Luận văn Thiên văn vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM TP.HCM KHOA VẬT LÝ  Tiểu luận môn Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học Tên đề tài: Giáo viên hướng dẫn: Thầy Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Nguyễn Công Danh Võ Thị Hoa Nguyễn Thị Phương Thảo (29/01) Lâm Hoàng Minh Tuấn Nguyễn Thành Trung Lớp Lý 3 Chính Qui TPHCM, Tháng 5 Năm 2009 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC MỤC LỤC Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN ....................................................... 6 1.1. James Clerk Maxwell (1831-1879)................................................................6 1.2. Heinrich Hertz (1857-1894) ..........................................................................7 1.3. Thomas Alva Edison (1847-1931).................................................................8 1.4. Sir Oliver J. Lodge (1851-1940)..................................................................11 1.5. Wilsing and Scheiner (1896) .......................................................................12 1.6. Charles Nordman (1900) .............................................................................13 1.7. Max Planck (1858-1947).............................................................................14 1.8. Oliver Heaviside (1850-1925) .....................................................................16 1.9. Guglielmo Marconi (1874-1937).................................................................17 Chương 2: THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LÀ GÌ? ...................................................... 18 2.1. Sơ lược về Bức xạ điện từ: ..........................................................................18 2.1.1. Nguồn gốc: .................................................................................................. 18 2.1.2. Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ: ................................................ 19 Phương trình Maxwell:......................................................................................... 26 Năng lượng và xung lượng:.................................................................................. 31 2.1.3. Phổ điện từ & Các đặc trưng cơ bản: ........................................................ 36 2.1.4. Các loại bức xạ điện từ:.............................................................................. 40 2.2. Bức xạ vũ trụ và ngành thiên văn vật lý: ..................................................... 51 2.2.1. Sơ lược về bức xạ vũ trụ: ........................................................................... 51 2.2.2. Ngành thiên văn vật lý: .............................................................................. 57 2.3. Bức xạ vô tuyến và thiên văn vô tuyến: ....................................................... 62 3 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Chương 3: KÍNH THIÊN VĂN VÔ TUYẾN ........................................................ 64 3.1. Sơ lược về kính thiên văn vô tuyến: ............................................................ 64 3.2. Đo đạc thiên văn vô tuyến: ..........................................................................70 3.2.1. Sơ lược cấu tạo và hoạt động của kính thiên văn vô tuyến:..................... 70 3.2.2. Công thức đo đạc vô tuyến: ....................................................................... 76 Chương 4: GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG THIÊN VĂN VÔ TUYẾN .................................................................................................79 4.1. Sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ, vết tích của Big Bang:............................ 79 4.1.1. Lược sử:....................................................................................................... 79 4.1.2. Ý nghĩa việc tìm ra bức xạ phong nền viba của vụ trụ:............................ 79 4.1.3. Phương pháp nghiên cứu:........................................................................... 80 4.2. Vạch phổ cuả nguyên tử trung hòa Hydrogen trên bước sóng 21 centimet:..83 4.2.1. Lược sử:....................................................................................................... 83 4.2.2. Ý nghĩa nghiên cứu bức xạ Hyđro:............................................................ 83 4.2.3. Cơ chế phát xạ: ........................................................................................... 84 4.3. Bức xạ "synchrotron" phát ra từ các thiên hà............................................... 86 4.3.1. Lược sử nghiên cứu nguồn bức xạ synchrotron trong Thiên Hà : ........... 86 4.3.2. Mục đích nghiên cứu : ................................................................................ 86 4.3.3. Cơ chế bức xạ synchrontron phi nhiệt :..................................................... 87 4.3.4. Tần số của bức xạ synchrotron : ................................................................ 89 4.3.5. Cường độ bức xạ :....................................................................................... 89 4.4. Nghiên cứu những bức xạ Maser trong Vũ trụ............................................90 4.4.1. Lược sử nghiên cứu: ................................................................................... 90 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 4.4.2. Mục đích nghiên cứu: ................................................................................. 92 4.4.3. Cơ chế bức xạ maser: Quá trình đảo ngược mật độ phân tử.................... 92 4.4.4. Tần số bức xạ maser: .................................................................................. 94 4.4.5. Nguồn bức xạ maser: .................................................................................. 94 4.5. Săn tìm acid amin: ..................................................................................... 97 4.5.1. Lược sử nghiên cứu : .................................................................................. 97 4.5.2. Mục đích nghiên cứu : ................................................................................ 98 4.5.3. Kết quả nghiên cứu:.................................................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 104 5 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LỜI NÓI ĐẦU Các bạn đang cầm trên tay cuốn tiểu luận “Thiên văn vô tuyến” nhân dịp thực hành Phương pháp nghiên cứu khoa học của nhóm chúng tôi. Xin có đôi dòng bày tỏ những cảm xúc hãnh diện của chúng tôi về thành quả này! Đó là cả một quá trình nỗ lực đầy nhiệt huyết của nhóm thực hiện. Từ ý tưởng ban đầu, nghiên cứu về bức xạ điện từ trong thiên văn, nhóm đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu sau cùng là thiên văn vô tuyến. Ngành thiên văn vật lý thế giới đang trên đà phát triển với rất nhiều triển vọng. Trong đó, thiên văn vô tuyến có một giá trị và vai trò rất lớn đối với tống thể sự phát triển đó. Qua quá trình thực hiện đề tài, nhóm không những được rèn luyện phương pháp nghiên cứu khoa học với những kinh nghiệm đáng kể mà còn được mở rộng vốn kiến thức thiên văn vốn là khoa học lí thú và luôn mới lạ. Tiểu luận này cung cấp những kiến thức rất sơ đẳng và phổ quát từ nhiều nguồn tài liệu giúp người đọc hiểu biết tổng quan về bức xạ điện từ, bức xạ vũ trụ, ngành thiên văn vật lý, thiên văn vô thuyến, kính thiên văn vô tuyến với cách thức hoạt động và giới thiệu một số công trình nghiên cứu trong thiên văn vô tuyến như bức xạ nền vi sóng vũ trụ, bức xạ Maser, Synchrotron… Đặc biệt, tuy có phần hạn chế nhưng cũng là một ưu điểm của tiểu luận này là những thông tin phong phú được dịch thuật và chọn lọc từ những nguồn tài liệu tiếng Anh trên internet. Đây cũng chính là một kinh nghiệm đáng khích lệ trong quá trình làm việc của nhóm. Do hạn chế về hiểu biết cũng như trình độ ngoại ngữ nên trong khi thực hiện tiểu luận này không tránh khỏi sai sót, nhóm chúng tôi rất mong người đọc thông cảm và nhiệt tình đóng góp ý kiến để lần thực hiện sau nếu có thể dược tốt hơn. Chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện 6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Tiên đoán của Maxwell về sóng điện từ và chứng minh của Hertz về sự tồn tại thực của chúng đã dẫn đường cho nhiều nhà khoa học nghiên cứu về những thiên thể như mặt trời và các vì sao có khả năng phát ra sóng vô tuyến. Các nhà khoa học sau đây đã đặt cơ sở cho sự khám phá về sau của thiên văn vô tuyến. 1.1. James Clerk Maxwell (1831-1879) Trong những năm 1860 và 1870 James Clerk Maxwell đã phát triển lý thuyết về năng lượng điện và năng lượng từ, và ông đã tóm tắt trong 4 phương trình nổi tiếng của mình (hình 1.1). Những phương trình này tóm lược tất cả những khám phá về điện và từ trong những thí nghiệm đã được làm trước đó vài trăm năm bởi Faraday, Volta và nhiều người khác. 7 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 1.1. Phương trình Maxwell Họ chỉ ra rằng điện và từ là hai mặt của cùng một năng lượng. Những phương trình cũng dự báo rằng có một dạng bức xạ mà người ta gọi nó là bức xạ điện từ. Maxwell nhận ra rằng ánh sáng là một dạng của bức xạ điện từ. Những phương trình này dự báo rằng bức xạ điện từ có thể tồn tại ở bất kì bước sóng nào. Những màu sắc khác nhau của ánh sáng có bước sóng ngắn hơn một phần ngàn mm. 1.2. Heinrich Hertz (1857-1894) Năm 1888, Heinrich Hertz đã xây dựng một bộ máy có thể phát và nhận sóng điện từ ở khoảng cách chừng 5m (hình 1.2). Ông đã sử dụng một cuộn dây điện để phát ra một tia điện có điện áp cao giữa 2 điện cực đóng vai trò như một vật phát. Máy dò là một cuộn dây kim loại có một khe hở nhỏ. Một tia điện tại vật phát sản sinh ra những sóng điện từ đi tới máy dò, tạo ra một tia điện trong khe hở. Ông chỉ ra rằng những sóng này được làm cho dao động theo một hướng và chúng có thể cản trở lẫn nhau, giống như lý thuyết đã dự báo trước. 8 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 1.2. Bộ máy thu phát sóng điện từ của của Hertz năm 1888 Hertz đã thành công trong việc tự tạo ra và thực hiện thành công thí nghiệm với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau khi Maxwell qua đời. Hertz đã tạo ra, thu nhận được, và còn đo được bước sóng (gần 1m) của bức xạ, ngày nay được phân vào nhóm tần số vô tuyến. David Hughes, một nhà khoa học sinh quán London, người là giáo sư âm nhạc trong buổi đầu sự nghiệp của mình, có lẽ mới thực sự là nhà nghiên cứu đầu tiên thành công trong việc truyền sóng vô tuyến (năm 1879), nhưng sau khi thuyết phục Hội Hoàng gia không thành, ông quyết định không công bố nghiên cứu của mình, và cũng không ai biết đến mãi cho tới nhiều năm sau này. 1.3. Thomas Alva Edison (1847-1931) Một lần nữa Hertz đã chứng minh sự tồn tại của bức xạ điện từ, nhiều nhà khoa học đã nghĩ đến khả năng thu nhận những bức xạ này từ những thiên thể trên bầu trời. 9 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Edison dường như là người đầu tiên được ghi trong sổ sách đã đưa ra thí nghiệm để phát hiện ra sóng vô tuyến từ mặt trời. Bằng chứng của điều này là một lá thư đã được gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly, người làm việc trong phòng thí nghiệm của Edison (hình 1.3). Nó miêu tả cách làm một máy dò bởi một vài sợi dây cáp cuốn quanh một khối kim loại. Không có tài liệu nào cho thấy thí nghiệm này đã được công bố. Tuy nhiên, dù nhận thức muộn, bộ máy được đưa ra có thể là do vô tình và có thể chỉ nhận ra được những bước sóng rất dài. Tầng điện ly có thể ngăn chặn những sóng dài này chiếu tới bề mặt trái đất. (Sự dự báo về một lớp phản xạ ở phần trên của khí quyển, tầng điện ly, đã được đưa ra bởi Kennelly và Heaviside năm 1902). 10 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 1.3. Thư gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly (Letter reproduced from "The Evolution of Radio Astronomy", by J.S.Hey, Science History Publications, 1973. See also: C.D.Shane, Pub.Astron. Soc. Pacific 70,303, 1958) ...bày trí của Edison là ghép trên các cực bao quanh phần lõi quặng một cáp gồm 7 dây kim loại cách điện cẩn thận với các đầu cáp sẽ được nối với máy điện thoại hoặc các dụng cụ thí nghiệm khác. Sau đó có khả năng các tạp âm lớn trong khí quyển Mặt trời làm nhiễu loạn cả dòng năng lượng điện từ thông thường mà chúng ta nhận lẫn sự phân bố bình thường của lực từ trên hành tinh này… 11 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 1.4. Sir Oliver J. Lodge (1851-1940) Lodge đã tạo nên rất nhiều sự đổi mới trong buổi đầu của kỹ thuật bức xạ khi phát minh ra một máy dò bức xạ tốt hơn, giới thiệu cách sử dụng những bảng mạch đã được điều chỉnh và phát minh ra loa. Khoảng năm 1897- 1900, Lodge đã thử dò sóng bức xạ từ mặt trời. Hình 1.4. Đây là bài viết mô tả về thí nghiệm của Lodge. (Letter reproduced from "Classics in Radio Astronomy", by W.T.Sullivan, Reidel, 1982. Original in Lodge: "Signalling across space without wires", The Electrician Publ.Co., London, 1900) “ Vết của ánh sáng” – Lodge đề cập đến một dụng cụ đo điện có tính phản xạ. Thí nghiệm này nhạy với bức xạ của bước sóng khoảng centimer, cái mà có thể …Tôi đã cố gắng thu lấy bức xạ sóng dài từ Mặt trời, lọc những sóng thường được biết đến nhiều bởi một bảng đen hoặc bề mặt tối thích hợp khác. Tôi đã không thành công, vì cô-hê-rơ nhạy cảm ở gần phía ngoài kho chứa không được bảo vệ bởi các bức tường dày…quá nhiều nguồn nhiễu loạn trên mặt đất ở trong thành phố… 12 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC xuyên qua tầng điện ly. Khi đó bộ máy của ông hoàn toàn không đủ nhạy để nhận ra mặt trời. Trong bất cứ trường hợp nào, đã có quá nhiều nguồn bức xạ giao thoa trong Liverpool để thí nghiệm đi đến thành công. 1.5. Wilsing and Scheiner (1896) Johannes Wilsing (1856-1943) và Julius Scheiner (1858-1913) là những nhà thiên văn vật lý học, những người đầu tiên xuất sắc để tường thuật và công bố những nỗ lực của họ trong việc bắt bức xạ vô tuyến từ mặt trời (Ann.Phys.Chem.59,782, 1896, ở Đức). Hình 1.5. Mô hình của Wilsing and Scheiner năm 1896. Mô hình thí nghiệm của họ ở hình 1.5 là từ “ thiên văn học sóng vô tuyến cổ điển” của W.T. Sullivan, Reidel, 1982. Họ tiến hành thí nghiệm trong 8 ngày và không thể bắt được bất cứ tín hiệu nào phát ra từ mặt trời. Họ nghĩ rằng nguyên nhân có lẽ là do sóng vô tuyến bị hấp thụ trong khí quyển ( và họ đã sai). 13 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 1.6. Charles Nordman (1900) Charles Nordman, một sinh viên người Pháp, lý giải rằng nếu sóng vô tuyến bị hấp thụ bởi khí quyển, như Wilsing và Scheiner nghĩ, thì giải pháp là làm thí nghiệm ở độ cao lớn hơn. Ông đặt một ăngten bằng thanh kim loại dài trên một dòng sông băng ở Mont Blanc, độ cao khoảng 3100m (khoảng 10,000 ft). Hình 1.6. Thí nghiệm của Nordman (Thí nghiệm của Nordman đã được công bố trong Comptes Rendus Acad.Sci., vol.134, page 273, 1902. Tái bản tiếng Anh trong “Thiên văn học sóng vô tuyến cổ điển” của W.T. Sullivan, Reidel, 1982). Bây giờ chúng ta biết rằng nếu được tiến hành đúng cách thì ăngten có thể nhạy với sự xuất hiện sóng vô tuyến tần số thấp từ mặt trời và có khả năng bắt đựợc chúng. Những sự xuất hiện này thường xảy ra hầu hết ở những điểm cực viễn thuộc Hệ Mặt Trời, nhưng không may là mặt trời ở tại điểm cực cận vào năm 1900. Một lần nữa nỗ lực trong việc tìm kiếm sóng vô tuyến mặt trời không thành công, mọi 14 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC thí nghiệm chựng lại và phải chờ đến bước phát triển thuần lý thuyết của Planck và Heaviside. 1.7. Max Planck (1858-1947) Chuyện kể rằng, khi Max Planck là một sinh viên ở trường đại học Munich, người hướng dẫn của ông khuyên ông không nên đi sâu vào chuyên ngành Vật Lý vì tất cả các vấn đề của vật lý đã được giải quyết cả rồi. May mắn sao ông không nghe theo lời khuyên đó. Sau đó ông đã tìm ra được một vấn đề chưa được giải quyết, cụ thể là sự giải thích mang tính lý thuyết của “ vật thể đen”, còn gọi là những đường cong bức xạ nhiệt. Khi những vật thể có khối lượng rất lớn bị đốt nóng tới nhiệt độ cao thì chúng sẽ bức xạ năng lượng và đồ thị của cường độ bức xạ đối với bước sóng đi theo một đường cong như hình minh họa. Nhiệt độ càng cao, bước sóng tại đỉnh của đường cong càng ngắn. 15 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 1.7. Đồ thị cường độ bức xạ của vật thể bị đốt nóng Planck đã thành công trong việc lý giải nguồn gốc của đường cong bức xạ nhiệt từ một thuyết về sự hấp thụ và sự phát ra bức của vật chất. Lý thuyết cho rằng năng lượng phải được phát ra hoặc hấp thụ từng lượng nhỏ hay lượng tử năng lượng. Đây là một phát hiện mang tính quyết định trong vật lý và lý giải tất cả các hiện tượng điện- từ. Quang phổ của ánh sáng từ mặt trời rất giống với một đường cong bức xạ nhiệt. Nếu áp dụng lý thuyết của Planck để dự báo lượng bức xạ có thể nhận được từ Mặt trời trong vùng vô tuyến của quang phổ (bước sóng từ 10 đến 100cm), bức xạ có thể rất yếu, quá yếu để có thể được dò thấy bởi bất cứ máy dò nào có được ở năm 1900. 16 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 1.8. Oliver Heaviside (1850-1925) Heaviside và Kennelly, năm 1902, đã dự báo rằng đáng lẽ phải có một lớp ion hóa ở tầng trên của khí quyển nơi sẽ phản xạ sóng vô tuyến. Họ lưu ý rằng điều đó có thể hữu ích cho sự truyền đạt tín hiệu ở khoảng cách lớn, cho phép những tín hiệu vô tuyến truyền đi trong những phần không gian của trái đất bằng cách bật ra khỏi đáy của lớp không khí này. Sự tồn tại của lớp không khí, ngày nay được biết đến như là tầng điện ly, đã được chứng minh vào những năm 1920. Nếu sóng vô tuyến bật lên khỏi tầng điện ly thì khi đó nó cũng phải bật ra bên ngoài. Vì thế bất cứ sóng vô tuyến nào bên ngoài trái đất cũng không thể đi xuyên qua để đến mặt đất, chúng có lẽ bật trở lại vào không gian. Những dự báo của Heaviside kết hợp với thuyết bức xạ của Planck đã làm chán nản những cố gắng xa hơn trong việc dò sóng vô tuyến từ mặt trời và những vật thể khác trên bầu trời. Cho dù vì bất cứ lý do nào, đã không có thêm sự nỗ lực nào trong suốt 30 năm sau đó cho đến khi có một khám phá tình cờ của Jansky vào năm 1932. Sau đó người ta đã hiểu ra rằng sự phản xạ ở tầng điện ly phụ thuộc nhiều vào tần số (hay bước sóng). Nó phản xạ hầu hết bức xạ nhỏ hơn khoảng 20MHz. Nhưng tầng điện ly không phải là một rào cản đối với tần số trên 50 MHz. Thiên văn học sóng vô tuyến phải chờ sự phát triển của những máy dò sóng vô tuyến tần số cao. 17 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 1.9. Guglielmo Marconi (1874-1937) Marconi đã cải thiện thiết kế của máy phát và nhận sóng vô tuyến và phát triển những hệ thống trên thực tế đầu tiên cho việc truyền thông tin trên sóng vô tuyến ở khoảng cách lớn. Năm 1901, ông là người đầu tiên đã gửi và nhận những tín hiệu vượt đại dương, từ Newfoundland tới Cornwall. Kết quả của những cố gắng mang tính mở đường của ông, dịch vụ thương mại máy điện thoại radio trở nên sẵn có trong những năm sau đó. Trong thập niên 1930 công ty Bell Telephone đã không ngừng cải thiện dịch vụ điện thoại vượt Đại Tây Dương của mình khi họ đã ủy nhiệm cho Karl Jansky nghiên cứu những nguồn sóng vô tuyến tĩnh, dẫn đến những khám phá của ông về sóng vô tuyến từ dải ngân hà. 18 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 2: THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LÀ GÌ? 2.1. Sơ lược về Bức xạ điện từ: 2.1.1. Nguồn gốc: Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn thấy. Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do những sự kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử. Bức xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của một nguyên tử với nguyên tử khác. Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng (hình 2.1). Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện từ bên ngoài, kết quả là chúng nhảy lên mức năng lượng cao hơn vốn dĩ không bền. Hình 2.1. Mật độ xác xuất tìm thấy điện tử trong nguyên tử Hydrogen. 19 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hàm sóng của một điện tử của nguyên tử hydrogen có các mức năng lượng xác định (tăng dần từ trên xuống n = 1, 2, 3,...) và mô men xung lượng (tăng dần từ trái sang s, p, d,...). Vùng sáng tương ứng với vùng có mật độ xác suất tìm thấy điện tử cao, vùng tối tương ứng với vùng có mật độ xác suất thấp. Mô men xung lượng và năng lượng bị lượng tử hóa nên chỉ có các giá trị rời rạc như thấy trong hình 2.1. Cuối cùng, electron “bị kích thích” giải phóng năng lượng thừa bằng cách phát ra bức xạ điện từ có năng lượng thấp hơn, và đồng thời rơi trở lại mức năng lượng bền trước đó của nó. Năng lượng của bức xạ phát ra bằng với năng lượng ban đầu electron hấp thụ trừ đi lượng nhỏ năng lượng bị thất thoát qua một số quá trình thứ cấp. Các mức năng lượng bức xạ điện từ có thể thay đổi đáng kể phụ thuộc vào năng lượng của nguồn electron hoặc hạt nhân (hình 2.2).. Hình 2.2. Sự hấp thụ và phát bức xạ 2.1.2. Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ: Bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng khiến cho giới vật lí chia rẻ sâu sắc trong nhiều thế kỉ. 20 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Trong lịch sử khoa học, các nhà triết học Hy lạp cổ đại xem ánh sáng như các tia truyền thẳng. Vào thế kỷ thứ 17, nhiều nhà khoa học Châu Âu tin vào giả thuyết: ánh sáng là một dòng các hạt rất nhỏ (trường phái Isaac Newton), một số nhà khoa học khác lại tin rằng: ánh sáng là sóng, và nó được truyền đi trong môi trường chứa đầy ete (trường phái Christiaan Huygens). Sau khi lý thuyết sóng và lý thuyết hạt ra đời, lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell năm 1865 khẳng định lại lần nữa tính chất sóng của ánh sáng. Đặc biệt, lý thuyết này kết nối các hiện tượng quang học với các hiện tượng điện từ học, cho thấy ánh sáng chỉ là một trường hợp riêng của sóng điện từ. Các thí nghiệm sau này về sóng điện từ, như của Heinrich Rudolf Hertz năm 1887, đều khẳng định tính chính xác của lý thuyết Maxwell. Hình 2.3. Những nhà tiên phong trong ngành vật lí nghiên cứu ánh sáng khả kiến Ngày nay các nhà vật lý chấp nhận rằng ánh sáng vừa là hạt, vừa là sóng. Khi cần giải thích các hiện tượng như giao thoa hay nhiễu xạ, chúng ta coi ánh sáng là sóng, còn khi cần giải thích các hiện tượng quang điện hay tán xạ Compton, chúng ta lại coi ánh sáng như các hạt photon. Nói cách khác, ánh sáng hay bức xạ điện từ có lưỡng tính sóng-hạt. 21 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Bảng 2.1. Lý thuyết và thực nghiệm chọn lọc chứng tỏ bản chất sóng – hạt của ánh sáng: Bằng chứng chọn lọc Bản chất ánh sáng Lý thuyết Thực nghiệm Sóng Thuyết điện từ của Maxwell Giao thoa 2 khe Young & nhiễu xạ qua khe hẹp Hạt Thuyết lượng tử ánh sáng của Einstein Hiệu ứng quang điện & hiệu ứng Compton 2.1.2.1. Tính chất sóng: Hình 2.4. Biểu đồ giản lược theo lối cổ điển của sóng điện từ. Khi mô tả tính chất sóng người ta dùng các thuật ngữ bước sóng, băng tần. Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng gọi là Sóng điện từ có thể được hình dung như một tổ hợp các trường dao động điện E và một từ trường B vuông góc với nhau, dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học và chuyển động với vận tốc không đổi trong môi trường nhất định, truyền đi theo hướng vuông góc với hướng 22 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC dao động của cả vectơ điện trường (E) và từ trường (B), mang năng lượng từ nguồn bức xạ đến đích ở xa vô hạn. Biểu đồ hình 2.4 minh họa tính chất sin của các thành phần vectơ dao động điện và từ khi chúng truyền trong không gian. Dù là tín hiệu truyền radio phát đi từ một đài phát thanh, nhiệt phát ra từ một lò lửa, tia X của nha sĩ dùng để chụp hình răng, hay ánh sáng khả kiến và cực tím phát ra từ Mặt Trời, các dạng khác nhau này của bức xạ điện từ đều có những tính chất sóng cơ bản và đồng nhất. Mỗi loại bức xạ điện từ, đều dao động tuần hoàn, biểu lộ một biên độ, bước sóng, và tần số đặc trưng, cùng với việc định rõ hướng truyền, năng lượng và cường độ của bức xạ. Dưới những điều kiện bình thường, khi truyền trong môi trường đồng tính như không khí hoặc chân không, ánh sáng truyền theo đường thẳng cho đến khi nó tương tác với môi trường khác, nó đổi hướng qua sự khúc xạ hoặc phản xạ. Cường độ sáng cũng giảm do sự hấp thụ bởi môi trường. Nếu sóng ánh sáng truyền qua một khe hẹp hoặc lỗ nhỏ, thì chúng có thể bị nhiễu xạ hoặc tán xạ tạo nên hình ảnh nhiễu xạ đặc trưng. Cường độ (hay độ chói) của bức xạ điện từ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách mà chúng truyền đi. Như vậy, sau khi ánh sáng truyền đi hai lần một khoảng cách cho trước, thì cường độ của nó giảm đi bốn lần. Hình 2.5. Sự khúc xạ của sóng ánh sáng Khúc xạ của sóng, giải thích theo quan điểm của Huygens 23 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Theo nguyên lí Huygens, mỗi điểm trên sóng có thể tạo ra mặt sóng riêng của nó, và rồi hợp lại thành đầu sóng, từ đó giải thích hiện tượng khúc xạ của sóng. Một phần nhỏ của mỗi đầu sóng góc phải chạm đến môi trường thứ hai trước khi phần còn lại của đầu sóng tiến đến mặt phân giới. Phần này bắt đầu đi qua môi trường thứ hai trong khi phần còn lại vẫn còn truyền trong môi trường thứ nhất, nhưng chuyển động chậm hơn do chiết suất của môi trường thứ hai cao hơn. Do mặt sóng truyền ở hai tốc độ khác nhau, nên nó sẽ uốn cong vào môi trường thứ hai, do đó làm thay đổi hướng truyền. Hình 2.6. Thí nghiệm giao thoa hai khe Young Các tính chất đặc trưng khác của bức xạ điện từ cũng quan trọng khi xem xét cách thức sóng truyền trong không gian. Hình 2.7 biểu diễn các dạng sóng khác nhau tiêu biểu cho các trạng thái phổ biến thường được dùng để mô tả mức độ đồng đều của bức xạ điện từ (hình 2.7 miêu tả các bước sóng trong vùng phổ của ánh sáng khả kiến để minh họa) Hệ vân giao thoa 24 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 2.7. Các dạng sóng của ánh sáng Kính phân cực có cấu trúc phân tử đặc biệt chỉ cho phép ánh sáng có một định hướng nào đó truyền qua chúng, giống như một loại màn che Venice đặc biệt có các hàng thanh nhỏ xíu định theo một hướng bên trong chất phân cực (hình 2.8). Hình 2.8. Sóng ánh sáng đi qua các kính phân cực đặt vuông góc Nếu cho một chùm sáng tới đập vào kính phân cực thứ nhất, chỉ có những tia sáng định hướng song song với hướng phân cực mới có thể truyền qua kính. Nếu đặt một kính phân cực thứ hai phía sau kính thứ nhất và định hưởng giống như kính thứ nhất, thì ánh sáng truyền qua được kính thứ nhất cũng sẽ truyền qua được kính 25 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN thứ hai. Tuy nhiên, nếu quay kính phân cực thứ hai đi một góc nhỏ, thì lượng ánh sáng truyền qua nó sẽ giảm xuống. Khi quay kính phân cực thứ hai đến vị trí định hướng vuông góc kính thứ nhất, thì không có ánh sáng nào truyền qua kính thứ hai. Kết quả quan sát với ánh sáng phân cực dẫn đến khái niệm ánh sáng gồm các sóng ngang có các thành phần vuông góc với hướng truyền sóng. Mỗi thành phần ngang phải có một định hướng đặc biệt cho phép nó truyền qua hoặc là bị chặn lại bởi một loại kính phân cực. Chỉ những sóng có thành phần ngang song song với bộ lọc phân cực mới truyền qua được, còn những sóng khác đều bị chặn lại. Lý thuyết điện từ của James Clerk Maxwell Maxwell phát hiện ra tất cả các dạng bức xạ điện từ đều có phổ liên tục và truyền qua chân không với cùng tốc độ 186000 dặm một giây. Lý thuyết điện từ của ông khẳng định tính chất sóng của ánh sáng. Sự xuất hiện của sóng điện từ được giải thích như sau: Mọi điện tích khi gia tốc, hoặc mọi từ trường biến đổi, đều là nguồn sinh ra các sóng điện từ. Khi từ trường hay điện trường biến đổi tại một điểm trong không gian, theo hệ phương trình Maxwell, các từ trường hay điện trường ở các điểm xung quanh cũng bị biến đổi theo, và cứ như thế sự biến đổi này lan toả ra xung quanh với vận tốc ánh sáng. Biểu diễn toán học về từ trường và điện trường sinh ra từ một nguồn biến đổi chứa thêm các phần mô tả về dao động của nguồn, nhưng xảy ra sau một thời gian chậm hơn so với tại nguồn. Đó chính là mô tả toán học của bức xạ điện từ. Trong các phương trình Maxwell, bức xạ điện từ hoàn toàn có tính chất sóng, đặc trưng bởi vận tốc, bước sóng (hoặc tần số). 26 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Phương trình Maxwell: 4 phương trình Maxwell dùng để mô tả trường điện từ cũng như những tương tác của chúng đối với vật chất , đây cũng chính là nội dung của thuyết điện từ học Maxwell: Bảng 2.2. Hệ phương trình Maxwell dạng vi phân và tích phân: Các đại lượng D và B liên hệ với E và H bởi : 0 e 0(1 )        D E P E E (2.1.1) 0 m 0( ) (1 )       B H M H H (2.1.2) χe là hệ số cảm ứng điện của môi trường, χm là hệ số cảm ứng từ của môi trường, ε là hằng số điện môi của môi trường, và µ là hằng số từ môi của môi trường. Tên phương trình Dạng vi phân Dạng tích phân Định luật Gauss (điện tích tạo ra điện trường): ·  D S V ·d dV  D A Đinh luật Gauss cho từ trường (sự không tồn tại của từ tích): · 0 B S ·d 0 B A Định luật cảm ứng Faraday (từ trường tạo ra điện trường): t      BE C S d·d ·d dt   E l B A Định luật Ampere (với sự bổ sung của Maxwell, dòng điện tạo ra từ trường): t      DH J C S S d·d ·d ·d dt    H l J A D A 27 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Bảng 2.3.1. Các đại lượng trong hệ đo lường SI : Kí hiệu Ý nghĩa Đơn vị SI E Cường độ điện trường V/m H Cường độ từ trường A/m D Độ điện thẩm C/m2 B Vectơ cảm ứng từ T/m 2, Wb/m2  Mật độ điện tích C/m3 J Mật độ dòng điện A/m2 dA Vectơ vi phân diện tích A, hướng vuông góc với mặt S m2 dV Vi phân của thể tích V được bao bọc bởi diện tích S m3 dl Vectơ vi phân của đường cong, tiếp tuyến với đường kính C bao quanh diện tích S m (div) · Toán Tử tính suất tiêu tán: yx z aa a· x y y            a m-1 (rot)  Toán tử tính độ xoáy cuộn của trường vectơ. m-1 Có thể chứng minh dao động điện từ lan truyền trong không gian dưới dạng sóng bằng các phương trình Maxwell. Xét trường điện từ biến đổi trong chân không (không tồn tại dòng điện hay điện tích tự do trong không gian đang xét), 4 phương trình Maxwell rút gọn thành: · 0 E (2.2.1) t      E B (2.2.2) 28 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC · 0 B (2.2.3) 0 0 t       B E (2.2.4) Nghiệm tầm thường của hệ phương trình trên là:  E B 0 Giải tích véc tơ để tìm nghiệm không tầm thường:     2·     A A A Lấy rot hai vế của phương trình (2.2.2):   t        BE (2.3) Đơn giản hóa vế trái (tận dụng (2.2.1) trong quá trình đơn giản hóa):     2 2·       E E E E (2.4) Đơn giản hóa vế phải (tận dụng (2.2.4) trong quá trình đơn giản hóa):   2 0 0 2t t t                B B E (2.5) Cân bằng 2 vế (2.4) và (2.5) thu được phương trình vi phân cho điện trường: 2 2 0 0 2t       E E (2.6) Tương tự, phương trình vi phân với từ trường: 2 2 0 0 2t       B B (2.7) 29 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Phương trình sóng dạng tổng quát từ (2.6) và (2.7): 2 2 2 2 0 1 ff c t     (2.8) Hàm f miêu tả cường độ dao động của sóng theo thời gian và vị trí trong không gian. Trong trường hợp của các phương trình sóng liên quan đến điện trường và từ trường nêu trên, ta thấy nghiệm của phương trình thể hiện điện trường và từ trường sẽ biến đổi trong không gian và thời gian như những sóng, với tốc độ ánh sáng trong chân không: 0 0 0 1c   ò (2.9) Bảng 2.3.2. Các đại lượng trong hệ đo lường SI: Kí hiệu Tên Giá trị Đơn vị trong hệ SI c Vận tốc ánh sáng 82.998 10 m/s 0 Độ điện thẩm chân không 128.854 10 F/s 0 Độ từ thẩm chân không 74 10 H/m Nghiệm của phương trình sóng cho điện trường là:  0 0f c t  E E k x (2.10) Với E0 là một hằng số véc tơ đóng vai trò như biên độ của dao động điện trường, f là hàm khả vi bậc hai bất kỳ, k là véc tơ đơn vị theo phương lan truyền của sóng, và x là tọa độ của điểm đang xét. Để thỏa mãn tất cả các phương trình Maxwell, cần có thêm ràng buộc: 30 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC   0 0f c t 0      E k E k x (2.11.1)  0 E k (2.11.2)   0 0f c t 0      E k E k x (2.11.3)  0 1 c  B k E (2.11.4) Một trường hợp đặc biệt của sóng điện từ lan truyền theo phương z, gọi là sóng phẳng điều hòa với thành phần điện trường chỉ dao động theo phương y, E = (0, Aysin[k(z-c0t)], 0), còn từ trường chỉ dao động điều hòa theo phương x, B = (0, Axsin[k(z-c0t)], 0) = (0, [Ay/c]sin[k(z-c0t)], 0). Hình 2.9. Sóng điện từ phẳng (2.11.2) suy ra điện trường phải luôn vuông góc với hướng lan truyền của sóng và (2.11.4) cho thấy từ trường thì vuông góc với cả điện trường và hướng lan truyền; đồng thời E0 = c0 B0. Nghiệm này của phương trình Maxwell chính là sóng điện từ phẳng. 31 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Năng lượng và xung lượng: Mật độ năng lượng của trường điện từ nói chung: u = (E.D + B.H)/2 Trong chân không: u = (ε0|E|2 + µ0|H|2)/2 Với sóng điện từ phẳng tuân thủ phương trình (2.11.4) nêu trên, ta thấy năng lượng điện đúng bằng năng lượng từ, và: u = ε0|E|2 = µ0|H|2 2.1.2.2. Tính chất hạt: Tính chất hạt được mô tả dưới dạng những đơn vị năng lượng mang tên photon. Năng lượng của bức xạ điện từ không liên tục, chúng hấp thụ hay phát xạ một cách gián đoạn, từng lượng nhỏ nguyên vẹn gọi là lượng tử năng lượng hay photon (những thực thể có năng lượng và xung lượng nhưng không có khối lượng). hcE h     Trong đó: E là năng lượng của photon (kJ/mol) h là hằng số Planck có giá trị 34 27h = 6,6260693.10 J.s 6,6260693.10 ec.s   7 8 121 ec 10 J 2,3884.10 cal 0,6241.10 eV    32 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Vì phân tử hấp thụ từng lượng tử năng lượng nên biến thiên năng lượng cũng được tính tương tự: hcE h      Như vậy, năng lượng của bức xạ điện từ tỉ lệ trực tiếp với tần số ν của nó và tỉ lệ nghịch với bước sóng λ , khi tần số tăng (với sự giảm bước sóng tương ứng), thì năng lượng bức xạ điện từ tăng, và ngược lại. Xung lượng của photon: hp   Tương tác của bức xạ điện từ với một chất có thể được biểu hiện một cách đại cương ở hai quá trình: - Quá trình hấp thụ, trong trường hợp bức xạ điện từ tới từ nguồn bị chất nghiên cứu hấp thụ và cường độ bức xạ giảm đi. Quá trình hấp thụ thường xảy ra khi phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái năng lượng điện tử thấp nhất (trạng thái cơ bản) nên có khả năng hấp thụ năng lượng của bức xạ điện từ - Quá trình phát xạ, trong trường hợp chất nghiên cứu cũng phát ra bức xạ điện từ và vì vậy sẽ làm tăng cường độ bức xạ phát ra từ nguồn. Có nghĩa những phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái kích thích và khi những phân tử này trở lại trạng thái cơ bản sẽ làm phát ra bức xạ điện từ khiến cho cường độ bức xạ điện từ tăng lên trong quá trình phát xạ. Ta có thể coi những tác dụng sau đây là những biểu hiện của tính chất hạt: khả năng đâm xuyên (hình 2.10), tác dụng quang điện (hình 2.11), tác dụng iôn hoá (hình 2.12), tác dụng phát quang (hình 2.13). 33 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 2.10. Ảnh chụp những bông hoa bằng tia X Hình 2.11. Hiệu ứng quang điện Thiên Hồng 34 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 2.12. Tác dụng ion hóa của các photon trong y học Những bức xạ ion hóa thường gặp trong y tế là photon (tia X hay tia gamma) và electron, có năng lượng từ hàng chục keV (trong X quang chẩn đoán) đến hàng chục MeV (trong xạ trị). Với năng lượng này, chúng có thể gây rất nhiều cặp ion hóa trên đường đi của mình Hình 2.13. Kim cương phát quang màu xanh lơ dưới tia cực tím sóng dài. 35 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Thuyết lượng tử Công trình của de Broglie, liên hệ tần số của một sóng với năng lượng và khối lượng của một hạt: 2 E mc hν  , trong đó E là năng lượng của hạt, m là khối lượng, c là vận tốc ánh sáng, h là hằng số Planck và ν là tần số. Công trình này mang tính cơ sở để giải thích bản chất vừa giống sóng vừa giống hạt của ánh sáng. Cơ học lượng tử ra đời từ nghiên cứu của Einstein, Planck, de Broglie, Niels Bohr, Erwin Schrodinger, và những người nỗ lực giải thích bức xạ điện từ bằng thuật ngữ lưỡng tính sóng hạt. Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ được tổng kết bằng nguyên lí bổ sung của Bohr: Các phương diện sóng và hạt của một thực thể lượng tử, cả hai đều cần thiết để mô tả đầy đủ. Tuy nhiên, cả hai phương diện đó không bộc lộ đồng thời trong một thí nghiệm đơn nhất. Khía cạnh nào được bộc lộ là do bản chất của thí nghiệm quyết định. Thí nghiệm về các vân giao thoa hai khe cho thấy bản chất sóng của chùm tia tới, mọi tác động nhằm chứng minh bản chất hạt hơn lại làm các vân giao thoa biến mất và ngược lại khi tác động nhằm chứng minh bản chứng minh bản chất sóng hơn thì các dấu hiệu về bản chất hạt lại biến mất. Hình 2.14. Minh họa nguyên lý bổ sung của Bohr về bản chất sóng hạt của ánh sáng 36 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Bức xạ điện từ có bước sóng càng ngắn thì có năng lượng phôtôn càng lớn. Thực nghiệm cho thấy khi đó tính chất hạt của chúng thể hiện đậm nét, tính chất sóng ít thể hiện. Ngược lại, những sóng điện từ có bước sóng càng dài thì có năng lượng phôtôn càng nhỏ, tính chất hạt khó thể hiện, tính chất sóng bộc lộ rõ nét. 2.1.3. Phổ điện từ & Các đặc trưng cơ bản: 2.1.3.1. Phổ điện từ: (Electromagnetic Spectrum) Phân bố bức xạ điện từ theo tần số hoặc theo bước sóng (trong chân không), trong đó toàn bộ các dải sóng (dải tần số) của bức xạ được chia thành các vùng phổ khác nhau, được gọi là phổ điện từ. Bức xạ điện từ bao gồm một dải bước sóng biến đổi trong khoảng rộng: cỡ m (sóng radio) tới cỡ Angstron (tia X). Thang bước sóng hay tần số trong phổ điện từ được chia sao cho mỗi vạch trên thang biểu diễn một sự thay đổi bước sóng (tần số) 10 lần. Phổ điện từ được mở ở hai đầu, bước sóng của bức xạ điện từ không có giới hạn trên và giới hạn dưới. Trong mỗi vùng phổ này với khoa học công nghệ phát triển phát triển người ta tách được những bước sóng chỉ sai khác nhau cỡ 1-0,1nm nhờ các công cụ đặc biệt như cách tử, lăng kính... và gọi là bức xạ đơn sắc. Theo thuyết hạt, bức xạ đơn sắc chỉ bao gồm 1 loại photon có năng lượng như nhau; còn bức xạ đa sắc bao gồm các loại photon có năng lượng khác nhau... 37 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 2.15. Phổ điện từ Bản chất của mối liên hệ giữa tần số (số dao động trong một đơn vị thời gian) và bước sóng (chiều dài của mỗi dao động) của ánh sáng trở nên rõ ràng khi nghiên cứu phạm vi rộng phổ bức xạ điện từ. Các bức xạ điện từ tần số rất cao, như tia gamma, tia X, và ánh sáng tử ngoại, có bước sóng rất ngắn và lượng năng lượng khổng lồ. Mặt khác, các bức xạ tần số thấp, như ánh sáng khả kiến, hồng ngoại, sóng vi ba và sóng vô tuyến có bước sóng tương ứng dài hơn và năng lượng thấp 38 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC hơn. Mặc dù phổ điện từ thường được mô tả trải ra trên 24 bậc độ lớn tần số và bước sóng, nhưng thực sự không có giới hạn trên hay giới hạn dưới nào đối với bước sóng và tần số của sự phân bố liên tục này của bức xạ. 2.1.3.2. Bước sóng: ( ) Một số đo chuẩn của mọi bức xạ điện từ là độ lớn của bước sóng 0 (trong chân không). Trong môi trường nhất định, bước sóng  của bức xạ điện từ là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng kề nhau (đỉnh sóng là những điểm tại đó biên độ sóng đạt cực đại), hoặc tổng quát là giữa hai cấu trúc lặp lại của sóng, tại một thời điểm nhất định. Để biểu thị độ dài sóng ở vùng radio người ta hay dùng thứ nguyên là m hoặc cm; ở vùng hồng ngoại dùng micromet ( m ); ở vùng tử ngoại, khả kiến dùng nanomet (nm); ở vùng Rongen dùng Angstron(Å)… Sự liên hệ các đơn vị đó như sau: 8 7 41cm 10 Å 10 nm 10 m      Gọi 0 là bước sóng của bức xạ điện từ trong chân không, T là chu kì, v là vận tốc truyền sóng điện từ trong môi trường (chiết suất n), ta có: vT  cv n  (c 2,9970.10E10 cm / s : vận tốc bức xạ điện từ trong chân không) 0cT n n      (2.12) 39 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Vậy 0 n    , bước sóng của bức xạ điện từ phụ thuộc môi trường và có trị số lớn nhất trong chân không. 2.1.3.3. Tần số: ( ) Tần số là số lần cùng một hiện tượng lặp lại trên một đơn vị thời gian (giây). Tần số tương ứng của một sóng phát ra, là số chu kì sin (số dao động, hay số bước sóng) hay số lần đếm được đỉnh sóng đi qua một khoảng không gian nhất định trong một đơn vị thời gian, tỉ lệ nghịch với bước sóng. Trong 1 giây bức xạ bước sóng  cm đi được  cv cm n  trong môi trường: 0 1 0 c c cv n n c(cm / s)(s ) const (cm)                (2.13) Như vậy đơn vị đo tần số cv   là nghịch đảo đơn vị đo thời gian. Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị này là Hz đặt tên theo nhà vật lý Đức, Heinrich Rudolf Hertz. 1 Hz cho biết tần số lặp lại của sự việc đúng bằng 1 lần trong mỗi giây: 1Hz=1/s Từ (2.12) và (2.13), ta có thể kết luận bước sóng ánh sáng tỉ lệ nghịch với tần số của nó. Một sự gia tăng tần số tạo ra sự giảm tương ứng bước sóng ánh sáng, với một độ tăng tương ứng dưới dạng năng lượng của các photon có trong ánh sáng. Khi đi vào một môi trường mới (như từ không khí đi vào thủy tinh hoặc nước), tốc độ và bước sóng ánh sáng giảm xuống, mặc dù tần số vẫn không thay đổi. 40 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.1.3.4. Số sóng: Số sóng là số nghịch đảo của bước sóng, tỷ lệ thuận với tần số và được dùng để có những số đo nhỏ hơn số đo tần số. Thứ nguyên của số sóng là 1cm  theo danh pháp IUPAC được gọi là kaizer, viết tắt là K:  11000cm 1000K 1kK kilokaizer   . 2.1.4. Các loại bức xạ điện từ: Hình 2.16. Các loại bức xạ điện từ 2.1.4.1. Sóng vô tuyến: Phần tần số vô tuyến có xu hướng mở rộng của phổ điện từ gồm các bước sóng từ khoảng 30cm đến hàng nghìn kilomét. Bức xạ trong vùng này chứa rất ít năng lượng, và giới hạn trên về tần số (khoảng 1GHz) xảy ra tại cuối dải tần, nơi phát chương trình vô tuyến và truyền hình bị hạn chế. Tại những tần số thấp như vậy, photon (hạt) đặc trưng của bức xạ không biểu kiến, và sóng có vẻ truyền năng lượng theo kiểu êm ả, liên tục. Không có giới hạn trên về mặt lí thuyết cho bước 41 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN sóng của bức xạ tần số vô tuyến. Ví dụ, dòng điện biến thiên tần số thấp (60Hz) mang bởi dây dẫn có bước sóng khoảng 5 triệu mét (hay tương đương 3000 dặm). Sóng vô tuyến đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, truyền thông, y khoa, và chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI):  Sóng vô tuyến dùng trong truyền thông được điều biến theo một trong hai kiểu kĩ thuật phát: điều biến biên độ (AM) làm thay đổi biên độ sóng, và điều biến tần số (FM) làm thay đổi tần số sóng. Hình 2.17. Điều biến tần số sóng vô tuyến  Phần âm thanh và hình ảnh động của truyền hình truyền đi qua bầu khí quyển bằng các sóng vô tuyến ngắn có bước sóng dưới 1m, được điều biến giống hệt như phát thanh FM. Sóng vô tuyến cũng được tạo ra bởi các ngôi sao trong những thiên hà xa xôi, và các nhà thiên văn có thể dò ra chúng bằng những chiếc kính thiên văn vô tuyến chuyên dụng. Những sóng dài, bước sóng vài triệu dặm, được phát hiện đang phát về phía Trái Đất từ không gian sâu thẳm. Do tín hiệu quá yếu, nên các kính thiên văn vô tuyến thường được sắp thành dãy song song gồm nhiều ănten thu khổng lồ. 42 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.1.4.2. Sóng vi ba: Phổ bước sóng vi ba trải từ xấp xỉ 1mm đến 30cm. Sóng vi ba được tạo thành từ các sóng vô tuyến tần số cao nhất, được phát ra bởi Trái Đất, các tòa nhà, xe cộ, máy bay và những đối tượng kích thước lớn khác. Ngoài ra, bức xạ vi ba mức thấp tràn ngập không gian, nó được xem là giải phỏng bởi Big Bang khi khai sinh ra vũ trụ. Hiện nay, vi sóng là cơ sở cho một công nghệ phổ biến dùng trong hàng triệu hộ gia đình để đun nấu thức ăn. Sự hấp dẫn của việc sử dụng vi sóng đun nấu thức ăn là do trường hợp ngẫu nhiên mà các phân tử nước có mặt trong đa số loại thực phẩm có tần số cộng hưởng quay nằm trong vùng vi sóng. Ở tần số 2,45 GHz (bước sóng 12,2cm), các phân tử nước hấp thụ hiệu quả năng lượng vi sóng và rồi bức xạ phung phí dưới dạng nhiệt (hồng ngoại). Nếu sử dụng bình làm từ vật liệu không chứa nước để đựng thức ăn trong lò vi sóng, thì chúng vẫn có xu hướng vẫn mát lạnh, đó là một tiện lợi đáng kể của việc nấu nướng bằng vi sóng. Các sóng vi ba tần số cao là cơ sở cho kĩ thuật radar, viết tắt của cụm từ RAdio Detecting And Ranging (Dò và tầm vô tuyến), kĩ thuật phát và thu nhận dùng theo dõi những đối tượng kích thước lớn và tính toán vận tốc và khoảng cách của chúng. Các nhà thiên văn sử dụng bức xạ vi ba ngoài Trái Đất để nghiên cứu Dải Ngân hà và những thiên hà lân cận khác. Một lượng đáng kể thông tin thiên văn có nguồn gốc từ việc nghiên cứu một bước sóng phát xạ đặc biệt (21cm, hoặc 1420 MHz) của các nguyên tử hydrogen không tích điện, chúng phân bố rộng khắp trong không gian. Sóng vi ba cũng được dùng trong truyền phát thông tin từ Trái Đất lên vệ tinh nhân tạo trong các mạng viễn thông rộng lớn, chuyển tiếp thông tin từ các trạm phát mặt đất đi những khoảng cách xa, và lập bản đồ địa hình. Thật ngạc nhiên, một số thí nghiệm điện từ đầu tiên sắp đặt bởi Heinrich Hertz, Jagadis Chandra Bosevà 43 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Guglielmo Marconi (cha đẻ của kĩ thuật vô tuyến hiện đại) được thực hiện bằng bức xạ nằm trong hoặc gần vùng vi sóng. Những ứng dụng quân sự ban đầu sử dụng một băng thông hẹp và tăng cường điều biến băng thông bằng các vi sóng có khả năng hội tụ, chúng khó bị ngăn chặn và chứa một lượng thông tin tương đối lớn. Có một số tranh cãi trong cộng đồng khoa học về khả năng gây hại cho sức khỏe, như gây ung thư, phá hủy mô, liên quan tới bức xạ vi sóng liên tục và lũy tích lâu ngày phát ra từ các tháp điện thoại, rò rĩ lò vi sóng, và hành động đặt điện thoại di động ở vị trí gần não trong lúc sử dụng. 2.1.4.3. Bức xạ hồng ngoại: Thường được viết tắt là IR (Infrared Radiation), dải bước sóng hồng ngoại trải rộng từ phần ngoài vùng đỏ của phổ ánh sáng khả kiến (khoảng 700 – 780nm) đến bước sóng khoảng 1mm. Với năng lượng photon từ xấp xỉ 1,2 milielectron-volt (meV) đến dưới 1,7 eV một chút. Sóng hồng ngoại có tần số tương ứng từ 300 gigahertz (GHz) đến xấp xỉ 400 terahertz (THz). Loại bức xạ này liên quan đến vùng nhiệt, nơi ánh sáng khả kiến không nhất thiết phải có mặt. Ví dụ, cơ thể người không phát ra ánh sáng khả kiến, mà phát ra các bức xạ hồng ngoại yếu, có thể được cảm nhận và ghi lại dưới dạng nhiệt. Phổ phát xạ bắt đầu tại khoảng 3000 nanomét và trải ra ngoài vùng hồng ngoại xa, đạt cực đại tại xấp xỉ 10.000 nanomét. Phân tử của tất cả các đối tượng tồn tại trên không độ tuyệt đối (- 273 độ Celsius) đều phát ra tia hồng ngoại, và lượng phát xạ nói chung là tăng theo nhiệt độ. Khoảng chừng phân nửa năng lượng điện từ của Mặt Trời được phát ra trong vùng hồng ngoại, và các thiết bị trong nhà như bếp lò và bóng đèn cũng phát ra lượng lớn tia hồng ngoại. Bóng đèn dây tóc volfram nóng sáng là thiết bị phát sáng không hiệu quả lắm, thực ra chúng phát nhiều sóng hồng ngoại hơn sóng khả kiến. 44 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Dụng cụ phổ biến dựa trên việc dò bức xạ hồng ngoại là các kính nhìn đêm, các máy dò điện tử, các bộ cảm biến trên vệ tinh và trên máy bay, và những thiết bị thiên văn. Cái gọi là tên lửa tầm nhiệt do quân đội sử dụng được dẫn đường bằng máy dò hồng ngoại. Trong vũ trụ, các bước sóng bức xạ hồng ngoại lập nên bản đồ đám bụi thiên thể giữa các sao, như được chứng minh bằng mảng tối lớn nhìn thấy từ Trái Đất khi quan sát Dải Ngân hà. Trong gia đình, bức xạ hồng ngoại giữ vai trò quen thuộc khi sẩy khô quần áo, cũng như cho phép điều khiển từ xa hoạt động của những cánh cửa đóng mở tự động và những đồ giải trí trong nhà. Việc chụp ảnh hồng ngoại khai thác trong vùng phổ hồng ngoại gần, ghi hình trên những tấm phim đặc biệt, có ích trong ngành pháp lí, cảm biến từ xa (khảo sát rừng chẳng hạn), phục hồi tranh vẽ, chụp ảnh qua vệ tinh, và các ứng dụng theo dõi quân sự. Thật kì lạ, hình chụp hồng ngoại của kính mát và những bề mặt quang học khác có phủ chất lọc ánh sáng tử ngoại và khả kiến hiện ra trong suốt, và để lộ đôi mắt phía sau thấu kính có vẻ mờ đục. Phim chụp ảnh hồng ngoại không ghi lại sự phân bố bức xạ nhiệt do nó không đủ nhạy với những bức xạ có bước sóng dài (hồng ngoại xa). Hình 2.18. Một vài hình chụp qua vệ tinh cảm biến hồng ngoại của hai thành phố ở Mĩ và ngọn núi Vesuvius ở Italia. 45 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 2.1.4.4. Ánh sáng khả kiến: Các màu cầu vồng liên quan đến phổ ánh sáng khả kiến chỉ đại diện cho khoảng 2,5% của toàn bộ phổ điện từ, và gồm các photon có năng lượng từ xấp xỉ 1,6 đến 3,2 eV. Vùng nhìn thấy của phổ điện từ nằm trong một dải tần số hẹp, từ xấp xỉ 384 đến 769 terahertz (THz) và được nhận biết dưới dạng màu từ màu đỏ đậm (bước sóng 780nm) đến màu tím đậm (400nm). Màu đỏ năng lượng thấp, bước sóng dài (622 – 780nm) theo sau trong chuỗi màu là màu cam (597 – 622nm), vàng (577 – 597nm), lục (492 – 577nm), lam (455 – 492nm), và cuối cùng là màu tím năng lượng tương đối cao, bước sóng ngắn (từ 455nm trở xuống). Một cách giúp ghi nhớ thứ tự (theo chiều tăng tần số) của các màu trong phổ ánh sáng khả kiến là ghi nhớ câu “đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím” [ở những nước sử dụng tiếng Anh, họ dùng các từ viết tắt ROY G BIV (Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo, Violet)], như người ta đã dạy cho hàng triệu học sinh trong các nhà trường trong một thế kỉ qua (mặc dù một số nhà khoa học không còn coi màu chàm là một màu cơ bản nữa). Hình 2.19. Sự tán sắc của ánh sáng trắng Màu sắc tự nó không phải là tính chất của ánh sáng, mà nhận thức về màu sắc xảy ra qua phản ứng kết hợp của hệ cảm giác dây thần kinh não – mắt người. Việc phân chia phổ ánh sáng khả kiến thành các vùng màu dựa trên tính chất vật lí là dễ 46 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC hiểu, nhưng cách mà màu sắc được cảm nhận thì không rõ ràng được như vậy. Nhận thức về màu sắc là kết quả của sự phản ứng mang tính chủ quan của hệ cảm giác của con người với những vùng tần số phong phú của phổ khả kiến, và những kết hợp đa dạng của các tần số ánh sáng có thể tạo ra cùng một phản ứng thị giác “nhìn thấy” một màu cụ thể nào đó. Ví dụ, con người có thể cảm nhận được màu lục, khi phản ứng với sự kết hợp của ánh sáng có vài màu sắc khác nhau, nhưng trong đó không nhất thiết phải có chứa bước sóng “lục”. Ánh sáng khả kiến là cơ sở cho mọi sự sống trên Trái Đất, và nó được bắt bởi những nhà máy nguyên thủy hay các sinh vật tự dưỡng, như cây xanh chẳng hạn. Những thành viên cơ sở này của chuỗi thức ăn sinh vật khai thác ánh sáng Mặt Trời như một nguồn năng lượng dùng cho việc sản xuất thức ăn riêng và những viên gạch cấu trúc sinh hóa của chúng. Đáp lại, các sinh vật tự dưỡng giải phóng sản phẩm là khí oxi, chất khí cần cho mọi động vật. Vào năm 1672, ngài Isaac Newton đã nghiên cứu tương tác của ánh sáng khả kiến với lăng kính thủy tinh và lần đầu tiên nhận thấy ánh sáng trắng thật ra là hỗn hợp của các ánh sáng khác nhau đại diện cho toàn bộ phổ ánh sáng khả kiến. Ánh sáng được phát ra từ các nguồn nóng sáng tự nhiên và nhân tạo phong phú như Mặt Trời, các phản ứng hóa học (như lửa), và các dây tóc volfram nóng sáng. Phổ phát xạ rộng của các nguồn thuộc loại này thường được gọi là bức xạ nhiệt. Các nguồn phát ánh sáng khả kiến khác, như ống phóng điện khí, có khả năng phát ra ánh sáng trong ngưỡng tần số hẹp, hoàn toàn xác định (tương ứng với một màu) phụ thuộc vào sự chuyển mức năng lượng đặc biệt trong các nguyên tử chất nguồn. Sự cảm nhận mạnh mẽ về một màu nào đó cũng là do sự hấp thụ, phản xạ hoặc sự truyền đặc trưng của chất và vật được rọi sáng bằng ánh sáng trắng. Phổ hấp thụ ánh sáng khả kiến – tử ngoại của một loại thuốc nhuộm tổng hợp phổ biến, Iris Blue B, được minh họa trong hình bên dưới. Dung dịch phân tử hữu cơ có màu sắc rực rỡ này hấp thụ ánh sáng trong cả vùng phổ khả kiến và tử ngoại, và xuất hiện trước đa số mọi người dưới màu xanh vừa phải. 47 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 2.20. Phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến 2.1.4.5. Ánh sáng tử ngoại: Thường được viết tắt (uv - ultraviolet), bức xạ tử ngoại truyền đi ở tần số chỉ trên tần số của ánh sáng tím trong phổ ánh sáng khả kiến. Mặc dù đầu năng lượng thấp của vùng phổ này liền kề với ánh sáng khả kiến, nhưng các tia tử ngoại ở đầu tần số cao trong ngưỡng tần số của chúng có đủ năng lượng để giết chết tế bào, và tạo ra sự phá hủy mô nghiêm trọng. Năng lượng photon trong tia tử ngoại đủ để làm ion hóa các nguyên tử từ một số phân tử khí trong khí quyển, và đây là quá trình mà tầng điện li được tạo ra và duy trì liên tục. Mặc dù một liều nhỏ ánh sáng có năng lượng tương đối cao này có thể xúc tiến việc tổng hợp vitamin D trong cơ thể, và ít làm sạm da, nhưng quá nhiều bức xạ tử ngoại có thể dẫn tới sự cháy sạm da nghiêm trọng, làm hỏng võng mạc vĩnh viễn, và gây ra ung thư da. 48 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mặt Trời là một nguồn phát bức xạ tử ngoại không đổi, nhưng bầu khí quyển của Trái Đất (chủ yếu là các phân tử ozon) đã ngăn chặn có hiệu quả phần lớn các bước sóng ngắn của dòng bức xạ có khả năng gây chết chóc này, do đó tạo được môi trường sống thích hợp cho cây cối và động vật. Một số côn trùng (nhất là ong mật) và chim chóc có thị giác đủ nhạy trong vùng tử ngoại để phản ứng lại những bước sóng dài, và có thể dựa vào khả năng này để điều hướng. Con người bị giới hạn thị giác với bức xạ tử ngoại, do giác mạc hấp thụ các bước sóng ngắn, và thủy tinh thể của mắt hấp thụ mạnh các bước sóng dài hơn 300 nanomét. Ánh sáng tử ngoại được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khoa học để khảo sát tính chất của những hệ hóa học và sinh học phong phú, và nó cũng quan trọng trong các quan trắc thiên văn về hệ Mặt Trời, thiên hà, và các phần khác của vũ trụ. Các vì sao và những thiên thể nóng khác là những nguồn phát mạnh ra bức xạ tử ngoại. Phổ bước sóng tử ngoại trải từ khoảng 10 đến xấp xỉ 400 nanomét, có năng lượng photon từ 3,2 đến 100 eV. Loại bức xạ này có ứng dụng trong việc xử lí nước và thực phẩm, là tác nhân diệt khuẩn, là xúc tác quang học giữ các hợp chất, và được dùng trong điều trị y khoa. Hoạt động sát trùng của ánh sáng tử ngoại xảy ra ở những bước sóng dưới 290 nanomét. Việc ngăn chặn và lọc các hợp chất dùng trong các mỹ phẩm dành cho da, kính mát, và cửa sổ đổi màu, là điều khiển sự phơi sáng trước ánh sáng tử ngoại từ Mặt Trời. 2.1.4.6. Tia X: Bức xạ điện từ có tần số cao hơn vùng tử ngoại (nhưng thấp hơn tia gamma) được phân loại là tia X. Phổ tần số của tia X kéo dài ra một vùng rất rộng, với bước sóng ngắn nhất đạt tới đường kính của nguyên tử. Tuy nhiên, toàn bộ vùng phổ tia X nằm trên thang độ dài giữa gần 10 nanomét và 10 picomét. 49 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Vùng bước sóng tia X đã khiến cho bức xạ tia X là công cụ quan trọng đối với các nhà địa chất và hóa học trong việc mô tả tính chất của các chất kết tinh, chúng có đặc điểm cấu trúc tuần hoàn trên cỡ độ dài tương đương với bước sóng tia X. Tính đâm xuyên cao qua nhiều vật liệu, như các mô mềm của động vật của các sóng uy mãnh này, cùng với khả năng phơi sáng nhũ tương nhiếp ảnh của chúng, đã đưa đến việc ứng dụng rộng rãi tia X trong y học, để nghiên cứu cấu trúc cơ thể người, và trong một số trường hợp khác, là phương tiện để chữa bệnh hoặc phẫu thuật. Giống như với tia gamma năng lượng cao, việc phơi ra không có điều khiển trước tia X có thể dẫn tới đột biến, sai lệch nhiễm sắc thể, và một số dạng hủy hoại tế bào khác. Phương pháp chụp ảnh vô tuyến truyền thống về cơ bản là thu lấy cái bóng của vật liệu đặc, chứ không phải chụp chi tiết hình ảnh. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây trong kĩ thuật hội tụ tia X bằng gương đã mang lại những hình ảnh chi tiết hơn nhiều của các đối tượng đa dạng bằng việc sử dụng kính thiên văn tia X, kính hiển vi tia X và giao thoa kế tia X. Các chất khí khí nóng trong không gian vũ trụ phát ra phổ tia X rất mạnh, chúng được các nhà thiên văn học sử dụng để thu thập thông tin về nguồn gốc và đặc trưng của các vùng nằm giữa các vì sao của vũ trụ. Nhiều thiên thể cực kì nóng, như Mặt Trời, lỗ đen, pulsar, chủ yếu phát ra trong vùng phổ tia X và là đối tượng nghiên cứu của thiên văn học tia X. Thiên văn học tia X là một ngành tương đối mới có nhiệm vụ thu thập các sóng năng lượng cao này để lập bản đồ vũ trụ (hình 2.21). Kĩ thuật này cho các nhà khoa học cơ hội quan sát các hiện tượng thiên thể ở xa trong cuộc tìm kiếm những khái niệm vật lí mới, và kiểm tra những lí thuyết không thể thử thách bằng những thí nghiệm thực hiện trên Trái Đất này. 50 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 2.21. Ảnh chụp tia X của các vì sao 2.1.4.7. Tia gamma: Là bức xạ năng lượng cao có tần số cao nhất (bước sóng ngắn nhất) trong phổ điện từ. Dạng bức xạ năng lượng cao này có bước sóng ngắn hơn một phần trăm của nanomet (10 picomet), năng lượng photon lớn hơn 500 kiloelectron-volt (keV) và tần số mở rộng tới 300 exahertz (EHz). Tia gamma được phát ra do sự chuyển trạng thái bên trong hạt nhân nguyên tử, bao gồm hạt nhân của những chất phóng xạ (tự nhiên và nhân tạo) nhất định hay từ các vụ nổ hạt nhân và các nguồn đa dạng khác trong không gian vũ trụ: Tia gamma phát ra từ những vùng nóng nhất của vũ trụ, bao gồm các vụ nổ sao siêu mới, sao neutron, pulsar và lỗ đen, truyền qua khoảng cách bao la trong không gian để đến Trái Đất. Mỗi photon tia gamma giàu năng lượng đến mức chúng dễ dàng được nhận ra, nhưng bước sóng cực kì nhỏ của chúng đã hạn chế các quan sát thực nghiệm về những tính chất sóng. Những tia uy mãnh này có khả năng đâm xuyên khủng khiếp và được báo cáo là có thể truyền qua 3 mét bêtông! Tia gamma có thể gây ra các đột biến, các sai lạc nhiễm sắc thể, và còn hủy hoại tế bào, như thường quan sát thấy ở một số dạng bức 51 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN xạ gây nhiễm độc khác. Tuy nhiên, bằng việc điều khiển sự phát tia gamma, các chuyên gia có thể làm chủ các mức năng lượng cao để chiến đấu với bệnh tật và giúp điều trị một số dạng ung thư. Tác giả: Mortimer Abramowitz, Thomas J. Fellers và Michael W. Davidson (davidson@magnet.fsu.edu) 2.2. Bức xạ vũ trụ và ngành thiên văn vật lý: 2.2.1. Sơ lược về bức xạ vũ trụ: Vũ trụ là một phòng thí nghiệm đa dạng cung cấp cho các nhà khoa học những số liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý-hóa, từ mức vĩ mô đến mức vi mô. Lực hấp dẫn phổ biến của Newton chi phối sự chuyển động của các thiên thể và quá trình tiến hoá của vũ trụ trên quy mô lớn. Thuyết Big Bang - tuy vẫn còn phải được cải tiến nhưng được đa số các nhà thiên văn chấp nhận - và những công trình về sự tổng hợp những nguyên tố trong vũ trụ nguyên thủy và trong những ngôi sao… đều là cơ sở để giải thích những hiện tượng thiên văn quan sát thấy hiện nay. Những công trình của Max Planck và của Albert Einstein đã mở đường cho sự nghiên cứu những bức xạ vũ trụ. Nhờ quan sát bằng kính thiên văn vô tuyến ngày càng lớn, có độ phân giải cao mà các nhà thiên văn thu được những bức xạ ngoài vũ trụ, xử lý số liệu và áp dụng những định luật lý-hóa để lập ra những mô hình lý thuyết nhằm tìm hiểu cơ chế phát những bức xạ và mô tả những hiện tượng quan sát trong vũ trụ. 2.2.1.1. Bức xạ vũ trụ là gì? Là bức xạ điện từ lan truyền trong không gian như những làn sóng trải dài từ những bước sóng cực ngắn của tia gamma, tia X và tia tử ngoại đến bước sóng khả 52 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC kiến và những bước sóng cực dài hồng ngoại và vô tuyến, bức xạ vũ trụ gửi tới bị hấp thu hoặc phản xạ bởi khí quyển Trái Đất trên dải rộng của phổ điện từ. Tia gamma, tia X và bức xạ tử ngoại bị hấp thụ bởi các nguyên tử và phân tử trong khí quyển Trái Đất. Bức xạ hồng ngoại bị hấp thụ trong một vùng phổ rộng bởi các phân tử nước (H2O) và đi-ô-xit các-bon (CO2). Sóng vô tuyến có bước sóng dài bị phản xạ ngược vào Vũ trụ bởi các lớp quyển ion ở phía trên khí quyển Trái Đất. Phần trên của khí quyển Trái Đất bị ion hóa bởi bức xạ cực tím của Mặt Trời. Trong khí quyển Trái Đất chỉ có hai cửa sổ phổ hẹp cho phép bức xạ vũ trụ truyền qua. Đó là: • Cửa sổ khả kiến và hồng ngoại gần, có bước sóng từ λ ~ 0,4 μm đến λ ~ 3 μm. • Cửa sổ vô tuyến, có bước sóng từ λ ~ 1mm đến λ ~ 30m. Về nguyên tắc, một số phần trong cửa sổ vô tuyến được bảo vệ nhằm tránh sự nhiễu tạo bởi các ra-da và các trạm phát phóng trên mặt đất và trong không gian. Những tín hiệu vô tuyến do con người tạo ra phải được phát ngoài những phần của cửa sổ phổ vô tuyến được dành riêng cho thiên văn vô tuyến. Kính thiên văn quang học và kính thiên văn vô tuyến milimét thường được lắp đặt trên các núi cao, ở đó khí quyển trong suốt hơn so với lớp khí quyển ở gần mặt đất nhằm cải thiện đến mức tối đa các điều kiện quan sát. Những vùng phổ nằm ngoài 2 cửa sổ kể trên, chỉ có thể tiếp cận được nhờ các thiết bị được lắp đặt trên các bóng thám không bay cao và trên các vệ tinh hoặc các tàu thăm dò vũ trụ ở ngoài khí quyển Trái Đất. Các nhà thiên văn cần phải quan sát không chỉ ở các bước sóng khả kiến mà còn cả trong vùng phổ điện từ càng rộng càng tốt nhằm nghiên cứu những điều kiện vật lý của các thiên thể. 53 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 2.2.1.2. Phổ bức xạ của các thiên thể : [Radiantion spectra of astronomical objects] Phổ đầy đủ các bức xạ được phát ra bởi một thiên thể được gọi là phổ điện từ hay phổ bức xạ của thiên thể. Khi dùng phổ kế phân tích bức xạ điện từ, bức xạ bị tách thành một dãy các vạch sáng và tối chồng lên trên một nền phổ liên tục. Bức xạ liên tục trải dài từ tia gamma, tia X và sóng cực tím qua sóng quang học và hồng ngoại tới sóng vô tuyến. Cường độ của bức xạ liên tục và độ rộng của phổ của nó phụ thuộc vào quá trình bức xạ và những điều kiện vật lý, đặc biệt là nhiệt độ, mật độ và từ trường trong thiên thể. Sự phát xạ vạch phụ thuộc vào bản chất nguyên tử và phân tử có mặt trong khí quyển của thiên thể. Trong vũ trụ có vô số thiên hà, mỗi thiên hà là một tập hợp khí và bụi cùng với những ngôi sao và hành tinh. Những thiên thể đặc có độ dày quang học (optical depth) lớn, như những ngôi sao, những hành tinh và những đám mây chứa nhiều khí và bụi đều tuân theo định luật của vật đen. 2.2.1.3. Quá trình phát xạ của bức xạ vũ trụ: Là quá trình phát xạ liên tục thông qua một trong hai cơ chế: bức xạ nhiệt và bức xạ phi nhiệt. Bức xạ nhiệt: Bức xạ nhiệt chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát xạ, bao gồm bức xạ vật đen, bức xạ hãm trong khí bị ion hóa, bức xạ vạch quang phổ. Bất kì vật thể hay hạt vật chất có nhiệt độ trên độ 0 tuyệt đối đều phát ra bức xạ nhiệt. Nhiệt độ của một vật làm cho nguyên tử và phân tử vật chất bên trong nó chuyển động hỗn loạn. Ví dụ, các phân tử khí, trong khí quyển của một hành tinh chẳng hạn, chuyển động hỗn loạn và va chạm với phân tử khác. Khi các phân tử va chạm với nhau, chúng thay 54 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC đổi hướng tương đương với việc gia tốc kéo theo các hạt điện tích được gia tốc, do đó chúng phát ra bức xạ điện từ với dải phổ điện từ không giống nhau tùy theo lượng chuyển động trong vật chất liên quan trực tiếp với nhiệt độ của nó. Vật đen là một vật thể mang tính giả thuyết là hấp thụ hoàn toàn mọi bức xạ chiếu tới nó và không phản xạ lại. Khi nhiệt độ của vật đen không thay đổi, theo nguyên lý cân bằng nhiệt lượng: 0 ht px tq ht bxnF F F F F F      F0 là thông lượng bức xạ điện từ bắn vào vật. Fht là phần thông lượng bức xạ điện từ bắn vào bị hấp thụ. Fpx là phần thông lượng bức xạ điện từ bắn vào bị phản xạ (tán xạ); đối với vật đen Fpx = 0. Ftq là phần thông lượng bức xạ điện từ bắn vào bị truyền qua; đối với vật đen Ftq = 0. Fbxn là thông lượng bức xạ điện từ vật bức xạ trở lại môi trường. Vật đen định nghĩa như trên là một vật lý tưởng, không tồn tại trong thực tế, có đặc tính biến tất cả năng lượng nhận được thành năng lượng bức xạ đặc trưng cho nhiệt độ của vật, với bất kỳ trị số nào của bước sóng. Mô hình vật đen là một mô hình lý tưởng trong vật lý, nhưng có thể áp dụng gần đúng cho nhiều vật thể thực tế. Các vật thể thực đôi khi được mô tả chính xác hơn bởi khái niệm vật xám. Vật thể trên thực tế gần đúng với khái niệm vật đen nhất là lỗ đen, là vật có lực hấp dẫn mạnh đến nỗi hút gần như tất cả các vật chất (hạt hay bức xạ) nào ở gần nó. Mọi vật thể trong vũ trụ ở trạng thái cân bằng nhiệt và năng lượng phát xạ trở lại theo một phổ đặc trưng. Phổ đạt đỉnh cao tại một bước sóng chỉ phụ thuộc nhiệt độ vật thể. Những vật thể có nhiệt độ thấp hơn phát ra bức xạ ở bước sóng dài nhiều hơn. Những vật thể trong ảnh phát ra trong hay gần dải sáng nhìn thấy của phổ điện 55 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN từ, để một vật thể phát ra bức xạ nhiệt ở những bước sóng vô tuyến thì nó phải lạnh hơn những vật thể trên rất nhiều. Hình 2.22. Phổ vật đen ở 3 nhiệt độ khác nhau: 5000 K, 4000 K, và 3000 K. Sự phát nhiệt có thể nảy sinh trong một đám mấy khí, ở đó nguyên tử khí bị ion hoá bởi các photon tử ngoại tới từ các ngôi sao hoặc do va chạm giữa các nguyên tử. Các electron tự do chuyển động hỗn loạn trong môi trường chứa ion. Những ion này dường như đứng yên vì khối lượng của chúng lớn hơn nhiều so với các electron. Các electron bị đổi hướng và bị gia tốc khi đi vào miền lân cận các ion phát bức xạ. Nhiệt độ của môi trường ion hoá phản ánh sự chuyển động nhiệt hỗn độn của các electron. Bức xạ phi nhiệt: Bức xạ phi nhiệt không phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát xạ, gồm có bức xạ synchrotron, bức xạ synchrotron hồi chuyển từ các pulsar, bức xạ cảm ứng maser trong vũ trụ. Bức xạ này được phát ra bởi một đám mây khí trong đó các electron có 56 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC năng lượng cao chuyển động nhanh (gần bằng vận tốc ánh sáng) được gia tốc một từ trường. (sẽ đề cập đến trong chương 4 của tiểu luận này) 2.2.1.4. Năng lượng bức xạ vũ trụ: Bức xạ từ các thiên thể được xem như là bức xạ của vật đen tuyệt đối, vì bề mặt của chúng được bao phủ bởi một lớp khí dày trong suốt. Công thức Plank về công suất bức xạ đơn sắc của vật đen: Độ chói bức xạ: B (W/m2/Hz/st) Xem xét một phần tử bề mặt ds nằm trong bề mặt S đang phát ra bức xạ có tần số  (Hz) Độ chói B là năng lựơng thu được trong một giây, trên một đơn vị độ rộng của dãi sóng, qua một đơn vị diện tích và trên một đơn vị góc khối, từ phần không gian nằm trong góc khối dω (st) trong bầu trời nằm trong hình nón giới hạn bởi bề mặt ds (m2). Hàm sóng: 2 5 2 1 1 hc kT hcB e     k = 1,38.10-23 J/K (hằng số boltzmann) h = 6,63.10-34 J.s (hằng số Plank) 2 1 1 3 hν2 KT hνBν= c e - 57 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Năng lượng phát xạ toàn phần: Định luật Stefan – Boltmann nói lên rằng năng lượng tăng rất nhanh theo nhiệt độ: 4T   (với 8 2 45,7.10 W / m / K  ) Dựa vào công thức tính này các nhà thiên văn đo cường độ bức xạ của thiên thể ở các bước sóng khác nhau để vẽ phổ bức xạ của nó. Căn cứ vào hình dạng của phổ, người ta có thể phân biệt các cơ chế bức xạ. Từ các quá trình bức xạ nhiệt cho phép các nhà thiên văn xác định nhiệt độ của hành tinh. 2.2.2. Ngành thiên văn vật lý: Ngành thiên văn vật lý đang trên đà phát triển nhờ có những kính thiên văn hoạt động trên nhiều miền sóng. Muốn nghiên cứu những thiên thể trong Vũ trụ, các nhà khoa học phải quan sát trên những bước sóng trong phổ điện từ, từ bước sóng gamma, X, tử ngoại, khả kiến, đến bước sóng hồng ngoại và vô tuyến. Những môi trường có nhiệt độ cao phát ra bức xạ gamma và X. Những ngôi sao bình thường như Mặt trời phát ra ánh sáng. Những thiên hà đang hình thành và những ngôi sao còn trẻ, chưa đủ nóng nên chỉ phát ra bức xạ hồng ngoại và vô tuyến. Các nhà thiên văn chuyên nghiệp thường xuyên tiếp cận các kính thiên văn, máy thăm dò và máy tính công suất cao. Hầu hết công việc trong ngành thiên văn bao gồm 3 công đoạn: Các nhà thiên văn trước hết quan sát các thiên thể bằng cách hướng các kính thiên văn và các thiết bị thu thập thông tin thích hợp. Sau đó, họ phân tích hình ảnh và dữ liệu. Sau khi phân tích, họ so sánh kết quả đạt được với lý thuyết đã có để xác nhận khám phá nào của họ là phù hợp với dự đoán bằng lý thuyết hay không hoặc là có thể cải tiến lý thuyết hay không. Một số nhà thiên văn làm việc đơn độc trong việc quan sát và phân tích, và một số khác đơn độc trong việc phát triển các lý thuyết mới. 58 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Thiên văn học như là một đề tài rộng lớn mà các nhà thiên văn chuyên môn trong một hoặc vài lĩnh vực nào đó. Ví dụ, nghiên cứu về hệ Mặt trời là một phần khác biệt trong sự chuyên môn hóa so với việc nghiên cứu về các ngôi sao. Các nhà thiên văn nghiên cứu về Dài ngân hà Milky Way thường sử dụng kĩ thuật khác so với những kĩ thuật được sử dụng bởi các nhà thiên văn nghiên cứu về những thiên hà xa hơn. Nhiều nhà thiên văn hành tinh học, như là các nhà khoa học nghiên cứu về Sao Hỏa, có thể có nền tảng địa chất học và không thể xem họ là những nhà thiên văn trong mọi lĩnh vực. Các nhà thiên văn chuyên về Mặt trời sử dụng các kính thiên văn khác với các nhà thiên văn chuyên về bầu trời đêm bởi vì Mặt trời quá sáng. Các nhà thiên văn lý thuyết có thể không sử dụng kính thiên văn bao giờ cả, thay vào đó, họ sử dụng dữ liệu đã có hoặc đôi khi chỉ nhắc lại các kết quả lý thuyết đã có để phát triển và kiểm định những lý thuyết mới. Một lĩnh cực ngày càng được tăng cường trong thiên văn là thiên văn vi tính hóa, trong đó các nhà thiên văn sử dụng máy tính để tái tạo các sự kiện thiên văn. Những sự kiện minh họa cho việc tái tạo hữu hiệu gồm có: sự hình thành của các thiên hà trẻ nhất trong vũ trụ hoặc vụ nổ của một ngôi sao để thành sao siêu mới. Các nhà thiên văn nghiên cứu về các thiên thể bằng cách khảo sát năng lượng mà chúng phát ra dưới dạng bức xạ điện từ. Bức xạ này truyền khắp vũ trụ từ dải sóng cực ngắn – tia gamma, đến ánh sáng khả kiến và sóng vô tuyến rất dài trong toàn bộ phổ điện từ. Các nhà thiên văn tập hợp các bước sóng khác nhau của bức xạ điện từ phụ thuộc vào vật thể đang nghiên cứu. Kĩ thuật thiên văn thường rất khác biệt khi nghiên cứu các bước sóng khác nhau. Các kính thiên văn truyền thống chỉ làm việc trong vùng ánh sáng khả kiến và những vùng phổ gần khả kiến, như bước sóng hồng ngoại ngắn nhất và bước sóng cực tím dài nhất. Khí quyển Trái đất gây rắc rối cho những nghiên cứu của chúng ta do hấp thụ nhiều bước sóng của phổ điện từ. Thiên văn vật lý bao gồm: Thiên văn tia Gamma, Thiên văn hồng ngoại, Thiên văn cực tím, Thiên văn vô tuyến, Thiên văn khả kiến hay Thiên văn quang học, Thiên văn tia vũ trụ, Thiên văn sóng hấp dẫn, Thiên văn nơ-tri-no là các ngành thiên văn chuyên biệt sử dụng các thiết bị và kĩ thuật khác nhau. 59 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Thiên văn quang học là ngành thiên văn chuyên nghiên cứu các thiên thể trên vùng ánh sáng quang học hay khả kiến. Phương tiện và kĩ thuật dùng trong thiên văn quang học là các kính thiên văn quang học khúc xạ hoặc phản xạ. Do kĩ thuật khúc xạ thiên văn có nhiều bất cập nên kính phản xạ được sử dụng phổ biến trong thiên văn quang học hiện nay. Kính thiên văn khúc xạ (refractor telescope) gồm hai thấu kính, một thấu kính có tác dụng hội tụ ánh sáng từ vật gọi là vật kính, một thấu kính phân giải ảnh của vật tới mắt gọi là thị kính. Hạn chế của kính khúc xạ là ánh sáng từ vật tới là ánh sáng tổng hợp bị tán sắc bởi thấu kính dẫn đến hình ảnh không trung thực nếu bộ phận lọc không tốt. Thành tựu: Năm 1609, Galilei dựa trên phát kiến của Lippershey đã tự chế tạo thành công chiếc kính thiên văn khúc xạ có độ phóng đại là 30 lần. Galilei đã dùng kính này quan sát các vết đen Mặt Trời, các chuyển động của Mặt Trăng và các hành tinh. Qua những quan sát đó, Galilei đã khám phá ra 4 vệ tinh lớn nhất của Sao Mộc (mà ngày nay chúng ta gọi là 4 vệ tinh Galilei, chúng gồm: Ganimede, Calisto, Io và Europa), khám phá ra chu kì tự quay của Mặt Trời dựa trên chu kì xuất hiện của các vết đen. Kính thiên văn phản xạ (reflector telescope) khác với kính thiên văn khúc xạ, nó hội tụ ánh sáng bằng phương pháp phản xạ: Vật kính là một gương cầu lõm hội tụ ánh sáng tại tiêu điểm của gương. Một gương phẳng hay lăng kính được đặt trước vật kính để thu chùm sáng hội tụ và đổi chiều dẫn nó đến thị kính là một thấu kính hội tụ tiêu cự nhỏ. Kính thiên văn phản xạ như vậy cho ra hình ảnh có độ phân giải cao hơn khá nhiểu so với kính thiên văn khúc xạ. Kính thiên văn lớn nhất hiện nay trên thế giới là kính thiên văn VLT (Very Large Telescope) mới được hoàn thành tại Chile. Nó là một kính thiên văn phản xạ tổ hợp gồm 4 gương phản xạ có đường kính 8m. Chúng mang lại hiệu quả hình ảnh tương đương với một gương lớn đường kính 16m. Các gương của hệ thống kính này ngoài các bước sóng ở dải quang học còn có thể thu được những bước sóng ở một 60 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC phần dải hồng ngoại. Năm 2005, các nhà thiên văn học đã sử dụng tổ hợp kính này và chụp trực tiếp được bức ảnh đầu tiên về một hệ hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời - hệ 2M1207b quay quanh một ngôi sao trong chòm sao Hydra (Mãng xà) cách chúng ta hơn 200.000 năm ánh sáng. Đứng thứ 2 sau VLT là kính thiên văn phản xạ lớn nhất trước đây tại đài thiên văn Keck trên núi Manua Kea - một ngọn núi cao 4200m cao nhất ở Hawaii. Kính thiên văn lớn nhất ở đài thiên văn này là một gương tổ hợp do nhiều gương nhỏ ghép lại có tổng đường kính là 15m. Kính thiên văn vũ trụ Hubble được NASA phóng lên quĩ đạo ngày 25/4/1990 ở độ cao 600km. Đây là một kính thiên văn phản xạ tự động có đường kính của gương là 2,4m. Mọi hoạt động của Hubble đều được điều khiển tự động, các hình ảnh ghi nhận được đều là ảnh chụp trực tiếp từ Hubble và gửi thông tin về Trái Đất. Những bức ảnh chụp trên vùng khả kiến từ Hubble tốt hơn 5 lần so với các kính định vị trên mặt đất. Hình 2.23. Kính thiên văn vũ trụ Hubble. Tuy nhiên, bức xạ điện từ từ các ngôi sao hay thiên hà ở càng xa thì khi đến với Trái Đất, bước sóng của chúng càng dãn dài ra (hiệu ứng Doppler). Do đó ánh sáng từ các ngôi sao đến với chúng ta không mang lại những hình ảnh hoàn toàn trung thực về ngôi sao đó, thậm chí rất nhiều ngôi sao, thiên hà mà ánh sáng của 61 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN chúng không thể đến được với chúng ta do trên đường đi, bước sóng của chúng đã dài ra trở thành các sóng hồng ngoại hay vô tuyến. Để thu được những thông tin chính xác nhất có thể, các kính thiên văn hồng ngoại và vô tuyến ra đời thu các bước sóng thích hợp nói trên và phân tích chúng trên các máy đo quang phổ, từ đó xác định khối lượng, thành phần và các tính chất khác của ngôi sao. Hiện nay, kính thiên văn hồng ngoại không được sử dụng phổ biến như kính thiên văn vô tuyến do kính thiên văn vô tuyến thu được các bước sóng ở nhiều dải hơn, cả dải vô tuyến và dải hồng ngoại, quang học. Tia X, tia Gamma bị hấp thụ bởi khí quyển trái đất nên Thiên văn tia X và Thiên văn tia Gamma sử dụng các kính thiên văn vũ trụ cỡ lớn gửi vào quỹ đạo quay quanh Trái đất. Cũng vậy, tầng khí quyển Trái đất ngăn chặn hầu hết các bức xạ cực tím nên Thiên văn cực tím sử dụng kính thiên văn vũ trụ Hubble thu nhận bức xạ cực tím, hình ảnh ghi nhận được các nhà khoa học xử lí bằng cách phân tách màu sắc ánh sáng hoặc giảm cường độ bức xạ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Thiên văn hồng ngoại nghiên cứu các vùng phổ bức xạ hồng ngoại của các vật thể khảo sát gửi tới. Bức xạ hồng ngoại cũng bị khí quyển Trái đất hấp thụ, vì vậy Đài Thiên văn hồng ngoại được đặt ở tầng khí quyển loãng (đỉnh núi cao) hoặc ngay bên trên tầng khí quyển (trạm không gian). Thiên văn hồng ngoại có nhiều lợi thế vì những vật thể không đủ nóng để phát ra ánh sáng khả kiến hay cực tím vẫn có thể phát ra bức xạ hồng ngoại và bức xạ hồng ngoại thì có khả năng xuyên qua môi trường bụi khí giữa các sao hay ngân hà tốt hơn những bức xạ có bước sóng ngắn hơn. Hơn nữa, vùng phổ sáng nhất của bức xạ từ những ngân hà xa nhất được chuyển về vùng hồng ngoại mà ta thu nhận được. Thiên văn nghiên cứu bức xạ khác như nơ-tri-nô, tia vũ trụ, sóng hấp dẫn không phải là bức xạ điện từ còn khá mới lạ đối với chúng ta (khuôn khổ có hạn, tài liệu không đề cập) 62 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mọi thông tin dữ liệu từ các đài thiên văn vũ trụ ở ngoài không gian được gửi theo sóng vô tuyến truyền về mặt đất và được ghi nhận bởi các kính thiên văn vô tuyến định vị trên mặt đất. Như vậy, thiên văn vô tuyến có giá trị và vai trò rất lớn trong sự phát triển của ngành thiên văn vật lý. 2.3. Bức xạ vô tuyến và thiên văn vô tuyến: Sóng điện từ có bước sóng khác nhau sẽ truyền đi khác nhau trong môi trường, nên người ta ghép các sóng điện từ có cùng đặc tính lại thành từng băng (band). Tên các băng vô tuyến phổ biến nhất và bước sóng, tần số tương ứng được sử dụng trong thiên văn vô tuyến để khảo sát các đối tượng thiên văn phát ra sóng vô tuyến: Band Wavelength Frequency P-band 90 cm 327 MHz L-band 20 cm 1.4 GHz C-band 6.0 cm 5.0 GHz X-band 3.6 cm 8.5 GHz U-band 2.0 cm 15 GHz K-band 1.3 cm 23 GHz Q-band 7 mm 45 GHz Thiên văn vô tuyến là ngành khoa học nghiên cứu về các thiên thể thông qua việc thu thập và phân tích thông tin từ dải sóng vô tuyến trong phổ bức xạ của thiên thể nhờ kính thiên văn vô tuyến và các trang thiết bị chuẩn xác cần thiết. Với thiên 63 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN văn học vô tuyến, các nhà khoa học có thể nghiên cứu các hiện tượng thiên văn thường không quan sát được trên những vùng phổ khác của phổ điện từ. Như đã trình bày ở trên, các thông tin mà thiên văn vô tuyến thu nhận ngoài thông tin trực tiếp từ các sóng vô tuyến do các thiên thể phát ra còn có thông tin từ các sóng vô tuyến được tuyền từ các trạm thiên văn vũ trụ thông qua kĩ thuật vô tuyến điện tử gửi về mặt đất cũng được thu nhận và phân tích bởi các kính thiên văn vô tuyến. Ứng dụng kĩ thuật thiên văn vô tuyến, các nhà thiên văn có thể quan sát (phát hiện) bức xạ nền vi sóng vũ trụ, dấu hiệu tàn dư của khởi điểm vũ trụ trong vụ nổ Big Bang. Họ cũng có thể dò tìm về “Đêm Trung cổ” trước khi khởi đầu những ngôi sao hay những ngân hà đầu tiên, và nghiên cứu những thế hệ sớm nhất của các ngân hà. Các nhà thiên văn vô tuyến phân tích và khảo sát tỉ mỉ những lỗ đen tồn tại ở tâm của hầu hết các ngân hà. Vì các sóng vô tuyến xuyên qua mây bụi, các nhà khoa học sử dụng kĩ thuật thiên văn vô tuyến để nghiên cứu các vùng không thể quan sát bằng ánh sáng nhìn thấy, như là môi trường bao phủ bởi đám mây bụi khí – nơi các sao và các hành tinh được sinh ra, và trung tâm Dải ngân hà Milky Way của chúng ta. Các bức xạ vô tuyến cũng cho phép các nhà thiên văn truy tìm vị trí, mật độ và chuyển động của khí Hidro, khí cấu thành 3/4 lượng vật chất thông thường của vũ trụ. 64 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 3: KÍNH THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 3.1. Sơ lược về kính thiên văn vô tuyến: Kính thiên văn vô tuyến (Radio Telescope) cấu tạo có phần giống với kính thiên văn phản xạ quang học. Thay cho vật kính như các kính thiên văn quang học, kính thiên văn vô tuyến có bộ phận chính là một ăng ten có dạng một gương parabol kim loại. Gương parabol này có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu vô tuyến từ ngôi sao đang được quan sát và chuyển các tín hiệu đó về các bộ phận phân tích. Để làm tăng thêm độ phân giải cho các kính thiên văn vô tuyến, các kính này ở nhiều đài thiên văn được lắp dưới dạng tổ hợp. Tức là không phải là một gương lớn mà có thể gồm nhiều gương nhỏ sắp xếp sao cho các sóng phản xạ hội tụ tại cùng một điểm (giao thoa sóng). Cách lắp này tiện hơn việc chế tạo một gương quá lớn mà vẫn mang lại hiệu quả tốt, tuy nhiên nó lại yêu cầu độ chính xác gần như tuyệt đối vì chỉ cần một trong số các gương của hệ đặt lệch dù ít đáng kể thì cũng sẽ không cho ra được hình ảnh như mong muốn. Các kính thiên văn hoạt động ở các dãy bước sóng từ ~ 1m – 3m. Những bước sóng vô tuyến ( vt ) trải dài từ khoảng 1 mm tới khoảng 10m nên lớn gấp hàng nghìn lần đến hàng chục triệu lần bước sóng khả kiến ( kk ~0,6 µm). Để có độ phân giải  /D ( là bước sóng, D là đường kính của kính) tương đương với độ phân giải của kính thiên văn dùng trong vùng khả kiến, các nhà thiên văn vô tuyến phải dùng các ăngten có đường kính lớn gấp  vt/  kk lần đường kính của kính quang học hoạt động trên những bước sóng khả kiến. Nghĩa là nếu muốn đạt được độ phân giải cao bằng độ phân giải của một kính thiên văn quang học có đường kính 1,5m, kính thiên văn vô tuyến hoạt động trên bước sóng = 1mm phải có đường kính lớn bằng = 2500m ! Việc xây một ăngten lớn như thế tốn rất nhiều kinh phí và khó thực hiện về mặt kỹ thuật. Kính vô tuyến milimet lớn nhất hiện nay chỉ có đường kính lớn tới 45m. 65 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Kính thiên văn vô tuyến lớn nhất thế giới: Kính thiên văn vô tuyến lớn nhất thế giới hiện nay là kính Arecibo đặt tại Puerto Rico được sử dụng từ năm 1963. Gương chính của kính có đường kính 305m, bộ phận thu sóng phản xạ được treo phía trên gương chính ở độ cao 150m. Đây là kính thiên văn lớn nhất và nhạy nhất thế giới, nó từng được sử dụng làm công cụ chính trong việc tìm kiếm các tín hiệu về sự sống ngoài Trái Đất trong quá trình thực hiện dự án SETI (Search for the Extraterrestial Intelligence – tìm kiếm trí tuệ ngoài Trái Đất) Hình 3.1. Kính Arecibo đặt tại Puerto Rico được sử dụng từ năm 1963 Kính thiên văn vô tuyến lướn thứ 2 là kính thiên văn Effensberg, cách 40km về phía Nam của Bonn, Đức. Kính này có đường kính là 100m, được đưa vào sử dụng từ năm 1971. Khác với kính Arecibo không thể thay đổi góc nhìn mà chỉ đặt cố định, Effenssberg được nối với các trục lớn có thể cho phép trục chính của gương quay về bất cứ hướng nào để tiếp nhận các sóng điện từ đến từ các thiên thể cần nghiên cứu. Kỹ thuật hệ kính giao thoa: Dựa trên nguyên tắc của phép đo giao thoa (interferometry) sử dụng đồng thời một số (ít nhất là hai) ăngten hoạt động tương quan với nhau, các nhà thiên văn vô 66 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC tuyến đạt được độ phân giải tương đương với, hoặc cao hơn độ phân giải của các kính quang học. Bởi vì độ phân giải của hệ giao thoa không tùy thuộc vào kính thước của riêng từng ăngten mà tùy thuộc vào khoảng cách giữa các ăngten. Độ phân giải vẫn được xác định bằng công thức /D, nhưng ở đây D là khoảng cách giữa những ăngten và còn được gọi là "đường căn cứ" (baseline) của hệ giao thoa. Đường căn cứ có thể dài hàng chục, thậm chí hàng nghìn kilomet. Các nhà thiên văn vô tuyến xây những mạng ăngten đặt ở các châu lục khác nhau để đạt tới độ phân giải cao (10-5 giây cung). Độ phân giải này dùng để phân biệt chi tiết trong những thiên hà xa xôi trong Vũ trụ. Hình 3.2. Very large array (VLA) radio telescopes in Socorra, New Mexico. (Reproduced by permission of JLM Visuals) Những công trình nghiên cứu bằng kính vô tuyến giao thoa: Phát hiện NH3 HC7N (là những phân tử đóng vai trò quan trọng trong quá trình hóa học trong vỏ những ngôi sao. Những phân tử hydrogen để tạo ra trạng thái cân bằng nhiệt, nên NH3 được coi là những nhiệt kế để đo nhiệt độ trong môi trường xung quanh sao) bằng kính thiên văn vô tuyến có đường kính 100m đặt tại Effelsberg. Kính thiên văn này tuy lớn nhưng vẫn có độ phân giải đủ cao để quan sát được nhiều chi tiết. 67 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 3.3. Angten trong hệ kính vô tuyến giao thoa BIMA của Đại học Berkeley (California, USA). Trên nền trời là vùng trung tâm của Ngân hà. (Hình chụp bởi nhà thiên văn Dick Plambeck) Xác định sự phân bố các loại phân tử trong vỏ các ngôi sao bằng hệ kính giao thoa VLA (Very Large Aray) đặt tại tiểu bang New Mexico. Hệ kính giao thoa VLA gồm 27 ăng ten, môi ăng ten có đường kính 27m. khoảng cách tối đa giữa những ăng ten là 35 km. Dùng kính VLA để quan sát bức xạ Synchroton phát trên bước sóng 18cm bởi thiên hà 3C111, ở khoảng cách 6 trăm triệu năm ánh sáng. Sử dụng hệ kính giao thoa BIMA đẻ quan sát một số phân tử và tìm hiểu được cơ chế hóa học cấu tạo ra những phân tử trong vỏ ngôi sao. Đái thiên văn vô tuyến Nobeyama (thuộc ĐH Tokyo) có kính vô tuyến lớn dường kính 45m, hoạt động trên những bước sóng ánh sáng milimet và có phổ kế rất hiện đại. nhờ vào kính thiên văn vô tuyến này mà ta phát hiện được những phân tử như hydrocabon C2H, C4H và ion HCO+. Những kết quả này giúp ta tìm hiểu thêm về quá trình tiến hóa của các ngôi sao trong dãi ngân hà. 68 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Sử dụng kính thiên văn để nghiên cứu búc xạ điện từ phát ra từ lổ đen: Sử dụng những kính thiên văn vô tuyến mạnh, các nhà khoa học đã chụp ảnh được một lỗ đen lớn đang phóng ra các bức xạ là các hạt mang điện tích, mang lại caic nhìn đầu tiên về nguồn gốc của các tia vũ trụ. Hình 3.4. Một bức ảnh về lỗ đen. Các lỗ đen siêu nặng là trung tâm của rất nhiều thiên hà và từ lâu các nhà khoa học vẫn tin rằng nó là nguồn phóng ra các tia bức xạ với vận tốc gần với vận tốc của ánh sáng. Nhưng điều gì khiến cho chúng vẫn còn là 1 bí ẩn? Một nhóm nghiên cứu quốc tế đứng đầu bởi Alan Marsher ở đại học Boston đã đưa ra những hé lộ đầu tiên về vấn đề này. Nhóm của Marsher sử dụng hệ thống kính thiên văn tổ hợp của đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia gồm 10 kính thiên văn vô tuyến và nhắm vào mục tiêu là thiên hà BL Lacertae. Một loại lỗ đen sieu nặng được nghi ngờ rằng đang phát ra những dòng năng lượng lớn ở khoảng cách 950 triệu năm ánh sáng cách chúng ta. Kết quả quan sát cho thấy những dòng vật chất mang điện tích tuôn ra từ lỗ đen theo đường xoắn nút chai, đúng như những gì các nhà thiên văn học đã dự đoán. 69 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Quan sát này của nhóm nghiên cứu mang lại giải thích cho những dòng bức xạ vẫn được tuôn ra từ lỗ đen và cơ chế khiến chúng được gia tốc lên đến gần vận tốc của ánh sáng. Trang bị thêm kính thiên văn để phát hiện sự sống ngoài hành tinh: Các nhà khoa học Mỹ đã đưa hệ thống kính thiên văn vô tuyến đặc biệt đầu tiên vào sử dụng với hi vọng sẽ phát hiện ra dấu vết của sự sống ngoài hành tinh. Dự án «Allen Telescope Array» (ATA) mang tên nhà tài trợ Paul Allen dự kiến sẽ lắp đặt 350 kính thiên văn vô tuyến ở Hat Creek, cách San Francisco 400 km về phía Bắc.Sau khi được lắp đặt, 42 ăng ten trong dự án đã bắt đầu thu nhận những tín hiệu radio đầu tiên từ vũ trụ với hi vọng sẽ tìm được dấu viết sự sống ngoài Trái Đất. "Đây là một ngày trọng đại trong lĩnh vực thiên văn học vô tuyến và nghiên cứu vũ trụ. (…) Rất nhiều bí mật bên ngoài hành tinh đang chờ chúng ra khám phá và chúng ta đang tiến lại gần sự thật”, Leo Blitz – giáo sư thiên văn tại Đại học Berkelay khẳng định. ATA mang nhiều điểu ưu việt hơn so với những kính thiên văn vô tuyến trước đây. Hình 3.5. Dự án «Allen Telescope Array» (ATA) mang tên nhà tài trợ Paul Allen dự kiến sẽ lắp đặt 350 kính thiên văn vô tuyến ở Hat Creek, cách San Francisco 400 km về phía Bắc 70 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Các nhà khoa học hứa hẹn: “Chỉ trong 24 năm, kính ATA sẽ thu được khối lượng thông tin khổng lồ gấp hàng nghìn lần so với những thông tin mà các kính thiên văn khác của SETI (Viện tìm kiếm sự sống ngoài trái đất) thu được trong 45 năm qua”. Paul Allen - đồng sáng lập tập đoàn Microsoft - là người giàu thứ năm trên thế giới theo bình chọn của tạp chí Forbes, với tổng tài sản ước tính vào khoảng 18 tỷ USD. 3.2. Đo đạc thiên văn vô tuyến: 3.2.1. Sơ lược cấu tạo và hoạt động của kính thiên văn vô tuyến: 3.2.1.1. Cấu tạo: Kính thiên văn vô tuyến là thiết bị dùng để thu nhận, tập trung và phân tích các sóng vô tuyến từ một thiên thể hay một khu vực trên thiên cầu. Sau đây trình bày cấu tạo một kính thiên văn vô tuyến phản xạ parabol (hình 3,6). Steerable parabolic reflector: Gương phản xạ parabol xoay trở được Second focal room: điểm hội tụ thứ cấp của kính thiên văn vô tuyến lắp đặt bộ phận ghi nhận vô tuyến, được sử dụng thường xuyên hơn điểm hội tụ sơ cấp Parabolic reflector: một bề mặt thường được tạo thành bởi mạng lưới dây kim loại tốt để thu thập các sóng vô tuyến và hội tụ chúng về một điểm duy nhất. First focal room: đầu mang khí cụ quan sát được sử dụng khi có nhu cầu, được đặt ở điểm hội tụ sơ cấp của kính thiên văn vô tuyến. Secondary reflector: gương phản xạ thứ cấp nhận các sóng được phản xạ bởi gương parabol và hướng chúng vào bộ phận ghi nhận. 71 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 3.6. Cấu tạo kính thiên văn vô tuyến. Laboratory: phòng thí nghiệm nơi các nhà thiên văn phân tích tín hiệu số để thu nhận thông tin Rotating track: vành quay làm quay kính thiên văn vô tuyến theo phương thẳng đứng để hướng kính về phía khu vực cần khảo sát trên bầu trời. Support structure: kết cấu tay vịn là yếu tố kiến trúc như vành bánh xe bảo vệ gương parabol khỏi bị biến dạng. Radio wave: là sóng điện từ không nhìn thấy được phát ra từ thiên thể và được thu nhận về trái đất nhờ kính thiên văn vô tuyến. 72 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Circular track: vành đai bao quanh làm quay kính thên văn vô tuyến theo phương nằm ngang để hướng kính về phía khu vực cần khảo rát trên bầu trời. Elevator: trục nâng Counterweight: đối trọng nặng bằng với đối trọng của gương parabol, làm cho nó có thể cân bằng hoàn toàn. Upper laboratory: khu vực mà các tín hiệu điện được lọc, số hóa và chuyển về phòng thí nghiệm. Receiver: bộ phận khuếch đại các sóng trước khi chúng được chuyển thành tín hiệu điện 3.2.1.2. Hoạt động: Hình 3.7. Ăng-ten thu sóng vô tuyến. Cách làm việc của một ăng ten thiên văn vô tuyến (hình 3.7): bức xạ truyền theo một hướng xác định (D và B) từ bầu trời tới bề mặt parabol của kính thiên văn (C và A) và được phản xạ trở lại tập trung tại tiêu điểm (F). Trong ăng ten bức xạ cảm ứng tạo thành dòng điện xác định chạy vào bộ phận thu nhận. Bộ phận này 73 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN khuếch đại tín hiệu hàng nghìn lần. Tín hiệu truyền theo một dây cáp đến bộ phận điều khiển nơi mà tín hiệu được khuếch đại lần nữa và chuyển đổi sang một định dạng đơn giản hơn, được ghi nhận trong máy tính và cho ra hình ảnh. Hình 3.8. Cấu trúc ăng-ten vô tuyến (Nguồn: National Radio Astronomy Observatory, Sept 2005: Indiana University) 74 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 3.9. Mô tả hoạt động của kính thiên văn vô tuyến Hình 3.10. Bản đồ sao cho bởi kính thiên văn vô tuyến. 75 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Prime focus (GMRT) Offset Cassegrain (VLA) Beam Waveguide (NRO) 76 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 3.11. Các loại kính phản xạ vô tuyến 3.2.2. Công thức đo đạc vô tuyến: 1. Độ sáng của một nguồn: L = dE/dt erg/s 2. Thông lượng của nguồn ở khoảng cách R: S = L/4R2 erg/s/cm2 Naysmith (OVRO) Dual Offset (ATA) Cassegrain focus (AT) 77 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Thông lượng đo độ sáng của các sao, trong thiên văn quang học, thông lượng này đo trong độ sáng biểu kiến, số đo loga của thông lượng. 3. Cường độ sáng: Nếu 1 nguồn được mở rộng, độ sáng bề mặt của nó sẽ thay đổi theo sự mở rộng đó. Độ sáng bề mặt là cường độ, giá trị thông lượng trên một đơn vị góc khối của nguồn: I = dS/d erg/s/cm2/steradian L = 4 S d = 4R2  S đối với nguồn đẳng hướng S =  I d Nều các nguồn thiên văn phát ra một phổ điện từ rộng, L, S và I đều là hàm của  hoặc , và xác định chính xác hơn: Mật độ sáng: L() = dL/d W/Hz Mật độ thông lượng: S() = dS/d W/m2/Hz Cường độ riêng: I() = dI/d W/m2/str/Hz Cường độ riêng là đại lượng cơ bản đặc trưng cho bức xạ. Là hàm của f, hướng, s và thời gian. 4. Năng lượng và công suất thu của ăng-ten: Năng lượng trên một đơn vị diện tích được định hướng tại một góc đến s, theo lý thuyết bởi một vecto da là: dE = I(, s, t) sda d d dt = I(, ) sda d d dt 78 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chức năng của antenna là để tập trung sóng vô tuyến và mỗi antenna có một diện tích hiệu dụng, Ae(, ), phụ thuộc hướng (, ) Công suất thu trên 1 vị tần số của antenna từ trong một góc khối d theo hướng (, ): dP = ½ I (, ) Ae (, ) d W/Hz Công suất thu của antenna từ mọi hướng P = ½  I (, ) Ae (, ) d W/Hz 5. Nhiệt độ ăng-ten (TA): TA = P/k K TA = (1/2k)  I (, ) Ae (, ) d K Nguồn điểm: I = S (, ) kTA = ½ Ae,max S W/Hz Nếu Ae (, ) có cực đại Ae,max at (, ) = (0, 0) 6. Diện tích hiệu dụng (max) của một ăng-ten: Ae,max = ap Agm2 Ag là diện tích hình học and ap là hệ số mở. Đ/v antenna song cực, Ag 0 nhưng Ae khác 0 79 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Chương 4: GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 4.1. Sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ, vết tích của Big Bang: 4.1.1. Lược sử: Năm 1964, Arno Penzias và Robert Wilson đã phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ khi họ tiến hành nghiên cứu một máy thu tín hiệu vi sóng ở phòng thí nghiệm Bell. Khám phá của họ đã khẳng định tiên đoán về bức xạ phông vũ trụ, một bức xạ đẳng hướng và đồng nhất phân bố giống như phổ phát xạ của vật đen có nhiệt độ khoảng 3 K. Penzias và Wilson được trao giải Nobel về vật lý nhờ khám phá này. Năm 1989,. COBE đã tìm thấy nhiệt độ dư là 2,726 K và xác định được rằng bức xạ đó là đẳng hướng với độ chính xác 10-5. Vào đầu năm 2003 các kết quả từ vệ tinh dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) đã phóng và thu được các giá trị chính xác nhất về các thông số vũ trụ. 4.1.2. Ý nghĩa việc tìm ra bức xạ phong nền viba của vụ trụ: Từ quan sát bức xạ phông vũ trụ người ta thấy vũ trụ là phẳng và 70% mật độ năng lượng của vũ trụ chưa được tính đến. Điều này liên quan đến một hiệu ứng khác, đó là vũ trụ giãn nở với một gia tốc chứ không phải tuân theo chính xác định luật Hubble. Để giải thích tính gia tốc của quá trình giãn nở, lý thuyết tương đối rộng yêu cầu phần lớn vũ trụ tạo thành từ một dạng năng lượng có áp suất âm gọi là năng lượng tối. Năng lượng tối này được cho rằng chính là 70% thiếu hụt từ quan sát bức xạ phông vũ trụ. Bản chất của năng lượng tối vẫn là một trong những bí mật vĩ đại nhất về Vụ nổ lớn. Các lời giải khả dĩ là sự tồn tại của một hằng số vũ trụ. Ngày nay các nhà thiên văn đang tìm cách nghiên cứu phông nền viba để tìm ra lời giải đáp cho nguồn gốc cũng như sự tồn tại của vũ trụ trong tương lai. 80 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 4.1.3. Phương pháp nghiên cứu: Arno Penzias và Robert Wilson nghiên cứu bức xạ phông nền vũ trụ dựa vào kết quả thực nghiệm từ việc thu được tiếng ồn vô tuyến từ kính thiên văn vô tuyến. Các sóng vô tuyến phát ra từ thiên hà của chúng ta, cũng như từ đa số các nguồn thiên văn khác, có thể mô tả tốt nhất như là một loại “tiếng ồn” rất giống tiếng ồn “tĩnh” mà người ta nghe được qua một máy thu thanh trong một buổi trời sấm sét. Tiếng ồn vô tuyến ấy không dễ dàng phân biệt được với tiếng ồn điện không tránh được, sinh ra bởi sự chuyển động hỗn độn của các electron trong cơ cấu của ăngten vô tuyến và các mạch khuyếch đại, hoặc là với tiếng ồn vô tuyến mà ăngten bắt được từ bầu khí quyển của quả đất. Hình 4.1. Phân bố Planck Phân bố Planck trên hình 4.1, mật độ năng lượng trên mỗi khoảng bước sóng đơn vị được vẽ là một hàm của bước sóng, đối với bức xạ vật đen, có nhiệt độ là 3 81 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN K. (Đối với một nhiệt độ lớn hơn 3 K là f lần, thì chỉ cần rút ngắn bước sóng 1/f lần và tăng mật độ năng lượng lên f mũ 5 lần). Đoạn thẳng của đường biểu diễn ở bên phải được mô tả gần đúng bằng “phân bố Rayleigh – Jeans” là một đường với độ dốc như vậy được chờ đợi với một nhóm trường hợp rộng rãi ngoài trường hợp bữc xạ vật đen. Đoạn đi xuống rất dốc về phía trái là so bản chất lượng tử của bức xạ, và là một nét đặc thù của bức xạ vật đen. Đoạn đường có ghi “bức xạ thiên hà” chỉ rõ cường độ tiếng ồn vô tuyến từ thiên hà chúng ta sinh ra. Penzias và Wilson dùng một dụng cụ gọi là “tải lạnh” - cường độ từ ăngten được so sánh với cường độ sinh ra bởi một nguồn nhân tạo được làm lạnh đến nhiệt độ hêli lỏng, khoảng bốn độ trên độ không tuyệt đối. Tiếng ồn điện trong các mạch khuyếch đại sẽ là như nhau trong cả hai trường hợp, và do đó sẽ tự triệt tiêu khi so sánh, cho phép đo trực tiếp cường độ từ ăngten đến. Hình 4.2. Ảnh chụp của WMAP về bức xạ phông vi sóng vũ trụ Vào mùa xuân năm 1964 là họ đã nhận được một tiếng ồn sóng cực ngắn ở 7,35 centimet khá đáng kể, không phụ thuộc vào hướng. Họ cũng đã tìm ra rằng phông “tĩnh” đó không phụ thuộc vào thời gian trong một ngày, hoặc vào mùa trong năm. Các sóng vô tuyến với các bước sóng như 7,35 centimet và đến một mét, được gọi là “bức xạ cực ngắn”, gọi là bức xạ vi ba . Peebles lưu ý rằng nếu trong mấy phút ngắn ngủi đầu tiên của vũ trụ đã không có một phông bức xạ mạnh mẽ thì các phản ứng nhiệt hạch đã xảy ra nhanh chóng 82 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC đến mức làm một tỷ lệ lớn khí hyđrô có mặt lúc đó đã bị “nấu nướng” thành những nguyên tố nặng hơn, trái với sự kiện là khoảng ba phần tư vũ trụ hiện nay lại là hyđrô. Sự “nấu nướng” hạt nhân nhanh này chỉ có thể được cản lại nếu vũ trụ đã chứa đầy một bức xạ có một nhiệt độ tương đương rất lớn ở những bước sóng rất ngắn, có thể làm nổ được các hạt nhân cũng nhanh như chúng được tạo nên. Chúng ta sẽ thấy rằng bức xạ đó đã còn lại sau quá trình giãn nở của vũ trụ sau đó, nhưng nhiệt độ tương đương của nó tiếp tục giảm trong khi vũ trụ giãn nở và giảm tỷ lệ nghịch với kích thước vũ trụ, vũ trụ hiện nay chứa đầy bức xạ. Hình 4.3. Bản đồ bức xạ sóng vô tuyến từ các nguyên tử Hydro từ dải Ngân Hà (ảnh bên trên) đang được nghiên cứu có liên quan đến bản đồ bức xạ phông vi ba của vũ trụ ghi nhận bởi WMAP (ảnh dưới) 83 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 4.2. Vạch phổ cuả nguyên tử trung hòa Hydrogen trên bước sóng 21 centimet: 4.2.1. Lược sử: Từ năm 1944, nhà thiên văn Hà Lan, Van de Hulst, đã tiên đoán bằng lý thuyết là nguyên tử hydrogen trung hoà phát ra một vạch phổ vô tuyến trên bước sóng 21 centimet. Phải đợi đến năm 1952, các nhà thiên văn vô tuyến Mỹ, Hà Lan và Úc sử dụng những kính thiên văn vô tuyến đáp ứng với yêu cầu, mới quan sát thấy vạch hydrogen 21 centimet. 4.2.2. Ý nghĩa nghiên cứu bức xạ Hyđro: Hệ mặt trời nằm trong một thiên hà (Ngân Hà) nên ánh sáng khó truyền tới vì bị hấp thụ bởi bụi và khí trong Ngân Hà. Các nhà thiên văn trên Trái đất dường như bị chìm đắm trong đám sương mù dày đặc. Nhờ sự quan sát vạch hydrogen 21 centimet trên bước sóng vô tuyến, ít bị hấp thụ bởi bụi và khí, mà các nhà thiên văn đã phát hiện được cấu trúc xoắn ốc cuả Ngân Hà và xác định được là Ngân Hà cũng giống hàng tỉ thiên hà xoắn ốc khác trong Vũ trụ (hình 4.4). 84 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 4.4. Những cánh tay xoắn ốc của thiên hà NGC 6946 hiện ra rất rõ trong hình (Quan sát bởi François Viallefond) 4.2.3. Cơ chế phát xạ: Vạch phổ vô tuyến 21 centimet cuả nguyên tử trung hoà hydrogen được tạo ra từ sự chuyển giữa hai mức năng lượng ở sát cạnh nhau nằm trong trạng thái năng lượng cơ bản. Mức năng lượng cao tương ứng với trạng thái “spin” cuả electron và proton song song với nhau, mức năng lượng thấp tương ứng với trạng thái “spin” đối song. Khi spin chuyển từ trạng thái “song song” xuống trạng thái “đối song” thì nguyên tử hydrogen phát ra photon. 85 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 4.5. Giản đồ mức năng lượng của nguyên tử Hydrogen trên vạch quang phổ 21 cm. Vì sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức rất nhỏ nên photon có