Sâu thẳm trong một ngọn núi tại Nhật Bản, bên trong một bể chứa khổng lồ chứa 50.000 tấn nước tinh khiết, các nhà khoa học đã nghe thấy một lời thì thầm mong manh của vũ trụ. Super-Kamiokande — một trong những "kính thiên văn neutrino" nhạy nhất thế giới — đã ghi lại những dấu hiệu đầu tiên của cái gọi là neutrino nền siêu tân tinh (DSNB). Đây là những hạt được sinh ra trong "địa ngục nhiệt hạch" từ vô số vụ nổ sao trong suốt lịch sử không gian.
Không phải ngẫu nhiên mà neutrino được gọi là những "hạt ma" hay "bóng ma vũ trụ". Những hạt cơ bản này hầu như không tương tác với vật chất: hàng nghìn tỷ hạt xuyên qua cơ thể bạn mỗi giây mà không để lại dấu vết. Đồng thời, chính chúng lại mang đi phần lớn năng lượng khi một siêu tân tinh bùng nổ. Khi một ngôi sao khổng lồ cạn kiệt nhiên liệu, lõi của nó sụp đổ, một phản ứng dây chuyền được kích hoạt và khoảng 10^58 hạt neutrino được sinh ra — một con số mà ngay cả trí tưởng tượng cũng khó lòng hình dung nổi. Ánh sáng mà chúng ta thấy dưới dạng một tia sáng rực rỡ chỉ chiếm khoảng 1% năng lượng của vụ nổ. Phần còn lại thoát ra dưới dạng những hạt sơ cấp khó nắm bắt này.
Cho đến nay, các nhà thiên văn học mới chỉ quan sát được neutrino từ duy nhất một vụ nổ siêu tân tinh — SN 1987A trong Đám mây Magellan Lớn vào năm 1987. Đó là một sự kiện xảy ra ngay "sát vách" — chỉ cách 168 nghìn năm ánh sáng. Trong khi đó, neutrino nền là tiếng nói tập thể của tất cả các siêu tân tinh đã bùng nổ trong hàng tỷ năm qua ở khắp mọi nơi trong vũ trụ. Chúng lan tỏa khắp mọi hướng, yếu đi đáng kể và giờ đây đang "thì thầm" một cách cực kỳ mờ nhạt khi xuyên qua không gian. Theo lý thuyết, cứ mỗi giây lại có vài hạt như vậy đi qua mỗi centimet vuông trên Trái Đất.
Sự hợp tác quốc tế Super-Kamiokande đã phân tích dữ liệu từ 5002 ngày quan sát — từ năm 2008 đến 2020 (với nước tinh khiết) và sau năm 2020, khi Gadolinium được thêm vào nước để tăng độ nhạy. Các nhà khoa học đã cẩn thận lọc bỏ nhiễu từ neutrino khí quyển, tia vũ trụ và các tạp âm khác. Trong dải năng lượng 13–81 MeV, họ đã tách được một tín hiệu có ý nghĩa thống kê phù hợp với các dự đoán của mô hình DSNB. Tín hiệu này tương ứng với khoảng 3,6 neutrino trên mỗi centimet vuông mỗi giây — một giá trị nằm trong phạm vi kỳ vọng. Độ tin cậy hiện ở mức 2,6σ: đây chưa phải là một khám phá hoàn toàn (thường yêu cầu 5σ), nhưng là "tiếng vang" thuyết phục đầu tiên trong lịch sử.
Tại sao điều này lại quan trọng? Siêu tân tinh là những "lò rèn" chính tạo ra các nguyên tố nặng trong vũ trụ. Sắt trong máu, canxi trong xương, oxy mà chúng ta hít thở — tất cả đều từng được tung ra từ vụ nổ của những ngôi sao cổ đại. Bằng cách nghiên cứu neutrino nền, chúng ta có cơ hội tìm hiểu số liệu thống kê về các vụ nổ này trong suốt lịch sử vũ trụ: đã có bao nhiêu vụ nổ, năng lượng ra sao và chúng ảnh hưởng thế nào đến sự tiến hóa hóa học của các thiên hà. Đây là cửa sổ nhìn vào các quá trình đã hình thành nên chính thế giới mà chúng ta đang tồn tại.
Mặc dù tín hiệu còn yếu, nhưng Super-Kamiokande vẫn tiếp tục tích lũy dữ liệu và trong tương lai sẽ có thêm các máy dò mới tham gia. Lời thì thầm tĩnh lặng của những bóng ma vũ trụ đang dần trở thành một câu chuyện rõ ràng về cuộc đời đầy kịch tính của các vì sao. Và mỗi photon hay tia sáng mới trong bể chứa khổng lồ dưới lòng đất lại đưa chúng ta đến gần hơn với việc hiểu được vũ trụ của chúng ta đã ra đời và đang sống như thế nào.
