Biến cả Trái đất thành ‘máy dò’ vũ trụ: tham vọng mới của giới khoa học

Bằng cách đưa các cảm biến lượng tử siêu nhạy lên quỹ đạo Trái đất, dự án hy vọng sẽ phát hiện ra các “tương tác phụ thuộc spin” kỳ lạ – những manh mối quan trọng có thể dẫn đến việc tìm ra vật chất tối và các lực lượng nằm ngoài sự hiểu biết hiện tại của con người.

Theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science China Press, dự án dự kiến lắp đặt các thiết bị đo lường chính xác lên các nền tảng không gian như Trạm Vũ trụ Trung Quốc. 

Nguyên lý cốt lõi dựa trên việc phát hiện các tương tác vật lý hiếm gặp giữa các hạt cơ bản, vốn phụ thuộc vào “spin” (momen động lượng quay) và vận tốc tương đối của chúng. Các tương tác này có thể tạo ra những thay đổi cực nhỏ trong mức năng lượng nguyên tử, biểu hiện dưới dạng các “từ trường giả” mà cảm biến lượng tử có thể ghi nhận được.

Môi trường không gian mang lại những lợi thế vượt trội mà các phòng thí nghiệm mặt đất không thể sao chép. Đầu tiên, tốc độ di chuyển cực cao của trạm vũ trụ (khoảng 7,67 km/s) giúp tăng cường đáng kể tín hiệu của các tương tác phụ thuộc vận tốc. 

Quan trọng hơn, Trái đất đóng vai trò như một nguồn chứa các hạt spin phân cực tự nhiên khổng lồ. Các electron không ghép cặp trong lớp vỏ và lớp phủ của hành tinh tạo ra một nguồn phát lớn hơn gấp hàng trăm triệu tỉ lần so với các nguồn nhân tạo tốt nhất hiện nay. 

Ngoài ra, việc chuyển động quay quanh Trái đất theo chu kỳ giúp biến các tín hiệu cần tìm thành dạng sóng tuần hoàn, cho phép các nhà khoa học lọc bỏ nhiễu nền hiệu quả hơn. Nhờ đó, độ nhạy của thiết bị dự kiến sẽ tăng gấp hàng triệu lần so với các giới hạn phát hiện hiện tại.

Để hiện thực hóa ý tưởng này, nhóm nghiên cứu đã phát triển thành công một nguyên mẫu cảm biến spin khí hiếm kép, sử dụng hai đồng vị Xenon-129 và Xenon-131. Thiết kế này cho phép thiết bị triệt tiêu các nhiễu từ trường chung lên đến 10.000 lần, đồng thời được trang bị công nghệ chống rung và lớp bảo vệ bức xạ để hoạt động bền bỉ trong môi trường vũ trụ khắc nghiệt.

Thành công bước đầu của nguyên mẫu này đặt nền móng cho việc xây dựng một mạng lưới cảm biến tích hợp giữa không gian và mặt đất. 

Trong tương lai xa, khi con người mở rộng hoạt động vào sâu trong hệ Mặt trời, các nhà khoa học kỳ vọng có thể tận dụng cả những hành tinh khổng lồ như sao Mộc và sao Thổ làm nguồn spin tự nhiên, mở ra kỷ nguyên mới trong việc giải mã các bí ẩn sâu kín nhất của vũ trụ.