Nhiệt đới (TRIDENT), đánh dấu bước tiến lớn trong quá trình xây dựng đài quan sát dưới nước lớn nhất thế giới, được thiết kế để phát hiện các hạt hạ nguyên tử bí ẩn từ không gian sâu. Đại học Giao thông Thượng Hải hôm Chủ nhật thông báo các thiết bị chính xác và thiết bị kỹ thuật đã chứng minh khả năng vận hành đầy đủ ở độ sâu 3.500 mét tại Biển Đông, xác nhận thành quả của nhiều năm nghiên cứu và phát triển chuyên sâu.

Các cuộc thử nghiệm vừa kết thúc đã xác nhận hoạt động của hệ thống triển khai thiết bị chính xác dưới biển bằng cơ chế nhả đàn hồi (SPIDER), một cơ cấu tinh vi được thiết kế để đặt thiết bị phát hiện nhạy cảm xuống đáy biển với độ chính xác cực cao. Trong các cuộc thử nghiệm, SPIDER đã hoàn thành thử nghiệm hạ thiết bị xuống đáy biển ở độ sâu mục tiêu 3.500 mét và thực hiện các bài kiểm tra di chuyển phối hợp với tàu được định vị động, qua đó xác nhận khả năng chịu va đập và định vị chính xác dưới biển sâu, những yếu tố thiết yếu cho dự án xây dựng quy mô lớn sắp tới.

Ngoài hệ thống triển khai, các nhà nghiên cứu đã thu hồi thành công các phao neo đo đạc môi trường neutrino được thả xuống lần đầu vào tháng 4/2025. Các thiết bị này cung cấp dữ liệu khí tượng, hải dương học và thủy văn trọn chu kỳ, đồng thời ghi lại hoạt động của thiết bị trong điều kiện áp suất cực cao. Sau nhiều tháng dưới nước, các cảm biến cho thấy hiện tượng sinh vật bám rất ít, đồng thời liên tục cung cấp dữ liệu giúp định hướng lựa chọn địa điểm cuối cùng cho mạng lưới kính thiên văn quy mô lớn, bảo đảm địa điểm được chọn có điều kiện ổn định quanh năm.

Trong chuyến đi, nhóm dự án cũng tiến hành lấy mẫu tại chỗ và thử nghiệm lọc thể tích lớn, thu thập dữ liệu đa dạng sinh học toàn diện từ hệ sinh thái đồng bằng biển sâu. Những phát hiện này sẽ cung cấp cơ sở tham chiếu thiết yếu để phân biệt tín hiệu neutrino thực với nhiễu có thể do sinh vật hoặc các nguồn nền khác trong môi trường biển sâu gây ra, đồng thời đóng góp cho hiểu biết của khoa học biển về những vùng biển còn ít được khám phá này.

Các cuộc thử nghiệm thành công không chỉ đơn thuần xác nhận năng lực kỹ thuật. Chúng cho thấy Trung Quốc có khả năng công nghệ để xây dựng và duy trì cơ sở hạ tầng khoa học tinh vi trong một trong những môi trường khắc nghiệt nhất hành tinh. Đồng bằng biển sâu ở độ sâu 3.500 mét có áp suất nghiền ép, bóng tối hoàn toàn và nhiệt độ gần điểm đóng băng, những điều kiện có thể phá hủy thiết bị thông thường chỉ trong vài giờ.

Săn tìm hạt ma giữa làn nước tối

TRIDENT, có tên gọi tiếng Trung là Hải Linh hoặc Chuông Đại Dương, là nỗ lực táo bạo nhằm bắt giữ neutrino, những hạt hạ nguyên tử khó nắm bắt đến mức được các nhà khoa học gọi là hạt ma. Những hạt này có khối lượng gần bằng không và không mang điện tích, cho phép chúng xuyên qua vật chất rắn, kể cả toàn bộ hành tinh, mà không tương tác. Mỗi giây, khoảng 100 tỷ neutrino đi xuyên qua mỗi centimet vuông cơ thể người, nhưng không để lại dấu vết nào.

Đặc tính bí ẩn này khiến neutrino cực kỳ khó phát hiện, nhưng cũng biến chúng thành sứ giả vũ trụ vô giá. Vì di chuyển theo đường thẳng mà không bị từ trường làm lệch hướng, neutrino chỉ thẳng về nguồn phát, có thể hé lộ nguồn gốc của tia vũ trụ và các sự kiện vật lý thiên văn dữ dội tạo ra chúng. Những nguồn này bao gồm vụ nổ siêu tân tinh, các thiên hà va chạm và luồng vật chất phóng ra từ nhân thiên hà hoạt động.

Khi neutrino năng lượng cao đôi lúc va chạm với các phân tử nước, chúng tạo ra những hạt thứ cấp gọi là muon, phát ra những tia sáng xanh mờ gọi là bức xạ Cherenkov. TRIDENT sẽ phát hiện những ánh sáng lóe lên trong khoảnh khắc này bằng hàng nghìn cảm biến quang học siêu nhạy, được treo trong một thể tích nước biển sâu khổng lồ.

Kỹ thuật chính xác ở độ sâu cực lớn

Các cuộc thử nghiệm trên biển gần đây tập trung xác nhận một số công nghệ then chốt cần thiết cho giai đoạn xây dựng thứ nhất. Hệ thống SPIDER là một thành công nổi bật, sau tám lần điều chỉnh thiết kế mới đạt được kết quả hiện tại. Trong quá trình thử nghiệm, thiết bị hạ xuống độ sâu khoảng 1.700 mét, đồng thời thả ra một dây dài 700 mét gồm 20 cảm biến và bốn khối tạo lực nổi, giữ nguyên vị trí trong mười phút và xoay chậm để mô phỏng điều kiện vận hành.

Các kỹ sư cũng thử nghiệm nguyên mẫu Mô-đun Quang học Kỹ thuật số lai (hDOM), bộ phận phát hiện cốt lõi của kính thiên văn. Cảm biến tiên tiến này ghi nhận được các tín hiệu neutrino tinh vi và đạt độ chính xác ở cấp độ từng photon trong điều kiện ánh sáng cực yếu, cho thấy độ nhạy cần thiết để phát hiện tương tác của các hạt ma.

Ngoài ra, nhóm dự án đã hoàn thành nhiều cuộc thử nghiệm kết nối dưới nước trên năm hệ thống đầu nối ướt biển sâu nội địa. Các thiết bị này sẽ nối phao dưới mặt nước với các hộp đấu nối dưới đáy biển, tạo thành những liên kết thiết yếu trong hạ tầng dữ liệu và cấp điện của đài quan sát. Hệ thống định vị âm học dưới nước cũng đã được kiểm chứng trong chuyến khảo sát.

Thiết kế cảm biến lai tiên tiến

Các thiết bị hDOM là bước tiến công nghệ đáng kể so với những kính thiên văn neutrino trước đây. Mỗi mô-đun kết hợp ống nhân quang (PMT) truyền thống với bộ nhân quang silicon (SiPM) hiện đại, tạo thành hệ thống phát hiện lai tối đa hóa khả năng thu nhận ánh sáng, đồng thời đạt độ phân giải thời gian tính bằng hàng chục picôgiây. SiPM lấp các khoảng trống giữa PMT, tăng diện tích phủ của quang catốt và cho phép kích hoạt đồng thời, giúp phân biệt tín hiệu tốt hơn.

Cách tiếp cận lai này cho phép TRIDENT đo chính xác thời điểm đến của các photon Cherenkov không bị tán xạ, trực tiếp cải thiện độ phân giải góc của các vệt hạt được phát hiện. Các nhà khoa học kỳ vọng đạt độ chính xác định hướng khoảng 0,1 độ đối với các sự kiện năng lượng cao, giúp tách riêng từng nguồn vật lý thiên văn khỏi nền neutrino vũ trụ khuếch tán.

Thiết kế đài quan sát dưới nước lớn nhất thế giới

Khi hoàn thành vào đầu những năm 2030, TRIDENT sẽ có quy mô vượt xa mọi đài quan sát neutrino hiện có. Mạng lưới hoàn chỉnh gồm 1.211 dây cảm biến thẳng đứng, mỗi dây cao 700 mét và được trang bị 20 mô-đun quang học lai cách nhau 30 mét. Các dây này sẽ phủ các độ sâu từ 2.800 đến 3.400 mét dưới mực nước biển, tạo thành thể tích được lắp đặt thiết bị khoảng 7,5 km khối.

Các dây cảm biến sẽ được bố trí theo mô hình lát Penrose sử dụng tỷ lệ vàng, với khoảng cách giữa các dây luân phiên là 70 và 110 mét. Các nhà nghiên cứu chọn hình học không đồng đều này thay vì lưới đều vì mô phỏng cho thấy cách bố trí đó mở rộng dải năng lượng neutrino có thể phát hiện, đồng thời giảm hiệu ứng rìa có thể làm giảm chất lượng dữ liệu. Thiết kế cũng tích hợp các lối đi dạng xoắn ốc giữa các cụm dây, giúp robot dưới nước tiếp cận các bộ phận bên trong để bảo trì mà không tạo ra những vùng trống lớn, nơi tương tác neutrino có thể bị bỏ sót.

Quy mô khổng lồ này đem lại lợi thế đáng kể so với kỷ lục hiện nay là IceCube, đài quan sát theo dõi khoảng 1 km khối băng ở Nam Cực. Thể tích lớn hơn đồng nghĩa TRIDENT sẽ ghi nhận được nhiều tương tác neutrino hơn đáng kể. Các nhà nghiên cứu dự đoán kính thiên văn có thể phát hiện một số nguồn ổn định, chẳng hạn thiên hà Seyfert NGC 1068, chỉ trong một năm vận hành với độ tin cậy thống kê năm sigma.

Lợi thế xích đạo trong thiên văn học neutrino

Vị trí của TRIDENT ở Tây Thái Bình Dương, gần đường xích đạo, đem lại những lợi thế khoa học độc đáo mà các đài quan sát ở vùng cực hoặc vĩ độ trung bình không có. Xu Donglian, nhà khoa học trưởng của kính thiên văn thuộc Viện Tsung-Dao Lee, Đại học Giao thông Thượng Hải, đã giải thích chiến lược quan sát sáng tạo của dự án.

Dùng Trái Đất làm lá chắn, TRIDENT sẽ phát hiện các neutrino xuyên qua hành tinh từ phía đối diện. Vì TRIDENT nằm gần đường xích đạo, kính thiên văn có thể tiếp nhận neutrino đến từ mọi hướng khi Trái Đất quay, cho phép quan sát toàn bộ bầu trời mà không có điểm mù nào.

Cấu hình hướng xuống này lọc bỏ bức xạ nền từ các muon khí quyển, vốn không thể xuyên qua toàn bộ hành tinh. Chỉ neutrino năng lượng cao mới có thể xuyên qua Trái Đất từ phía đối diện, tạo ra môi trường tín hiệu sạch để phát hiện các nguồn vật lý thiên văn. Vì máy dò nằm gần đường xích đạo, vòng quay của Trái Đất liên tục quét toàn bộ bầu trời qua trường quan sát của nó, loại bỏ các điểm mù ảnh hưởng đến máy dò ở vùng cực.

Các cuộc khảo sát lựa chọn địa điểm tiến hành năm 2021 xác nhận đồng bằng biển sâu được chọn có điều kiện tối ưu. Ở độ sâu 3.500 mét, dòng chảy dưới nước yếu, dưới 10 centimet mỗi giây. Nước biển có độ trong quang học rất tốt, với chiều dài hấp thụ khoảng 27 mét và chiều dài tán xạ 63 mét, cho phép photon Cherenkov di chuyển quãng đường đáng kể giữa các điểm tương tác và cảm biến.

Giải mã bí ẩn vũ trụ và vật lý cơ bản

Tham vọng khoa học thúc đẩy TRIDENT vượt xa việc chỉ đếm các hạt ma. Chủ tịch dự án Jing Yipeng phác thảo chương trình nghiên cứu rộng lớn hơn tại một cuộc họp báo gần đây, cho biết kính thiên văn sẽ giúp kiểm tra các đối xứng của không-thời gian, tìm kiếm bằng chứng về hấp dẫn lượng tử và tiến hành tìm kiếm gián tiếp vật chất tối.

Nhiệm vụ chính vẫn là giải đáp câu đố kéo dài cả thế kỷ về nguồn gốc tia vũ trụ. Dù các nhà khoa học biết từ năm 1912 rằng các hạt năng lượng cao liên tục bắn phá Trái Đất từ không gian, cơ chế và địa điểm chính xác giúp gia tốc những hạt này lên mức năng lượng cực cao vẫn chưa được xác định. Neutrino là mắt xích còn thiếu quan trọng, bởi chúng được tạo ra khi tia vũ trụ tương tác với vật chất hoặc bức xạ gần nơi chúng hình thành.

Bằng cách phát hiện neutrino từ những thiên thể cụ thể, TRIDENT sẽ xác định các lò tạo tia vũ trụ rải rác khắp vũ trụ. Đài quan sát cũng sẽ đo tỷ lệ các loại neutrino, nghiên cứu cách neutrino electron, muon và tau biến đổi lẫn nhau trong hành trình xuyên qua khoảng cách thiên văn. Những phép đo dao động này có thể hé lộ vật lý vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn và cung cấp hiểu biết về các hiệu ứng của hấp dẫn lượng tử.

Thêm vào đó, kính thiên văn sẽ tìm kiếm cộng hưởng Glashow, một dấu hiệu năng lượng đặc trưng xuất hiện khi phản neutrino electron tương tác với electron trong nguyên tử, tạo ra tín hiệu riêng biệt có thể phân biệt với các tương tác neutrino khác. Phát hiện được những sự kiện hiếm này sẽ cung cấp các giới hạn giá trị cho mô hình vật lý thiên văn và vật lý hạt cơ bản.

Lộ trình xây dựng và bối cảnh quốc tế

Dự án được triển khai theo nhiều giai đoạn. Giai đoạn thứ nhất sẽ lắp đặt mười dây phát hiện neutrino để tạo thành một mạng lưới nhỏ gọn, làm nhiệm vụ trình diễn công nghệ và dự kiến được triển khai vào khoảng năm 2026. Sau giai đoạn thí điểm thành công, việc xây dựng mạng lưới đầy đủ gồm 1.211 dây sẽ bắt đầu; đài quan sát hoàn chỉnh dự kiến đi vào hoạt động vào đầu những năm 2030.

Một cơ sở sản xuất chuyên dụng sẽ được xây dựng tại thành phố cảng Tam Á để sản xuất hàng loạt mô-đun quang học lai và các hệ thống dây cảm biến. Từ cơ sở này, các bộ phận hoàn thiện có thể được vận chuyển thuận tiện đến địa điểm lắp đặt, cách Hong Kong khoảng 540 km về phía nam.

TRIDENT tham gia mạng lưới đài quan sát neutrino toàn cầu đang mở rộng. Baikal GVD của Nga hiện hoạt động tại hồ Baikal, trong khi dự án KM3NeT đang được xây dựng ở Địa Trung Hải. Đài quan sát IceCube tại Nam Cực tiếp tục hoạt động ở vùng cực Nam, còn Thí nghiệm Neutrino Thái Bình Dương (P ONE) được đề xuất có thể được triển khai ở Đông Thái Bình Dương. Mỗi địa điểm có những lợi thế riêng, trong đó vị trí gần xích đạo của TRIDENT bổ trợ cho phạm vi quan sát bầu trời của các máy dò ở bán cầu Bắc và Nam.

Hơn một chục trường đại học và viện nghiên cứu Trung Quốc tham gia dự án, trong đó có Viện Vật lý Năng lượng cao ở Bắc Kinh, Đại học Hải dương Trung Quốc và Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc. Cách tiếp cận hợp tác này kết hợp chuyên môn về vật lý hạt, thiên văn học, kỹ thuật đại dương và sinh học biển để giải quyết những thách thức đa ngành khi xây dựng phòng thí nghiệm vật lý hạt dưới đáy đại dương sâu.

Điểm chính

• Các nhà khoa học Trung Quốc đã thử nghiệm thành công phần cứng kính thiên văn neutrino TRIDENT ở độ sâu 3.500 mét tại Biển Đông, xác nhận hoạt động của hệ thống triển khai SPIDER và các cảm biến quang học lai
• Hệ thống SPIDER hoàn thành thử nghiệm hạ thiết bị xuống đáy biển và di chuyển phối hợp với tàu; Mô-đun Quang học Kỹ thuật số lai đạt độ chính xác phát hiện ở cấp độ từng photon
• Khi hoàn thành vào đầu những năm 2030, TRIDENT sẽ phủ 7,5 km khối với 1.211 dây cảm biến, trở thành đài quan sát neutrino lớn nhất thế giới
• Vị trí gần xích đạo cho phép kính thiên văn dùng Trái Đất làm lá chắn và quan sát toàn bộ bầu trời mà không có điểm mù khi hành tinh quay
• Các nhà khoa học kỳ vọng xác định những nguồn neutrino vũ trụ cụ thể trong năm đầu tiên vận hành đầy đủ, thúc đẩy nghiên cứu về nguồn gốc tia vũ trụ, hấp dẫn lượng tử và vật chất tối
• Mạng lưới thí điểm gồm mười dây cảm biến dự kiến được triển khai vào khoảng năm 2026; cơ sở sản xuất sẽ được xây dựng tại Tam Á