Nhóm JAXA chụp ảnh trực tiếp tia gamma từ tâm Ngân Hà bằng camera theo dõi electron

Chuyến bay khinh khí cầu ghi nhận tín hiệu 7,9 sigma

Một kính viễn vọng được đưa lên cao phía trên Australia năm 2018 đã tạo ra ảnh trực tiếp về phát xạ tia gamma từ tâm Ngân Hà, phát hiện tín hiệu cao hơn bức xạ nền 7,9 độ lệch chuẩn trong dải năng lượng 150 đến 600 keV. Kết quả cho thấy một phương pháp chụp ảnh mới cho dải năng lượng vốn lâu nay khó được quan sát thiên văn chính xác.

JAXA, Đại học Kitasato, Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia Nhật Bản cùng Đại học Kyoto công bố phát hiện ngày 6 tháng 10 năm 2026. Thông báo nghiên cứu chung mô tả đây là lần đầu tiên nguyên lý quang học hình học được áp dụng để chụp ảnh tuyến tính, qua đó thu được phổ chính xác của phát xạ do positron hủy cặp tại tâm Ngân Hà ở những mức năng lượng này.

Điểm khác biệt này rất quan trọng. Đây không phải lần đầu tiên tia gamma hay sự hủy cặp vật chất và phản vật chất được phát hiện ở khu vực đó. Nghiên cứu chứng minh một cách khác để xác định vị trí trên ảnh của các tia gamma đi tới, giúp việc đo độ sáng và năng lượng ít phụ thuộc hơn vào giả định về cách sắp xếp các nguồn thiên thể.

Nghiên cứu cũng đưa ra ước tính phát xạ liên quan đến positronium cao khoảng gấp đôi phép đo trước đây của INTEGRAL. Tuy nhiên, mức độ bất định còn lớn và bài báo cho biết hai phép đo phù hợp nhau về mặt thống kê. Kết quả không chứng minh tâm Ngân Hà sáng lên hay vật chất tối đã được phát hiện.

Nhóm nghiên cứu gồm Giáo sư Toru Tanimori của Đại học Kitasato, giáo sư danh dự Đại học Kyoto; nhà nghiên cứu Tomonori Ikeda của Viện Khoa học và Công nghệ Công nghiệp Tiên tiến Quốc gia; Phó Giáo sư Atsushi Takada của Đại học Kyoto; và Trợ lý Giáo sư Yoshitaka Mizumura thuộc Viện Khoa học Vũ trụ và Du hành Vũ trụ JAXA. Thí nghiệm tiếp theo được đề xuất, SMILE-3, đang được chuẩn bị để trở thành ứng viên cho cơ hội bay khinh khí cầu của JAXA tại Australia năm 2028.

Camera thay đổi điều gì

Thiết bị này là camera Compton theo dõi electron, hay ETCC. Thay vì thu tia gamma bằng thấu kính quang học thông thường, thiết bị tái dựng hướng đi của chúng dựa trên các tương tác xảy ra bên trong bộ dò.

Khi một tia gamma tán xạ Compton, nó truyền một phần năng lượng cho electron rồi tiếp tục đi theo hướng khác. Camera Compton thông thường đo photon bị tán xạ nhưng không đo đủ chính xác hướng của electron giật lùi. Vì vậy, mỗi sự kiện chỉ cho biết một vòng tròn các vị trí có thể có trên bầu trời, chứ không xác định một hướng duy nhất.

ETCC ghi lại đường đi của electron cùng năng lượng và vị trí của photon bị tán xạ. Kết hợp các phép đo này, thiết bị có thể tái dựng hướng đi ban đầu và xác định vị trí trong ảnh, trong giới hạn sai số góc của thiết bị.

Phương pháp này cho phép chụp ảnh tuyến tính. Nói đơn giản, đóng góp đo được của một nguồn cần nhất quán dù nguồn đó được quan sát riêng hay cùng các nguồn khác. Nhờ vậy, ảnh có thể hỗ trợ đo định lượng độ sáng thay vì chủ yếu dựa vào phép tái dựng phức tạp các vòng tròn chồng lấn.

So sánh với thiên văn học quang học nói về nguyên lý chụp ảnh này, chứ không phải phần cứng hay độ sắc nét của ảnh thu được. ETCC không hội tụ tia gamma qua thấu kính thủy tinh, và ảnh tâm Ngân Hà của thiết bị vẫn khá rộng. Tiến bộ nằm ở mối liên hệ trực tiếp và có thể đo lường hơn giữa các sự kiện được phát hiện với vị trí trên bầu trời.

Năm giờ quan sát hướng về tâm Ngân Hà

Khinh khí cầu SMILE-2+ được phóng từ Alice Springs, miền trung Australia, lúc 06:24 ngày 7 tháng 4 năm 2018 theo giờ chuẩn miền Trung Australia. Chuyến bay kéo dài khoảng một ngày, nhưng thời gian quan sát hữu ích đối với tâm Ngân Hà ngắn hơn nhiều.

Theo bản thảo nghiên cứu, tâm Ngân Hà đi vào trường nhìn được chọn vào khoảng 01:00 ngày 8 tháng 4 và có thể quan sát trong khoảng năm giờ. Các ảnh sử dụng dữ liệu thu được trong giai đoạn bay ổn định, khi khinh khí cầu ở độ cao khoảng 39,6 km.

Trường nhìn của kính viễn vọng là 3,1 steradian. Steradian đo diện tích góc chứ không phải diện tích trên một mặt phẳng. So với toàn bộ bầu trời rộng khoảng 12,6 steradian, thiết bị có thể bao quát gần một phần tư bầu trời tại một thời điểm, dù phân tích đã giới hạn các hướng quan sát để giảm nhiễm bẩn từ khí quyển.

Các mốc thời gian cho thấy chuyến bay ban đầu và phân tích khoa học sau đó là hai giai đoạn riêng biệt:

• Ngày 7 tháng 4 năm 2018: SMILE-2+ được phóng từ Alice Springs.
• Ngày 8 tháng 4 năm 2018: Có thể quan sát tâm Ngân Hà trong khoảng năm giờ.
• Năm 2022: Nhóm công bố báo cáo ban đầu về phát hiện tại tâm Ngân Hà trên tạp chí Astrophysical Journal.
• Ngày 11 tháng 8 năm 2026: Nghiên cứu mới về chụp ảnh và quang phổ được công bố trên Physical Review D.
• Ngày 6 tháng 10 năm 2026: Bốn cơ quan Nhật Bản cùng công bố kết quả.
• Năm 2028: JAXA dự kiến có cơ hội bay khinh khí cầu tại Australia, với SMILE-3 là một ứng viên.

Phát hiện rõ không đồng nghĩa với bản đồ chi tiết

Bài báo trên Physical Review D, xuất bản trong tập 114, bài số 043026, báo cáo mức dư thừa 7,9 sigma trong ảnh tâm Ngân Hà. Sigma biểu thị độ lớn của tín hiệu so với các dao động thống kê dự kiến từ nền ước tính.

Đây là bằng chứng mạnh về phát xạ trong ảnh theo phương pháp phân tích được sử dụng. Tuy nhiên, chỉ riêng kết quả này không xác định được các vật thể tạo ra bức xạ hay cho biết phát xạ tập trung ở một nguồn nhỏ hay trải rộng trên một khu vực lớn.

Các tác giả kiểm nghiệm ba mô hình mô tả phát xạ: một nguồn duy nhất tại tâm Ngân Hà, một cấu trúc gồm nhiều thành phần và một phân bố đối xứng, trơn được mô tả bằng hàm Gaussian hai chiều. Mô hình nhiều thành phần gồm một vùng phình hẹp, một vùng phình rộng, một đĩa mờ và một nguồn trung tâm.

Ikeda cùng các đồng tác giả, tức nhóm nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, viết trong phần tóm tắt của bài báo rằng dữ liệu quan sát chưa thể phân biệt dứt khoát giữa các mô hình này:

Cả ba mô hình đều phù hợp với dữ liệu về mặt thống kê.

Phép khớp Gaussian cho kết quả độ rộng 26 ± 12 độ, tương đương độ rộng toàn phần tại nửa cực đại là 61 ± 28 độ. Tuy nhiên, phép kiểm định thống kê không xác lập được rằng nhất thiết phải có một nguồn mở rộng. Vì vậy, nhóm đã phát hiện đáng tin cậy khu vực này nhưng chưa xác định dứt khoát cấu trúc vật lý của nó.

Vì sao thông lượng cao gấp đôi không đồng nghĩa với mâu thuẫn

Ước tính liên quan đến positronium là (3.2 ± 1.4) × 10 mũ trừ 2 photon trên mỗi centimet vuông mỗi giây. Positronium là một hệ liên kết tồn tại trong thời gian ngắn, gồm một electron và phản hạt của nó là positron. Khi hủy cặp, positronium tạo ra tia gamma, trong đó có phổ liên tục góp phần vào dải năng lượng được quan sát.

Bài báo so sánh ước tính này với giá trị của INTEGRAL là (1.4 ± 0.3) × 10 mũ trừ 2 photon trên mỗi centimet vuông mỗi giây. Chia hai giá trị trung tâm, 3.2 cho 1.4, cho kết quả xấp xỉ 2,3, phù hợp với mô tả trong thông báo rằng kết quả cao hơn khoảng hai lần.

Hai giá trị trung tâm khác nhau, nhưng cần tính đến độ bất định khi so sánh. Các tác giả cho biết hai phép đo phù hợp nhau trong phạm vi một sigma. Do đó, nên hiểu kết quả mới là một ước tính cao hơn cần được đo chính xác hơn, chứ không phải bất đồng đã được xác nhận với INTEGRAL.

Giá trị positronium cũng không được tính bằng cách chỉ đếm các photon được xác định duy nhất là phát ra từ positronium. Với mô hình nhiều thành phần, tổng thông lượng đo được trong dải 150 đến 600 keV là (5.8 ± 1.2) × 10 mũ trừ 2 photon trên mỗi centimet vuông mỗi giây.

Sau đó, các nhà nghiên cứu ước tính và trừ đi thành phần phát xạ Compton nghịch đảo là (2.6 ± 0.7) × 10 mũ trừ 2 theo cùng đơn vị. Phát xạ Compton nghịch đảo xảy ra khi các electron năng lượng cao truyền năng lượng cho photon. Độ bất định trong thành phần được mô hình hóa này được tính vào ước tính positronium cuối cùng.

Chụp ảnh trực tiếp vẫn cần hiệu chỉnh nền

Các phép đo hướng của camera giảm sự nhập nhằng, nhưng không loại bỏ mọi mô hình hay phép hiệu chỉnh. Bản thảo nêu rõ rằng số sự kiện hạn chế khiến nhóm không thể tái dựng hoàn toàn độc lập phân bố phát xạ khuếch tán.

Tia gamma trong khí quyển chiếm phần lớn bức xạ nền ở dải năng lượng quan sát. Các sự kiện tia vũ trụ và những trường hợp trùng hợp ngẫu nhiên giữa các tín hiệu bộ dò không liên quan cũng góp phần. Ngay cả ở độ cao khinh khí cầu, bức xạ từ vũ trụ vẫn có thể bị hấp thụ hoặc tán xạ trước khi tới kính viễn vọng.

Các nhà nghiên cứu mô phỏng những hiệu ứng khí quyển này và hiệu chuẩn hệ số chuẩn hóa nền dựa trên một khoảng thời gian tâm Ngân Hà nằm ngoài trường nhìn. Họ cũng ước tính đóng góp từ các nguồn sáng đã biết bằng cách sử dụng danh mục của Swift và INTEGRAL.

Trong dải 450 đến 600 keV, khoảng 92% số sự kiện được phát hiện trong ô phân tích tâm Ngân Hà được quy cho nền. Bài báo nêu tỷ số tín hiệu trên nhiễu là 8,8% đối với dải này. Tỷ lệ phần trăm này mô tả thành phần của các sự kiện được chọn, không phải ý nghĩa thống kê 7,9 sigma của phát hiện trong ảnh.

Cần thận trọng khi so sánh với các đài quan sát khác vì chúng không đo cùng một vùng trời và cũng không loại trừ nguồn theo cùng một cách. Phân tích ETCC sử dụng vùng trung tâm kéo dài khoảng 33 độ về mỗi phía của tâm Ngân Hà, theo cả kinh độ và vĩ độ Ngân Hà.

Các phân tích COSI và INTEGRAL được dẫn trong bài báo sử dụng những vùng khác nhau. Bài báo hiệu chỉnh các giá trị cường độ của chúng để tính đến sự khác biệt về diện tích góc, đồng thời lưu ý việc so sánh phát xạ khuếch tán chỉ mang tính gần đúng vì còn phụ thuộc vào phân bố bức xạ được giả định.

Ảnh mới sắc nét đến đâu?

ETCC sử dụng một bộ dò khí có thể tích hoạt động 30 × 30 × 30 centimet để ghi đường đi của electron, được bao quanh bởi 108 dãy nhấp nháy để phát hiện tia gamma tán xạ. Các nhà nghiên cứu cũng dùng mạng nơ-ron tích chập để cải thiện khả năng tái dựng hướng của electron giật lùi.

Ở mức 511 keV, năng lượng đặc trưng của vạch hủy cặp electron và positron, bán kính nửa công suất của thiết bị là 20 độ. Điều này có nghĩa là một nửa số sự kiện được tái dựng từ nguồn điểm nằm trong bán kính góc 20 độ.

Độ phân giải năng lượng của thiết bị ở 511 keV là 14%, biểu thị bằng độ rộng toàn phần tại nửa cực đại của đáp ứng. Đại lượng này đo mức độ phân tán trong phổ ghi nhận của các sự kiện từ photon có cùng năng lượng.

Các thông số này cho thấy chụp ảnh trực tiếp và xác định chính xác nguồn là hai thành tựu riêng biệt. Camera có thể xác định hướng theo một đáp ứng chụp ảnh được quy định, nhưng độ phân giải góc còn rộng khiến nó không thể tách riêng đáng tin cậy các vật thể nằm sát nhau trong vùng tâm Ngân Hà.

Vì vậy, thiết bị là minh chứng cho một phương pháp chứ chưa phải giải pháp hoàn chỉnh để xác định cấu trúc của khu vực này. Tín hiệu mạnh hơn, thời gian quan sát dài hơn và hiệu năng được cải thiện sẽ giúp xác định mô hình không gian nào phù hợp nhất với bầu trời.

Nguồn phản vật chất vẫn chưa được xác định

Tâm Ngân Hà là một nguồn nổi bật của vạch hủy cặp 511 keV, nhưng nguồn gốc positron ở đây vẫn chưa rõ. Bản thảo nghiên cứu lưu ý rằng phân bố quan sát được không khớp rõ ràng với bất kỳ quần thể vật thể thiên văn nào đã biết và ít tương quan với phát xạ ở các bước sóng khác.

Các nguồn thông thường có thể có được đề cập trong bài báo gồm những hạt nhân phóng xạ do sao khối lượng lớn và siêu tân tinh tạo ra. Sao neutron và hố đen cũng là những ứng viên, vì các tương tác photon năng lượng cao quanh những vật thể đặc này có thể tạo ra electron và positron.

Các giả thuyết khác gồm sự hủy cặp hoặc phân rã của vật chất tối và các hố đen nguyên thủy khối lượng thấp. Hố đen nguyên thủy hình thành trong vũ trụ sơ khai chứ không phải do sao sụp đổ. Cơ chế tạo positron được đề xuất trong bài báo là bức xạ Hawking.

Ảnh mới không chứng minh được bất kỳ cách giải thích nào trong số đó. Phân bố không gian chưa được xác định, độ bất định của thông lượng và việc trừ đi các phát xạ khác dựa trên mô hình đều hạn chế những kết luận có thể đưa ra về nguồn gốc của tín hiệu.

Tiến bộ hữu ích nằm ở khía cạnh quan sát: một thiết bị có thể đo hướng và năng lượng của tia gamma bằng đáp ứng tuyến tính mở ra một cách khác để kiểm nghiệm các giả thuyết cạnh tranh. Thiết bị không biến một tín hiệu chưa được giải thích thành bằng chứng về vật lý kỳ lạ.

SMILE-3 hướng tới phép đo tiếp theo

Takada đang dẫn dắt công tác chuẩn bị SMILE-3, dự kiến sử dụng ETCC có độ nhạy được cải thiện. Thông báo của JAXA mô tả đây là thí nghiệm ứng viên cho cơ hội bay khinh khí cầu tiếp theo tại Australia, dự kiến vào năm 2028. Thông báo không cho biết thí nghiệm đã được chọn chính thức hay ngày phóng đã được xác nhận.

Các mô phỏng được đề cập trong tài liệu nghiên cứu cho thấy những nâng cấp có thể nâng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trong dải 450 đến 600 keV từ 8,8% lên khoảng 32%. Tính từ hai con số này, tỷ lệ đó cao gấp khoảng 3,6 lần hiện nay, nhưng đây mới là dự báo chứ chưa phải kết quả đã được chứng minh qua chuyến bay.

Các cơ quan tham gia cũng nêu thời gian bay khinh khí cầu dài hơn và các quan sát bằng vệ tinh có thể là cách mở rộng kỹ thuật này. Ngoài tâm Ngân Hà, các mục tiêu được đề xuất gồm tàn dư siêu tân tinh, nhân thiên hà hoạt động và các vụ bùng phát tia gamma.

Những mục tiêu này gắn phương pháp chụp ảnh với các phép đo khoa học cụ thể: phát xạ phóng xạ có thể truy dấu phản ứng hạt nhân và quá trình tạo nguyên tố, còn các tín hiệu tia gamma khác có thể khảo sát sự gia tốc của hạt năng lượng cao. Tuy nhiên, nhiệm vụ trước mắt hẹp hơn: cải thiện thiết bị và thu thập đủ dữ liệu để đo độ sáng cũng như hình dạng của tâm Ngân Hà một cách dứt khoát hơn.

Điểm chính

• SMILE-2+ phát hiện phát xạ từ tâm Ngân Hà trong dải 150 đến 600 keV, với mức dư thừa 7,9 sigma trong ảnh.
• Kết quả chứng minh khả năng chụp ảnh tuyến tính bằng camera Compton theo dõi electron, chứ không phải phát hiện tia gamma từ khu vực này lần đầu tiên.
• Ước tính thông lượng liên quan đến positronium cao hơn khoảng 2,3 lần giá trị trung tâm của INTEGRAL, nhưng bài báo cho biết hai phép đo phù hợp nhau về mặt thống kê.
• Ba mô hình không gian khác nhau đều phù hợp với dữ liệu, nên cấu trúc chi tiết của phát xạ vẫn chưa được xác định.
• Các quan sát không chứng minh vật chất tối hay hố đen nguyên thủy là nguồn tạo positron.
• SMILE-3 đang được chuẩn bị để trở thành ứng viên cho cơ hội bay khinh khí cầu của JAXA tại Australia dự kiến năm 2028.