Những bài cùng tác giả
Kỷ yếu Max Planck
Những bức xạ trong 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. Về mặt kỹ thuật, kính thiên văn
quang học và kính thiên văn vô tuyến
ngày càng lớn, có độ phân giải cao, cùng
những thiết bị thu tín hiệu chế tạo ra
từ những vật liệu bán dẫn và siêu dẫn,
cũng làm cho ngành thiên văn phát triển
rất nhiều trong những thập niên gần đây.
Các nhà thiên văn 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. 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 kiến và
những bước sóng cực dài hồng ngoại và vô
tuyến. Vì bức xạ có tính chất lưỡng tính
sóng-hạt nên các nhà vật lý dùng khái
niệm sóng để mô tả hiện tượng giao thoa
trong quang học và khái niệm hạt để giải
thích hiệu ứng quang điện hay quá trình
hấp thụ và phát bức xạ.
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 và phát ra
bức xạ nhiệt. Tinh vân là những
đám khí bị ion hoá (plasma) trong
đó có electron chuyển động tự do. Khi
electron trong tinh vân va chạm và tương
tác với những hạt ion cũng phát ra bức
xạ nhiệt. Các nhà thiên văn quan sát bức
xạ nhiệt để đo nhiệt độ của các thiên
thể. Tàn dư của những ngôi sao đã nổ
(sao siêu mới) là những đám khí tương
đối loãng trong đó electron được gia tốc
trong từ trường và chuyển động theo
những đường lực với tốc độ cao xấp xỉ
bằng tốc độ ánh sáng. Loại thiên thể này
phát ra bức xạ phi-nhiệt mạnh hơn
bức xạ nhiệt rất nhiều. Bức xạ phi-nhiệt
trong vũ trụ giống những bức xạ quan sát
trong những máy gia tốc “synchrotron”.
Quan sát bức xạ phi-nhiệt là để tìm hiểu
cơ chế gia tốc các hạt vật chất trong
các thiên thể và để ước tính từ trường
và năng lượng của electron. Thiên thể
trong vũ trụ phát ra bức xạ nhiệt và bức
xạ phi-nhiệt trên những dải tần số rộng.
Vật đen là một vật lý
tưởng có khả năng hấp thụ hoàn toàn các
năng lượng điện từ. Khi được nung nóng,
vật đen phát ra bức xạ nhiệt. Khoảng
trống đen kịt và kín mít bên trong cái
lò than có thể được coi là một vật đen.
Bức xạ phông vũ trụ, tàn dư của Big
Bang, phát ra trên bước sóng vi ba
(sóng vô tuyến) và hiện tràn ngập toàn
bộ vũ trụ, cũng là bức xạ vật đen.
Planck là nhà vật lý đã đưa ra ý kiến
độc đáo để lượng tử hóa năng lượng của
vật chất nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa
kết quả lý thuyết và kết quả quan sát
liên quan đến vấn đề năng lượng của vật
đen. Einstein khái quát hoá giả thuyết
của Planck để lượng tử hoá bức xạ với
mục đích giải thích cơ chế phát những
vạch phổ nguyên tử và phân tử. Công
trình của Einstein đã dẫn đến sự phát
hiện bức xạ cảm ứng (stimulated
emission) và sự phát minh những máy
maser và laser phát ra
những tia xạ có cường độ lớn dùng trong
công nghiệp trên bước sóng vi ba và
quang học.
Thảm hoạ Rayleigh-Jeans
Cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đã đem lại một kỷ
nguyên mới cho ngành vật lý. Các nhà vật
lý ở thế kỷ 19 dùng lý thuyết nhiệt động
học và vật lý thống kê cùng với giả
thuyết năng lượng được phân bố đều giữa
các hướng chuyển động tự do trong không
gian (degree of freedom) để xác định phổ
của bức xạ vật đen ở trạng thái cân bằng
nhiệt (trạng thái nhiệt độ đồng đều và
không thay đổi). Dựa trên những lý
thuyết cổ điển này, Lord John William
Rayleigh và James Jeans tìm thấy một
công thức rất đơn giản để tính cường độ
của bức xạ vật đen. Theo công thức
Rayleigh-Jeans, độ sáng của vật đen
không tùy thuộc vào bản chất của vật
thể, nhưng có điều kỳ lạ là ở bất cứ
nhiệt độ T nào, độ sáng Bn
cũng tăng rất nhanh với tần số n
theo luật bình phương (Bn
= 2kTn2/c2,
k là hằng số Boltzmann và c
là tốc độ ánh sáng). Có nghĩa là một
vật đen như cái lò dùng để nung nấu phải
phát ra những bức xạ rất mạnh ở những
tần số cao, đặc biệt trên vùng sóng tử
ngoại và sóng X. Như ta biết, trên thực
tế lò này không phát ra tia tử ngoại và
tia X độc hại và không gây ra thảm hoạ
cho người dùng. Theo công thức
Rayleigh-Jeans, toàn bộ năng lượng của
vật đen (tức là tích phân của hàm Bn
theo tần số) cũng là vô tận! Phương pháp
tính cường độ của bức xạ vật đen bằng
những lý luận của ngành vật lý cổ điển
đã dẫn đến những kết quả tỏ ra là không
hợp lý. Công thức Rayleigh-Jeans đã gây
ra chấn động làm một số nhà khoa học ở
đầu thế kỷ 20 phải gọi đó là “thảm hoạ
tử ngoại” hay “thảm hoạ Rayleigh-Jeans”.
  
Josef Stefan
Ludwig Boltzmann
Wilhelm Wien
Nhiều nhà vật lý nổi
tiếng hồi đó như
Josef Stefan, Ludwig Boltzmann và
Wilhelm Wien tìm cách giải
quyết mâu thuẫn giữa lý thuyết và thực
nghiệm liên quan đến vấn đề bức xạ vật
đen. Vào đầu thế kỷ 20, tuy Max Planck
chưa biết nguyên nhân sâu sắc của vấn đề
này trên phương diện vật lý, nhưng muốn
tìm ra một công thức toán học có khả
năng tính được những đường cong để khớp
với đường cong của phổ vật đen mà các
nhà vật lý đã quan sát được từ trước
bằng phương pháp thực nghiệm. Sau khi đã
tìm thấy những đường cong của vật đen
bằng công thức toán học, Max Planck nảy
ra ý kiến cho rằng năng lượng của những
hạt dao động, như những electron trong
nguyên tử, không chỉ đơn giản tỷ lệ với
nhiệt độ mà phải bị lượng tử hoá. Năng
lượng E của hạt biến đổi theo
từng mức lượng tử hn (h là
hằng số Planck, và n là tần số
của bức xạ). Xác suất P(E) để có
năng lượng E phải tỷ lệ với
exp(-E/kT). Độ sáng của vật đen tính
theo lý thuyết lượng tử là: Bn
= (2hn3/c2)/[exp
(hn/kT) – 1)].
Công thức này mang
tên công thức Planck cho thấy, dù
ở tần số cao đến đâu thì mẫu số vẫn tăng
rất nhanh so với tử số, làm hàm Bn
phải giảm xuống ở vùng tần số cao
nên tránh được thảm hoạ tử ngoại. Ở miền
tần số thấp như miền sóng vi ba (sóng vô
tuyến xentimet và những bước sóng dài
hơn) hn/kT rất nhỏ nên công thức
Planck và công thức Rayleigh-Jeans đều
dẫn đến những kết quả tương tự như nhau.
Công thức Planck cho thấy nhiệt độ của
vật đen càng cao thì vật đen càng sáng.
Theo công thức Wien, cực đại của bức xạ
xảy ra ở tần số nmax
~ 3kT/h, làm cho đỉnh của những
đường cong Planck dịch chuyển về phía
tần số cao khi nhiệt độ tăng lên.
Tuy những ngôi sao
đều có khí quyển bao bọc xung quanh
nhưng vẫn được coi là những vật đen trên
một mức độ nào đó. Các nhà thiên văn
dùng định luật Planck và định luật Wien
và dựa trên độ sáng và màu của những
ngôi sao để sắp xếp sao thành từng loại.
Ngôi sao nào nóng thì sáng và có màu
xanh lam, còn những ngôi sao nguội hơn
lại mờ hơn và có màu đỏ (tần số thấp hơn
tần số màu xanh). Bề mặt mặt trời nóng
khoảng 6000 độ Kelvin nên Mặt trời là
một ngôi sao màu vàng.
Bức xạ phông vũ trụ tàn dư của
Big Bang
Vũ trụ nguyên thủy là
một môi trường plasma rất nóng trong đó
photon (hạt ánh sáng) va chạm liên tục
với electron nên không di chuyển được dễ
dàng. Trong 400 000 năm đầu sau khi vũ
trụ được khai sinh từ Big Bang, hiện
tượng tán xạ này làm vũ trụ mờ đục và
phát ra bức xạ nhiệt. Phổ của bức xạ vũ
trụ là phổ của một vật đen. Sau khi
nhiệt độ giảm xuống chỉ còn khoảng 3000
Kelvin, electron tái hợp được với proton
để tạo ra hydro trung hoà. Khi đó trong
vũ trụ không còn nhiều electron nên
photon di chuyển tự do và vũ trụ trở nên
trong sáng. Vật chất không còn có tác
động đối với photon, nên bức xạ vũ trụ
vẫn giữ được đặc tính của một vật đen.
Vũ trụ tiếp tục dãn nở không ngừng,
nhưng phổ bức xạ phông vũ trụ vẫn được
mô tả bằng định luật Planck, tuy ở nhiệt
độ ngày càng thấp. Phổ của bức xạ phông
vũ trụ hiện nay rất khớp với đường cong
Planck của một vật đen ở nhiệt độ 2,726
Kelvin. Bức xạ phông phát ra mạnh nhất
trên bước sóng vô tuyến ~ 1,9 milimet
(tần số ~ 160 Gigahertz).
Sự phát hiện ra bức
xạ phông vũ trụ không những là một bằng
chứng củng cố thuyết Big Bang mà còn
giúp các nhà thiên văn nghiên cứu cấu
trúc của vũ trụ trên quy mô rộng. Khi
quan sát về hướng những chùm thiên hà,
họ nhận thấy đường cong Planck biểu diễn
phổ của bức xạ phông vũ trụ có chút ít
sai trệch so với đường cong của vật đen
ở nhiệt độ 2,726 Kelvin. Lý do là vì môi
trường giữa những thiên hà trong những
chùm thiên hà có khí bị ion hoá và nóng
tới hàng trăm triệu độ nên electron có
năng lượng cao và phát ra bức xạ X.
Trong quá trình va chạm với photon,
electron năng lượng cao chuyển năng
lượng cho photon (biệt ngữ vật lý là “hiệu
ứng Compton ngược”). Electron của
chùm thiên hà tương tác với photon của
bức xạ phông vũ trụ qua hiệu ứng Compton
ngược và làm tăng năng lượng photon của
bức xạ phông. Do đó, ở hướng những chùm
thiên hà, đường cong của phổ bức xạ
phông vũ trụ thay đổi chút ít. Hiện
tượng này được tiên đoán bởi hai nhà vật
lý Sunyaev (Ouzbekistan) và Zeldovich
(Nga) nên gọi là “hiệu ứng
Sunyaev-Zeldovich” (viết tắt là
“hiệu ứng SZ”). Sự quan sát hiệu ứng SZ
là một trong những phương tiện để phát
hiện những chùm thiên hà xa xôi và để
xác định hằng số Hubble, dẫn đến sự ước
tính tuổi của vũ trụ. Kính thiên văn
dùng để quan sát hiệu ứng SZ và để phát
hiện bức xạ yếu ớt của những chùm thiên
hà cần có độ phân giải cao.
Sự tương tác giữa bức xạ và vật
chất
Theo quan niệm của
Planck, vật chất bị lượng tử hoá và được
coi như những hạt dao động điều hoà
(harmonic oscillator) để phát ra bức xạ.
Năng lượng của hạt được lượng tử hoá
trên những mức cách nhau đều. Bohr nhận
định là những mức năng lượng của những
hệ nguyên tử không nhất thiết phải cách
nhau đều. Sau này các nhà vật lý xác
định là khoảng cách của những mức năng
lượng của phân tử cũng không được phân
bố đều trên thang năng lượng. Einstein
không những dựa trên giả thuyết vật chất
bị lượng tử hoá của Planck, mà còn cho
rằng bức xạ cũng là những hạt lượng tử
có năng lượng hn. Công trình của
Einstein lượng tử hoá bức xạ đã mở đường
cho công việc nghiên cứu quá trình tương
tác giữa bức xạ và vật chất như được
trình bầy sau đây.
Những tinh vân trong
vũ trụ là những đám khí trong đó nguyên
tử thay đổi năng lượng để phát ra bức
xạ. Khi đám khí ở trạng thái cân bằng
nhiệt, nguyên tử được phân bố trên thang
năng lượng theo định luật Boltzmann. Ở
những mức năng lượng E càng cao
thì “dân số” (nguyên tử) n càng
thưa thớt theo luật hàm mũ: n ~ exp
(-E/kT). Theo Einstein, khi một bức
xạ có tần số thích hợp chiếu vào nguyên
tử thì nguyên tử hấp thụ photon của bức
xạ để nhảy từ mức năng lượng thấp l
lên mức năng lượng cao m. Cường
độ của bức xạ càng mạnh thì xác suất của
hiện tượng hấp thụ càng cao và tỷ lệ với
một hằng số gọi là Blm.
Ngược lại, nguyên tử phát ra photon khi
chuyển từ mức năng lượng cao m
xuống mức năng lượng thấp l.
Trong trường hợp này, Einstein đề xuất
hai cơ chế phát bức xạ khác nhau. Cơ chế
thứ nhất là nguyên tử có khả năng chuyển
hoàn toàn ngẫu nhiên từ mức năng lượng
cao m xuống mức năng lượng thấp
l với xác suất Aml
mà không cần có một nguồn bức xạ nào
chiếu vào. Qua quá trình này, nguyên tử
phát ra “bức xạ tự phát” (spontaneous
emission). Cơ chế thứ hai là nếu có
một bức xạ có tần số n thích ứng
với hiệu số năng lượng ở mức m và
l, (Em
– El = hn),
chiếu vào thì đám khí nguyên tử phát ra
“bức xạ cảm ứng” (stimulated
emission). Suất photon phát ra tỷ lệ
với cường độ của bức xạ theo hệ số Bml
tương ứng với hai mức m và
l. Bức xạ tự phát và bức xạ cảm
ứng phát ra dưới dạng những vạch phổ có
tần số tương ứng với sự chuyển mức giữa
mức m và mức l. Những hệ
số Aml , Blm,
và Bml , gọi là
hệ số Einstein, không phải là những hằng
số phổ biến mà lại tùy thuộc vào những
mức năng lượng l , m và
vào đặc điểm của từng nguyên tử. Trong
một đám khí nguyên tử ở trạng thái cân
bằng nhiệt, suất nguyên tử chuyển lên
mức trên phải bằng suất nguyên tử chuyển
xuống mức dưới. Einstein dựa trên giả
thuyết này và đồng thời áp dụng công
thức Planck để tìm thấy những hệ thức
giữa những hệ số Aml
, Blm, và Bml
. Muốn tính được giá trị của những
hệ số Einstein tương ứng với từng vạch
phổ, các nhà vật lý phải dùng thêm cả
những định luật của vật lý nguyên tử.
Những hệ số Einstein được dùng trong
phương trình cân bằng thống kê để tính
phổ của những bức xạ nguyên tử và phân
tử.
Trong vũ trụ những
đám khí trong tinh vân thường ở trạng
thái cân bằng nhiệt. Các nhà thiên văn
quan sát những vạch phổ nguyên tử và
phân tử để xác định điều kiện lý-hóa
trong những thiên thể, như nhiệt độ và
mật độ. Hydro trung hoà là nguyên tố phổ
biến nhất trong vũ trụ. Nguyên tử hydro
phát ra một vạch phổ trên bước sóng vô
tuyến 21 xentimet. Xác suất tự phát Aml
của nguyên tử hydro rất thấp (Aml
~ 3.10-15/giây)
nên nguyên tử tồn tại trên mức năng
lượng cao m trong một thời gian
tml dài tới 11
triệu năm (tml
~ 1/Aml). Có
nghĩa là cứ 11 triệu năm mới có một
photon vô tuyến của nguyên tử hydro tự
nhiên phát ra trên bước sóng 21 xentimet
! Nhờ có sự va chạm với electron làm
nguyên tử chuyển mức năng lượng nhanh
hơn, nên chu kỳ phát photon rút cục giảm
xuống 400 năm, tuy vẫn còn dài. Tuy
nhiên bức xạ 21 xentimet của nguyên tử
trung hoà hydro vẫn là bức xạ mạnh nhất
trong vũ trụ, bởi vì hydro là thành phần
vật chất phổ biến nhất, có mật độ cao
nhất. Vạch phổ 21 xentimet của hydro đã
được dùng để phát hiện cấu trúc xoắn ốc
của Ngân hà và để quan sát những thiên
hà xa xôi.
Những tia laser và maser trong vũ
trụ
Cơ chế phát bức xạ
cảm ứng mà Einstein đề xuất đã dẫn đến
những áp dụng để sản xuất những máy
laser và maser trong công
nghiệp. Công trình của Einstein cũng tỏ
ra rất cần thiết trong công việc nghiên
cứu hiện tượng laser và maser
trong vũ trụ. Như đã trình bầy trong
chương trước, thông thường những đám khí
tồn tại ở trạng thái “cân bằng nhiệt”
trong đó nguyên tử đọng ở những mức năng
lượng thấp theo định luật Boltzmann.
Tuy nhiên đám khí có thể chuyển sang
trạng thái “không cân bằng nhiệt”
nếu có một cơ chế “bơm” nguyên tử lên
những mức năng lượng cao. Khi đó sự phân
bố nguyên tử không còn tuân theo định
luật Boltzmann. Thậm chí sau khi
được bơm, dân số nguyên tử ở những mức
năng lượng cao có khả năng vượt hơn hẳn
dân số nguyên tử ở̉ những mức năng
lượng thấp. Hiện tượng “đảo ngược dân
số” tạo ra tình trạng có rất nhiều
nguyên tử tập trung ở những mức năng
lượng cao, chẳng hạn ở mức m. Khi
một bức xạ có tần số n = (Em
– El)/h
chiếu vào thì không còn nhiều nguyên tử
ở mức năng lượng thấp l để hấp
thụ bức xạ. Trái lại, bức xạ khởi động
một quá trình tương tự như một loại
“phản ứng dây chuyền”, làm những nguyên
tử tập trung ở mức năng lượng cao m
đột nhiên đổ xô xuống mức năng lượng
dưới l và thi nhau phát bức xạ.
Quá trình này tạo ra một tia laser rất
mạnh. Các nhà vật lý sử dụng nhiều “thủ
thuật” để bơm dân số nguyên tử lên những
mức năng lượng cao. Chẳng hạn họ dùng
một tia ánh sáng để bơm nguyên tử lên
những mức năng lượng rất cao. Từ đây
nguyên tử dần dần tự rơi xuống những mức
năng lượng dưới qua cơ chế tự phát bức
xạ và tạm đọng lại ở một mức năng lượng
m nào đó, gọi là mức nửa bền
vững (metastable state). Khi
đó chỉ cần một bức xạ có tần số thích
hợp chiếu vào là nguyên tử đổ xuống một
mức năng lượng thấp hơn và tạo ra bức xạ
laser. Laser (Light
amplification by stimulated emission of
radiation) phát ra những tia xạ trên
lĩnh vực sóng khả kiến, tử ngoại
(ultraviolet) và hồng ngoại (infrared).
Còn maser (Microwave
amplification by stimulated emission of
radiation) hoạt động theo nguyên tắc
của laser nhưng trên miền sóng vi ba (vô
tuyến).
Các nhà thiên văn
phát hiện là trong vũ trụ cũng có những
đám khí phát bức xạ maser. Maser thiên
nhiên xuất phát từ những phân tử trong
những tinh vân của dải Ngân hà. Tinh vân
là những đám khí nguyên tử và phân tử có
cả bụi và những ngôi sao sáng trưng.
Phân tử là một tập hợp nguyên tử trong
đó những nguyên tử có thể coi là gắn với
nhau bằng những lò xo vô hình. Khi phân
tử dao động hoặc quay xung quanh những
trục của phân tử thì phát ra những bức
xạ trên bước sóng hồng ngoại và vô
tuyến. Phân tử trong tinh vân được bơm
lên những mức năng lượng cao bởi photon
của những ngôi sao và của bụi để phát ra
bức xạ maser. Vào thập niên 1960, các
nhà thiên văn của Đại học Berkeley quan
sát được trên bước sóng 18 xentimet một
bức xạ phát ra từ hướng Tinh vân Lạp Hộ
(Orion Nebula). Vạch phổ của bức xạ rất
hẹp nhưng lại cực kỳ sáng làm các nhà
thiên văn ngạc nhiên đến nỗi họ phải cho
đó là bức xạ của một chất “Huyền bí”
(Mysterium) nào đó! Sau những tính
toán cơ học lượng tử và những kết quả đo
đạc quang phổ, họ kết luận là vạch bức
xạ “Huyền bí” thực sự chính là một vạch
phổ maser của phân tử “hydroxyl”
OH quen thuộc. Ngoài phân tử
OH còn có phân tử nước H2O
và phân tử “silicon monoxide”
SiO cũng phát ra những bức xạ
maser vô tuyến rất mạnh. Sau này các nhà
thiên văn còn phát hiện được trong những
thiên hà xa xôi những bức xạ maser OH
và H2O
mạnh gấp hàng nghìn tới hàng triệu lần
những maser quan sát được từ trước trong
dải Ngân hà (xem Hình). Cường độ
của những bức xạ maser vũ trụ tăng theo
hàm mũ với kích thước của đám khí phân
tử. Những đám khí trong vũ trụ lớn hàng
trăm triệu kilomet, tương đương với kích
thước của hệ mặt trời nên phát ra bức xạ
maser rất mạnh. Trong vũ trụ, một bức xạ
vô tuyến sau khi truyền qua đám khí
maser có khả năng được khuếch đại đến
hàng tỷ lần. Những laser và maser nhân
tạo đương nhiên là có kích thước khiêm
tốn hơn nhiều. Để tăng cường hiệu suất
của quá trình bơm laser nhân tạo, một hệ
thống gương được dùng để phản chiếu bức
xạ cảm ứng nhằm kích thích liên tục
laser. Muốn nghiên cứu hiện tượng maser
trong vũ trụ, các nhà thiên văn phải lập
ra những mô hình lý thuyết để giải
phương trình truyền bức xạ trong đám khí
phân tử, kết hợp với phương trình cân
bằng thống kê trong đó xuất hiện những
hệ số Einstein.

Hình 1:
Thiên hà Messier 82 có hình dạng một
điếu xì gà ở cách trái đất 12 triệu năm
ánh sáng trong chòm sao Đại Hùng. Trung
tâm thiên hà Messier 82 là một môi
trường rất xáo động, phun ra nhiều khí
và bụi. Đây cũng là nơi mà sự sản sinh
ra hàng nghìn ngôi sao có khả năng bùng
lên từng đợt (Hình NASA-ESA).

Hình 2: Một bức xạ maser của phân
tử hydroxyl OH (thể hiện bằng vạch phổ
rất hẹp có đỉnh cao nhìn thấy ở phía bên
trái trong phổ) được phát hiện trên bước
sóng 18 xentimet (tần số 1667 Megahertz)
ở vùng trung tâm thiên hà Messier 82
{Nguyen Quang Rieu (Observatoire de
Paris-Meudon), Ulrich Mebold và Anders
Winnberg (Max Planck Institut, Bonn),
Jean Guibert (Observatoire de
Paris-Meudon) và Roy Booth (University
of Manchester) công bố trong tạp chí
Astronomy and Astrophysics, vol. 52, p.
467, 1976}. Bức xạ maser trong
thiên hà Messier 82 là một trong hai bức
xạ maser rất mạnh được phát hiện đầu
tiên ở hẳn bên ngoài dải Ngân hà. Kính
thiên văn vô tuyến lớn 100 met của viện
“Max Planck Institut für
Radioastronomie, Bonn” đã được dùng để
phát hiện ra bức xạ maser này. Miền phổ
rất rộng trũng xuống (phía bên phải
trong phổ) được tạo ra bởi những đám khí
hydroxyl trong thiên hà, nhưng vì những
đám khí này không phải là maser nên
không phát mà lại hấp thụ bức xạ (cường
độ âm). Trục tung biểu diễ̃n cường độ
của bức xạ và trục hoành biểu diễn tốc
độ của những đám khí trong thiên hà.
Trong những năm gần
đây, tia laser còn được chiếu lên bầu
trời để tạo ra những ngôi sao nhân tạo.
Các nhà thiên văn quan sát ngôi sao
laser như một ngôi sao chuẩn để điều
chỉnh liên tục kính thiên văn nhằm loại
trừ sự hỗn loạn của khí quyển có khả
năng làm nhiễu hình của thiên thể. Tia
laser kích thích những nguyên tử natri
trong khí quyển và tạo ra một điểm sáng
màu vàng trông như một ngôi sao. Các nhà
thiên văn chỉ cần “bật” ngôi sao laser
mỗi khi họ cần dùng ở bất cứ thời điểm
nào và ở vị trí nào trên bầu trời để
điều chỉnh thiết bị trong khi họ quan
sát các thiên thể. Những kính thiên văn
cỡ lớn sẽ được trang bị bằng thiết bị
hiện đại này, hiện nay được coi là thiết
bị cần thiết để chụp được hình của những
thiên thể với độ sắc nét cao.
Tôn vinh các nhà khoa học
Khí quyển trái đất chỉ để bức xạ khả
kiến (ánh sáng), hồng ngoại gần và vô
tuyến đột nhập từ vũ trụ vào bề mặt trái
đất. Còn những bức xạ khác trong phổ
điện từ như bức xạ gamma, bức xạ X, bức
xạ tử ngoại và hồng ngoại xa đều bị khí
quyển trái đất hấp thụ. Muốn quan sát
những miền sóng bị hấp thụ, các nhà
thiên văn phải phóng kính thiên văn ra
ngoài tầng khí quyển trái đất. Họ thường
lấy tên các nhà bác học nổi tiếng để đặt
cho các vệ tinh phóng kính thiên văn lên
không gian. Tên của Einstein đã được đặt
cho vệ tinh nhân tạo phóng năm 1978 để
quan sát vũ trụ trên miền sóng X. Kính
của vệ tinh Einstein được dùng để nghiên
cứu những thiên thể phát ra những bức xạ
có năng lượng cao, như pulsar và tàn dư
của những vụ sao nổ cùng những chùm
thiên hà. Một vệ tinh khác cũng hoạt
động trên bước sóng X được phóng năm
1999 và được đặt tên là Chandra để tôn
vinh nhà thiên văn vật lý Chandrasekhar
(Ấn độ), người đã đề xuất lý thuyết giải
thích quá trình hình thành những thiên
thể siêu đặc như sao lùn trắng, sao
neutron và lỗ đen. Trong số những kết
quả đáng ghi nhớ mà vệ tinh Chandra đã
đạt được, phải kể sự phát hiện một lỗ
đen khổng lồ nặng gấp 2,5 triệu lần mặt
trời và nằm ngay trong trung tâm Ngân
hà.
Cơ quan Không gian Vũ
trụ Châu Âu (European Space Agency)
chuẩn bị phóng một vệ tinh đặt tên là
Planck để quan sát bức xạ phông vũ trụ.
Năm 1989, vệ tinh COBE đã phát hiện là
bức xạ phông vũ trụ không đồng đều và
phổ bức xạ là phổ một vật đen. Biên độ
thăng giáng nhiệt độ, tuy cực kỳ nhỏ,
nhưng thể hiện một vũ trụ nguyên thủy
lổn nhổn vật chất, mầm mống của những
thiên hà quan sát thấy ngày nay. Planck
là vệ tinh thế hệ thứ ba, sau COBE và
WMAP, có độ nhạy chưa từng đạt được từ
trước tới nay. Vệ tinh Planck nhạy bằng
khoảng một nghìn lần vệ tinh COBE và phổ
kế trên vệ tinh Planck phủ một miền sóng
rất rộng, từ sóng hồng ngoại tới sóng vô
tuyến. Mục tiêu chính của vệ tinh Planck
là quan sát chi tiết bức xạ của vũ trụ
nguyên thủy để cung cấp những số liệu
cần thiết cho những mô hình lý thuyết mô
tả quá trình tiến hoá của vũ trụ. Hiện
nay tại nước Đức đã có hàng chục viện
nghiên cứu khoa học cũng mang tên nhà
bác học Max Planck.
Tài liệu tham khảo
M. Elitzur :
Astronomical Masers (Kluwer Academic
Publishers1992)
R.P. Feynman, R.B.
Leighton, M. Sands: The Feynman
Lectures on Physics (California
Institute of
Technology,
Addison-Wesley Publishing Company,
1977).
Kenneth R. Lang:
Astrophysical Formulae
(Springer-Verlag Berlin Heidelberg New
York, 1980)
Nguyen Quang Rieu:
Circumstellar Radio Molecular lines
(The M-Type Stars; Monograph Series
on Nonthermal
Phenomena in Stellar Atmospheres, CNRS –
NASA, p. 209, 1986)
C.H. Townes, A.L.
Schawlow: Microwave Spectroscopy
(McGraw-Hill Book Company, 1955)
Trích từ Max Planck, Người Khai Sáng Thuyết
Lượng Tử, Kỷ yếu mừng sinh nhật thứ
150.
Chủ biên: Phạm Xuân Yêm - Nguyễn Xuân Xanh -
Trịnh Xuân Thuận - Chu Hảo - Đào Vọng Đức. Nhà
xuất bản: Tri Thức, Hà Nội
|