BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN BỨC XẠ PHỔ QUAY VÔ TUYẾN TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN SAO TRẦN NGỌC HƯNG Chu[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN BỨC XẠ PHỔ QUAY VƠ TUYẾN TRONG MƠI TRƯỜNG KHÍ QUYỂN SAO TRẦN NGỌC HƯNG Chuyên ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2021 Cơng trình hồn thành tại: Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Đinh Văn Trung, Viện Vật lý PGS TS Phạm Hồng Minh, Viện Vật lý Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Vào hồi …… giờ, ngày…….tháng…… năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Viện Vật lý MỞ ĐẦU Sự tồn xạ phân tử miền vô tuyến vũ trụ hội cho khám phá sâu tính chất động học vật lý nhiều vùng khí phân tử Các xạ maser có cường độ mạnh tính định hướng cao có khả phân giải vùng khơng gian đến kích thước mili giây góc Ngày nay, đài quan sát lớn VLA, VLBA ALMA đài quan sát đại giúp thu nhận tín hiệu cường độ yếu với độ phân giải cao Cùng với việc gia tăng liệu quan sát, công việc xử lý phân tích ngày phát triển Những thập niên gần đây, phát triển kỹ thuật tính tốn hỗ trợ lớn đến việc phân tích liệu thiên văn Các mơ hình số mơ xác hình ảnh quang học hay phổ vô tuyến thu nhận giúp hiểu rõ trình diễn vũ trụ Những tiên đốn từ mơ hình số hỗ trợ tốt cho việc phân tích số liệu quan sát Nghiên cứu luận án nằm xu phát triển ngành thiên văn học nói riêng kỹ thuật nói chung Hiện nay, trung tâm tính tốn hiệu cao xây dựng rộng khắp nước từ trường đại học đến viện nghiên cứu Các hệ tính tốn đủ khả để thực mô phức tạp môi trường thiên văn Nhận thấy hội đó, luận án tiến hành thực nghiên cứu xạ phổ quay phân tử thiên văn phương pháp số song song hóa để chạy siêu máy tính Mơ hình truyền xạ phân tử áp dụng để giải thích đặc trưng phổ maser tái tổ hợp Hnα vỏ MWC 349A Luận án đồng thời thực kết hợp mơ hình truyền xạ với mơ hình khí động lực học Sự kết hợp giúp giải thích đầy đủ cấu trúc phổ hình ảnh quan sát liệu thiên văn Với mơ khí động lực học, luận án sử dụng chương trình mã nguồn mở PLUTO để mơ hình hóa mơi trường khí quanh tiệm cận khổng lồ (AGB), hình thái học cấu trúc xoắn ốc nghiên cứu chi tiết Đặc biệt, truyền xạ qua khơng gian mơ khí động lực học giúp xây dựng lại hình ảnh phổ phân tử sử dụng để so sánh với liệu quan sát Luận án có bố cục theo bốn chương sau: + Chương 1: Giới thiệu tổng quan môi trường thiên văn sở lý thuyết nghiên cứu thiên văn vô tuyến Hai tảng lý thuyết quan trọng trình bày lý thuyết truyền xạ lý thuyết khí động lực học + Chương 2: Trình bày q trình mơ hình hóa truyền xạ vỏ khối cơng việc xây dựng chương trình mơ Đồng thời với truyền xạ, khí động lực học vỏ đơi mơ hình hóa thơng qua chương trình mã nguồn mở PLUTO + Chương 3: Mơ hình hóa truyền xạ phân tử mơi trường vỏ áp dụng vào nghiên cứu xạ maser Hnα vỏ MWC 349A + Chương 4: Mơ hình hóa khí động lực học vỏ đơi từ xét ảnh hưởng yếu tố quỹ đạo tới hình thái vỏ Kết hợp với mơ hình truyền xạ phổ quay phân tử để thu nhận hình ảnh so sánh với liệu quan sát Chương Tổng quan môi trường sao, truyền xạ thiên văn cấu trúc vỏ già 1.1 Sự hình thành phát triển Những ngơi hình thành từ tinh vân đám mây khí khổng lồ Một đám mây khí bụi giữ trạng thái cân khí tĩnh động khí cân với hấp dẫn nội Nếu đám mây khí đủ nặng cho áp suất khí khơng đủ để giữ cân với hấp dẫn trải qua q trình co sụp hấp dẫn Kết trình co sụp này, ngơi hình thành tạo cụm bên lõi đám mây khí 1.2 Quan sát vỏ Sự phát triển kỹ thuật quan sát thiên văn giúp quan sát cấu trúc nhiều vỏ Kính thiên văn khơng gian Hubble trở thành biểu tượng tiên phong khám phá vũ trụ chụp ảnh quang học Cùng với kính thiên văn quang học, nhiều đài thiên văn vô tuyến giới đóng góp lớn kho liệu quan sát Một số đài thiên văn tiếng cho nhiều khám phá đài ALMA với kết hợp 66 anten vô tuyến 1.3 Phổ nguyên tử phân tử môi trường vỏ 1.3.1 Phổ tái kết hợp hydrogen Khí hydro quanh ngơi giàu xạ UV bị ion hóa tạo mơi trường khí ion gọi vùng H II Quá trình ion hóa xảy đồng thời với q trình kết hợp proton điện tử tự do, gọi trình tái kết hợp Quá trình tái kết hợp phát xạ kèm xạ liên tục bound-free tạo nguyên tử H mức lượng cao Sự dịch chuyển từ mức lượng cao xuống mức lượng thấp nguyên tử H vùng H II kèm theo phát xạ xạ tái kết hợp Các vạch tái kết hợp phát xạ từ dịch chuyển mức liền kề quan sát miền vô tuyến Dịch chuyển n ← n + tạo vạch Hnα dịch chuyển n ← n + tạo vạch Hnβ 1.3.2 Phổ quay phân tử Năng lượng chênh lệch hai mức quay liên tiếp xác định sau: (1.1) đó, J kí hiệu mức quay với J = 0, 1, 2, ; B0 số quay phân tử, m khối lượng rút gọn phân tử r0 bán kính liên kết hiệu dụng Chuyển mức mức quay kèm theo phát xạ photon tạo phổ quay phân tử 1.4 Quá trình phát xạ truyền xạ 1.4.1 Các khái niệm Một số khái niệm liên quan tới truyền xạ môi trường: cường độ xạ, hệ số phát xạ, hệ số suy giảm, hệ số Einstein, hàm nguồn 1.4.2 Kích thích vạch phổ phương trình cân thống kê Sự tương tác xạ phân tử trình hấp thụ phát xạ làm ảnh hưởng tới cường độ xạ phân bố mật độ mức lượng phân tử Trong trạng thái cân bằng, tỉ lệ bơm (pumping rate) vào mức lượng tỉ lệ mát (lossing rate) mức lượng Sự cân trạng thái phân tử hai mức mơ tả hệ phương trình thống kê: đó, P1 P2 tỉ lệ bơm vào từ mức khác tới mức liên quan tới q trình kích thích xảy môi trường; Γ1 Γ2 tỉ lệ mát mức mức mức khác; A21 B21 hệ số Einstein cho phát xạ tự phát phát xạ cưỡng bức; cường độ xạ trung bình Jν Các trình kích thích phân tử xảy vỏ sao: quang ion hóa, tái kết hợp, kích thích quang lọc lựa kích thích va chạm 1.5 Phương trình truyền xạ Phương trình truyền cho ta thấy thay đổi cường độ chùm sáng phụ thuộc vào tính chất quang học mơi trường truyền Xét chùm sáng truyền môi trường, cường độ sáng thay đổi sau: (1.3) Nghiệm tổng quát phương trình truyền là: (1.4) 1.5.1 Truyền xạ môi trường 1.5.1.1 Môi trường phát xạ nhiệt Khi ánh sáng vào môi trường dày quang học, τν(D) >> 1, bị hấp thụ hồn tồn Bức xạ từ mơi trường đến từ phát xạ tự phát Đóng góp phát xạ tự phát thể hàm nguồn môi trường: (1.5) đó, hν = Eul lượng photon phát xạ tự phát Hàm có dạng hàm Planck cho xạ vật đen tuyệt đối 1.5.1.2 Môi trường maser Nếu xạ truyền qua môi trường có τν(D) < cường độ khuếch đại Tương ứng, hệ số hấp thụ mơi trường có giá trị âm, αν < Những mơi trường có tính chất độ sâu quang học âm thỏa mãn điều kiện nghịch đảo mật độ Các trình nghịch đảo mật độ gọi q trình kích thích ngun tử phân tử mơi trường Phương trình truyền xạ mơi trường phân tử hai mức có dạng: đó, Js gọi cường độ bão hịa (1.6) Trong trường hợp Jν Js, cường độ tăng tuyến tính theo quãng đường truyền: (1.8) 1.5.2 Cơ chế mở rộng vạch phổ 1.5.2.1 Mở rộng tự nhiên Mở rộng vạch tự nhiên có nguyên nhân từ chất nội phân tử Mở rộng có dạng phổ Lorentz: (1.9) 1.5.2.2 Mở rộng va chạm Các phân tử môi trường mật độ cao thường xuyên xảy va chạm Phổ xạ mở rộng va chạm có dạng hàm Lorentz: 1.5.2.3 Mở rộng Doppler Chúng ta biết nguyên tử, phân tử ln chuyển động nhiệt khơng ngừng Do đó, tần số photon mà phát xạ hấp thụ hệ quy chiếu gắn với khác với tần số mà người quan sát thấy Mỗi phân tử tạo độ dịch chuyển Doppler gây hiệu ứng mở rộng vạch Nếu νo tần số photon hệ quy chiếu đứng yên (người quan sát) phân tử chuyển động với vận tốc v theo hướng quan sát "nhận thấy" photon có tần số là: Sau chuẩn hóa, hàm mở rộng Doppler mơ tả phân bố xác suất theo tần số có dạng: 1.5.2.4 Mở rộng hỗn hợp Doppler Lorentz Trong vùng khí mật độ lớn nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt va chạm nguyên nhân gây mở rộng phổ phát xạ Sự chồng chập hai loại mở rộng mô tả hàm phân bố Voigt: (1.13) Mở rộng Doppler chiếm ưu tần số xung quanh tần số trung tâm Trong đó, mở rộng tự nhiên ảnh hưởng lớn tới phổ vùng tần số hai biên Mở rộng Voigt tổng hợp hai loại mở rộng 1.5.3 Một số mơ hình truyền xạ thiên văn Để nghiên cứu xạ phân tử thiên văn, số chương trình tập trung giải số phương trình truyền xạ mơi trường khí phân tử, chương trình loại MORELI, LIME Một số chương trình khác mơ truyền xạ môi trường tán xạ HYPERION, TORUS, RADMC3D 1.6 Ảnh hưởng đồng hành lên cấu trúc vỏ 1.6.1 Mơ hình đơi Dưới tương tác lực hấp dẫn, hệ đôi chuyển động quỹ đạo Kepler Đĩa vật chất hình thành quanh hai ngơi với gió Phương trình Kepler hệ đơi viết dạng: M = E − e.sinE đó, e tâm sai quỹ đạo; M = Ωt dị thường trung(1.14) bình (mean anomaly) Ω vận tốc góc trung bình sao; E dị thường tâm sai (eccentric anomaly) 1.6.2 Hệ phương trình Euler Động lực học khí vỏ mơ tả hệ phương trình Euler sau: (1.15) Ảnh hưởng hấp dẫn đồng hành thể qua số hạng nguồn S(U) Chương Mô truyền xạ khí động lực học 2.1 Phương pháp số giải toán truyền xạ 2.1.1 Xây dựng lưới Lưới mức có số lưới 643 bao trùm tồn vùng tính tốn, lưới thơ với kích thước lưới lớn Lưới mức có số lưới tương tự mức 1, nhiên kích thước chiều tính tốn giảm nửa kích thước chiều mức 1, tương ứng độ phân giải tăng gấp đơi Tồn vùng không gian lưới mức nằm bên không gian lưới mức Tương tự, xây dựng tới lưới mức N với khơng gian tính tốn nằm hồn tồn khơng gian lưới mức N-1 2.1.2 Thuật toán "theo vết tia" (ray tracing) Thuật toán "theo vết tia" cho xác định chuỗi ô lưới liên tiếp mà tia sáng qua đồng thời tính quãng đường ô lưới 2.1.3 Tạo phương truyền đẳng hướng Để tạo chùm sáng tới điểm phân bố theo hướng không gian, sử dụng thuật toán tạo tam giác Delaunay mặt cầu đơn vị Đây tam giác có diện tích đường trịn ngoại tiếp tam giác khơng chứa đỉnh lại tam giác liền kề 2.1.4 Giải hệ phương trình cân thống kê Nghiệm số hệ phương trình cân thống kê tìm phương pháp Newton-Raphson Quá trình lặp thực nghiệm hội tụ với tham số sai số tùy chọn Sự hội tụ nghiệm chứng tỏ hệ đạt trạng thái cân thống kê 2.2 Mơ hình khí động lực học Mơi trường khí vỏ AGB có mật độ nhỏ nhiều bậc so với khí Trái Đất, xem mơi trường khí lý tưởng 2.2.1 Bài tốn Riemann Vấn đề mơ chuyển động khí tồn khơng gian trở thành tốn giải hệ phương trình Euler với điều kiện biên gián đoạn, gọi toán Riemann ... tổng quan môi trường thiên văn sở lý thuyết nghiên cứu thiên văn vô tuyến Hai tảng lý thuyết quan trọng trình bày lý thuyết truyền xạ lý thuyết khí động lực học + Chương 2: Trình bày q trình mơ... sáng phụ thuộc vào tính chất quang học mơi trường truyền Xét chùm sáng truyền môi trường, cường độ sáng thay đổi sau: (1.3) Nghiệm tổng quát phương trình truyền là: (1.4) 1.5.1 Truyền xạ môi trường. .. thiên văn, số chương trình tập trung giải số phương trình truyền xạ mơi trường khí phân tử, chương trình loại MORELI, LIME Một số chương trình khác mô truyền xạ môi trường tán xạ HYPERION, TORUS,