Tìm hiểu một số hiệu ứng vật lý có nhiều ứng dụng trong thiên văn học và vũ trụ học

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRUONG DAI HOC SU PHAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NIÊN KHĨA 1992 - 1996 Đề tài : Tìm hiểu MỘT SỐ HIỆU ỨNG VẬT LÝ CÓ NHIÊU ỨNG DỤNG TRONG THIÊN VĂN HỌC VÀ VŨ TRỤ HỌC * Giáo uiên hướng dẫn : Cé TRAN QUOC HA * Sinh oiên thực NGUYEN THUY YEN LOI NOI DAU TAI LIEU THAM KHAO MO DAU Chumg |: PHUONG PHAP PHAN TICH PHO BUC XA VA UNG DUNG CUA NO TRONG THIEN VAN VAT LY { Các phố Đặc tính xạ eơ sở phép phản tích quang phổ Quang phổ vạch ứng dụng thiên ván vật lý Chương 3: HIỆU ỨNG ZEEMAN { Hiệu ứng 2eeman thường { Ứng dụng hiệu ứng Zeeman Chương 3: HIỆU UNG DOPPLER { Sự dịch chuyến Doppler vạch quang phố {2 Một vài ứng dụng hiệu ứng Doppler Thiên ván học Chương { : CÁC MƠ HÌNH VŨ TRỤ 11 Mơ hình vũ trụ đống đẳng hướng 13 Mơ hình vũ trụ giãn nở ¡3 Mơ hình vũ tru nóng - Big bang We Dax Chis van vật lý ngành Thiên ván chuyên nghiên cứu lý tính thiên thể Nó phát triển kỷ thứ 20 nhờ có phát triển mạnh mẽ cla vat ly hoc va khoa hoc ky thuat hién dai Mét phương pháp nghiên #ửu quan trọng Thiên văn vật lý phương pháp phán tích phổ xạ sủa thiên thể Hầu hết thông tin từ thiên thể đến Trái đất đếu thu nhần dạng quang phổ ánh sáng Trong q trình quan trấc, người ta nhận thấy phổ ngói thuộc thiên hà khác có thay đổi khác so với phổ ngói Thiên hà chẳng hạn : - Có dịch chuyến vé phía đỏ vạch phổ - Sự tách vạch quang phổ thành hai ba vạch Khi xét đến hai tượng người ta nghĩ đến có mát hai hiệu ứng Doppler va Zeeman Cơ sở cho suy luận có chuyển động tương đối thiên có tác dụng từ trường chúng làm cho thơng tan đến Trái đất só thay đổi Chúng ta xét cụ thể nguyên nhân phần sau Hiéu img Doppler co nhiếu ứng dụng phong phú đa dạng Qua độ dich chuyến Doppler sác vạch phổ, agười ta xác định vận tốc quay thiên thể, đo tốc độ lùi thiên hà, Ngoài dựa dịch chuyến phía đỏ sủa thiên hà, mó hình vũ trụ đời : mơ hình vũ trụ gián nở, mơ hình vũ tru nóng (Bíg bang) Những giả thuyết chưa chứng munh có giả định khác đế bác bỏ chúng Song nay, thuyết vấn cịn giá trì nhiều hệ chúng kiểm chứng được, cịn hiệu ứng 2eeman giúp shung ta xac định từ trường thiên hà thông qua độ tách vạch yuang phố Như trước vào tìm hiểu ứng dụng cúa hai hiệu ứng nay, chung ta can biết qua sáe phương pháp phán tích phổ xa thiên việc ứng dung “húng thiên van vat ly nhu thé nao PHUONG PHAP PHAM TICH PHỔ BỨC XA € CÁC ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG THIÊN VĂN HỌC $1 CAC PHO Phan tích phổ thiên thể tức người ta phần tích quang phổ phát xạ quang phổ hấp thụ chúng Như nhớ lại xem đặc điểm diéu kiện phát sinh chúng quang học QUANG PHỔ PHÁT XA : quang phổ vật nóng sáng phát bao gỏm: - Quang phổ liên tục : vật rắn, lỏng chất khí bị nung nóng áp suất cao phát ánh sáng cho ta phổ liên tục gồm màu nối tiếp Anh sáng trắng cho quang phổ liên tục gốm dải màu từ đỏ đến tím (như màu cầu vồng) - - Quang phổ uạch (quang phổ nguyên từ) : nguyên tử khí hay hot bị đốt nóng đểu phát ánh sáng Sự phân tích ánh sáng cho ta quang phổ gồm màu riêng lẻ, xen kế khoảng tối gọi quang phổ vạch Mỗi nguyên tố hóa học có quang phổ vạch đặc trưng cho (Hình 1) - Quang phổ đám (quang phổ phân từ) : quang phổ phân tử gồm số lớn vạch riêng lẻ nhòe vào thành đám rõ nét phía bị lan rộng phía khác QUANG PHỔ HẤP THỤ : Nếu ánh sáng trắng từ nguồn cho quang phổ liên tục truyền qua chất cẩn nghiên cứu cho quang phổ liên tục có xen kẽ vạch tối gọi vạch Fraunhofer Vạch tối chỗ mà vạch xạ chất nghiên cứu phát Do : “Trong điều kiện xác định, nguyên từ nguyên tố hấp thụ sóng ánh sáng định mà chúng phát điều kiện dé” Định luật Gustave Rober (1824 - L887) Robert Bunsen (1811 - 1899) tim Việc nghiên cứu quang phể phát xa quang phổ hấp thụ thiên thể để tim lý tính chúng việc làm tinh vị, cấn phải theo dõi liên tục để có sỏ xác H.4 } BAC TINH CUA BUC XA VA CO SG CUA PHEP PHAN TICH QUANG PHO Phân tích xa hay nói xác phân tích phổ xạ thiên thể phương pháp quan trọng bắc để tìm hiểu đặc tính vật lý chúng lL BUC XA NHIỆT: Bức xạ, gây kích thích nguyên tử phần tử chất chuyển động nhiệt chúng, gọi xạ nhiệt Các thiên thể nóng sáng đếu xạ nấng lượng ánh sáng theo đủ loại bước sóng thang sóng điện từ Cường độ xạ vùng phổ khác (các khoảng bước sóng điện từ khác nhau) phụ thuộc vào ahiệt độ nguồn xạ Ở nhiệt độ thấp (dưới 1000° K) bứe-xa chủ yếu hồng ngoa vỏ tuyến Phổ xạ thay đổi nhiệt độ thay đổi Ứng với nhiệt độ xác định vật xa mạnh vùng phổ xác định ta thấy vật só màu vùng phổ Chẳng hạn nhiệt độ 3000°K ~ 3000? ta thấy vật có màu đỏ,ở nhiệt độ 4000”K ~ ð0007K ta tháý vật có màu vàng, Song cần biết rằng, phản bố xác lượng dạng cụ thể phổ xạ phụ thuộc vào thành phần cấu tạo hoá học trạng thái vật lý khác đối tượng xa nghiên cứu BỨC XA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI : Vật đen tuyệt đối vật có khả hấp thụ tất lượng tới dạng sóng điện từ Các nhà vật lý rút định luật vẻ xạ nhiệt có dạng đơn giản vất đen tuyệt đối Bức xạ vật đen tuyệt đối có phổ liên tục, cơng suất xạ phụ thuộc vào bước sóng theo cơng thức Plank : ad, : s¿ 1+ = he }XKT 2€ KT (4) 13 Như vùng sóng dài cơng suất xạ tỉ lệ với nhiệt độ Công thức ày ứng dụng nghiên cứu đặc tính xạ vô tuyến vũ tru Từ cỏng thức (3), (3), (4) ta có khả xác định nhiệt độ thiên thể chi biết đại lượng tương ứng (3x, 6, £:) 10 § QUANG PHO VACH VA UNG DUNG CUA NO TRONG THIEN VAN VAT LY Các khí lống trạng thái nóng (chẳng hạn tình vấn dải Ngan hà) xa quang phố vach gốm vạch sáng ứng với bước sóng xác định Sư phán bố vạch số lượng vạch phụ thuộc vào thành phấn cấu tạo hóa học nhiệt độ chất khí khảo sát Thực nghiệm cịn chứng tỏ rằng, ngun tử eó khả phát xạ ứng vớf buớc sóng có khả nắng hấp thụ xa bến ngồi có bước sóng Rã ràng trường hợp chất khí lỗng trang thái nguội nằm đường truyền xạ vật nóng (Chẳng hạn khí sao) ngun tử, phần tử chất khí hấp thụ phần lượng xạ vật nóng tạo thành vạch hấp thụ (Vạch tối) sáng quang phố liên tục vật nóng Trong thiên ván vật lý người ta tận dụng ba loại quang phổ (liên tục, vạch, hấp thụ) Qua quang phố liên tục, người ta suy nhiệt độ thiên thể So sánh quang phổ vach hay quang phổ hấp thụ thiên thể với quang phổ vạch nguyẻn tố hóa học biết, người ta suy thành phần cấu tạo thiên Nếu nghiên cửu kỹ đặc điểm vạch, người ta cịn đốn nhận nhiệt độ , áp suất, mật độ thành phần sấu tao, cường độ từ trường, đối tượng nghiên cứu Trong quang phổ đa số thiên thể, đặc biệt hấu hết thién hà có vạch đậm nét nguyên tố Hydro (4 vạch ký hiệu sau : H, với bước sóng À « 6563A*, H,ạ với À = 4861A°, H, với = 4340A', Hạ với À =4102A”) Ngồi cịn có vạch ngun tố Heii, Natri, Canxi, số hợp chất phán tử đơn giản Bằng nghiên cứu tiết vạch người ta cịn có thé phát mức độ ion hóa nguyên tử vật chất Chẳng hạn, quang phổ Nhật hoa (Mặt trời) có nguyên tử Sắt, Kến, Acgon, Canxi trạng thái ion hóa cao độ (bị 10+15 điện tử) Dưới đầy bảng thống kế số nguyên tử nguyên tố hóa học tổn phổ biến vũ trụ (so với nguyên tố Hydro với qui ước số nguyên tử hydro có ehi s6 1.000.000) N n tố Hydro Heli Carbon Nite Silic HH HIỆU ỨNG 7EEMAN 12 CHƯƠNG : HiỆệU ỨNG DOPPLER ¡1 SỰ DỊCH CHUYỂN DOPPLER CỦA CÁC VẠCH QUANG PHỔ Nam 1842, nha vat ly hoc ngum Ao CHRISTAIN DOPPLER (1803 - 1852) da mo tả vé sư biến đố: số eủa sóng ám mà người quan sát thu có dịch chuyến tương đố: nguồn người quan sát Cụ thể nguồn âm tiến gắn đến người quan sát thi số sóng người quan sát thu tắng lên so với số thực nguồn (Ìà tán số mà người quan sát nguồn đứng yên) Còn nguồn 4m rời xa người quan sát tần số thu giảm di Ta dễ dàng thấy tượng qua tiếng còi hụ xe lửa hay xe cứu thương, Khi chúng xa ta, tiếng còi nghe nhỏ tiến lai gan tiếng cịi nghe lúc to chát Hiện tượng biến đổi gọi hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler khơng cho sóng ảm mà thơi mà cịn cho sóng điện từ, sóng ánh sáng Và Fizeau người trình bày hiệu ứng cho sóng ánh sáng dư đốn ứng dụng vào sác vạch quang phố Điếu só lợi cho Thiên văn học I HIỆU UNG DOPPLER TRONG QUANG HOC : Lt fal| " Giả sử nguồn sángS bát động phát sóng có tan só vo với c " : L Ÿ | | | L@) — Re vận tốc ánh sáng=3.10 mis i, — bước sóng Như sau | gidy sóng truyến từ nguồn S quáng đường e qua điểm À nảo Ì giấy có À nhân phía nguồn e2 sóng qua Do người quan sát đứng yên sóng có số cA, =v, Còn người quan sát dịch chuyển doc theo tia nhìn với vận tốc v: (cịn gọi vận tốc tia) sau giây, nguti tiến gần đến nguồn đoạn ÀAA`' z vẽ thêm :^ ngang qua giấy só song so với trường hợp đứng yên A Như số sóng mà người quan sat thu duoc bay mo v,, iớn trường hợp đứng yên lượng vư/Àa sóng Vv-Vvạ Với Av AV = V, ` dược gọi độ biến thiên tan 36 Va ngu quan sát lùi xa nguồn dễ dàng thấy số sóng người quan sát thu duge luc sé mam lượng: vự - = Ave “Vy ho 17 Như váy, trường hợp có chuyển động tương đối dọc theo tia nhìn người quan sát nguồn, số sóng mà người quan sát sẻ cảm nhận (tấn số biểu kiến› khỏng só thực v nguồn nữa, số tăng (v sát tiến đến gắn nguồn, sở giảm (v Tương tự với bước sóng ta củng có : Voi ARK = Ay - A» + Av) người quan - Av ) người quan AR - ời xa nguồn Xí he C độ biến thiên bước sóng hay cịn gọi độ dịch chuyển Doppler Khi tiến đến gắn nguồn, bước sóng người quan sát thu ngấn đoan 4^ so với bước sóng thực nguồn 3¿ Và ngược lại rời xa nguốn bước sóng thu đài thêm đoạn AA Hiệu ứng Doopler đầy xét đơn giản với trường hợp nguồn bất động người quan sát dịch chuyến dọc theo tia nhìn (dọc theo phương truyến sóng) Trường hợp tống qt xác hơn, cấn phải xét hiệu ứng Doppler Thuyất Tương Đối ngồi độ dịch chuyển dọc theo tia nhìn cịn có độ dịch chuyển ngang nhỏ khó kiếm chứng tính đến vận tốc v gần vận tốc ánh sáng DO DICH CHUYEN DOPPLER CUA CAC VACH PHO : Khi quan sát vạch phổ thiên hà người ta nhận thấy só độ dịch chuyến vạch so với vạch phổ cho nguyên tố tương ứng phán tích qua máy quang phổ người ta liến giả thiết độ dịch chuyến hiệu ứng Doppler gây Độ dịch chuyển vạch phổ tỉ lệ với vận tốc tia vr vận tốc tương đối gmữa thiên hà trái đất, Nếu khoảng cách thiên hà trái đất tang lên (v,> ), cách vạch phố lệch phía đầu đỏ quang phố nhìn thấy Trường hợp ngược lại, khoảng cách giảm (v,< Ơ ) lệch phía đầu xanh (Hình 4) , MOT VAI UNG DUNG CUA HIEU UNG DOPPLER TRONG THIEN VAN VAT LY aang Hiệu ứng Doppler có trí quan trọng Thiên văn học, có nhiéu ting’da dang hiệu : KHẢO SÁT SỰ CHUYỂN DONG CUA CAC THIEN THE : Chẳng hạn ta khảo sát vận tốc quay Trái đất quanh Mặt trời Bằng phương pháp khác học, ta biết vận tốc chuyển động Trái đất quanh Mặt trời vào khoảng 30km/s Các vạch quang phổ nằm hướng chuyển động Trái đất thời điểm quan sát phải dịch chuyển phía sóng ngắn với A^ thoả mãn : Đối với vạch màu ‘to lam Cc i = 5000 A” thi dé dich Doppler AA = 0,5 A° duve xdic định máy quang phổ Ta giá trị ^ 4^ vào đẳng thức trên, thu vận tốc quay Trái đất quanh Mặt trời v = 30 km/s Hiệu ứng Doppler cho phép xác đỉnh quay thiên thể SỰ QUAY CỦA CÁC THIÊN HÀ VÀ CÁC CẤU THỂ Tất thiên hà đếu quay Quả vậy, : ta quan trắc thiên hà theo phương mát phẳng (thẳng góc với trục quay) thấy vật chất mép bờ quay tiến đến gắn ta vật chất mép đối tám quay xa Hiện tượng biểu rõ lên độ dịch chuyển Doppler vạch quang phổ Mặt trời tự quay quanh trục (không vật rấn quay) Bằng cách người ta đo tốc độ xuyên tâm vật chất vùng xích đạo Mặt trời hai rìa đơng rìa tấy Chu kỳ quay vật chất vùng xích đạo 25 ngày Càng xa xích dao chu kỳ quay lớn Ở gần cực chu kỳ quay đến 30 ngày (độ dịch chuyển Doppier giảm xuống 0) Khi khảo sát chuyển động hành tỉnh có máy dày bao phủ người ta có thé bì nhắm chuyển động máy gảy nên Chẳng hạn chuyển động hành tình Thổ Người ta đặt kính quang phổ cho khe chứa toàn hệ (gồm cau vành đai) cho phép rõ ràng tốc độ xuyên tâm biến thiên - Theo chiếu rộng cấu từ trị số ám đến trị số dương từ bo sang bờ theo tuyến tính dự đoán vật thể rấn dang qụay: - Thao chiếu ngoai không tuyến rộng vành đai trái lại tốc độ giảm tính Điều cho thấy rư vành đai hành dấn vé phía bờ tỉnh Thổ mọt cầu thể eứng Độ dịch chuyển vạch phù hợp với định luật tốc độ giảm dán cán bác khoảng cách tới tắm hành tình Thế I9 3} XAC BINH KHOI LUONG CUA MAT TRANG : Be xac dinh khoi luong va dé sau cua nhimg !a phai lập di thương đo báng quý VA BO SAU CUA NHUNG ban đồ dị thương việc quan so di vat Mặt tring thi trước hết trọng lực cho sat nhiều chủ ky ngắn đạo cua vệ tỉnh tư mát đất Gia su trén ve tinh co dat mot may Ủa Khi vệ tình quay mat trang co cua vệ tình quanh vay may khỏi xung quanh mascon khác trắng, nen thu mát đất khỏng Doppier, ta co thẻ tính quý dao thu số Ủø Av nao dé Qua hiệu vận tốc tia cua vé tinh vận tóc tương đối giửa vệ tinh va tram quan trai dat (ve= trắng sẻ có lúc cao, lúc thấp nửa ma biến thiên di lương ứng phat song co tan Mật Avic sat | Op), (Y vi tn | vao thon diém t; van téc ua cua vệ tình Vyi (¥ vit vao Ta co vy chinh ring a thoi e¢2 cach t2 van - Vy2 toc ~= tia cua lay trone lire nhan go munr di cho vé tình Vy Vr} AT 5= la gia tn luc cua De thuenge ™ine diem Nu, duoc » la ve tinh quanh Mắt di vay nhime via tm vat luc binh hire \e = ey Mat Pring ver DI VAT (MASCON) = 1.63 mys” la giả trị lực Mặt trắng Những giả tr va chu ky dài khác Những (H.3) cua cua mascon vé tinh ¢ cho Sung then phep xảy dưng sat kén vor hich thuce Ahi how quank Mat ban |(00km tring & U6 cao dị thương co kha nang cho lam Mat 100km -iHes Bin > oopwe ay thương trạng lực nhế~ 1eì wth treng theo ket * ° Maw ^ !‹ Yatrarge hs 1C nual H.5 » 2( maar) Khi tình toan khối lượng dé sau cua nhimg dị vật, ta xem chúng khối câu (nguồn điểm) dùng phương pháp toan ngược đồ di thương, ta có thẻ lắp Tứ ban dé thi cho bất ky mot khdi di vật ảo muốn tính ————— ¥° +h") G la hang sé hap dan he CGS bang 6.69 von MỊ lạ khỏi w Ta chi fF = lì khỏi quan F cose lương cua vật lượng tam F h GMmar ( - #\" Av) den eh "2 cua vé tình thant phan G.Mon rv nt F; nen hy ự - am ` lị” ` IUỞ mg trắng lệch đương a hay Nhimg gis tn s * 4, SU LUI XA CUA CAC THIEN HÀ : Năm 1914, nhà Thiên vấn học người Mỹ Slipher néu nhận xét mà ơng ta tìm cách giải thích : ảnh sáng màu phát từ tình vân chuyển phía đỏ, chuyển phía xanh, ông đoán nhận ánh sáng màu hướng Trái đất chuyển sang màu xanh, chiếu phía xa Trái đất chuyển sang màu đỏ, theo hiệu ứng Doppler - Fizeau Như vậy, người quan sát ánh sát ánh sáng thiên hà chuyển màu người liên hệ tưởng đổi màu với hiệu ứng Doppler - Fizeau, Slipher Năm 1929, Edwin Hubbie, nhà Thiên văn học người Mỹ dựa giả thuyết Slipher ông thỏng báo quang phổ đa số thiên hà nằm xa xăm rải rác lkhấp bẩu trời bị dịch chuyến phía đỏ Theo hiệu ứng Doppier dé dich chuyển vạch phổ xạ tỉ lệ với tốc độ xuyên tâm thiên hà, độ lùi chiếu theo hướng ngắm người quan sát : Va ACs ZC ( Đặt Z zA^A/2A) (3) À Hoác : Vo = Av.C v Bằng máy quang phổ, người ta đo tốc độ lùi thiên hà cách đo độ địch chuyển vạch vùng phố khả kiến, hổng ngoại đến vạch vô tuyến nghiên cứu thiên thể định cẩn có số liệu liên tục xác Theo Hubble, thiên hà xa ta lùi nhanh nhiêu Tốc độ lùi V thiên hà tỉ lệ với khoảng cách d thiên hà Đó nội dung định luật Hubble V z Hd Với H số Hubble chung cho thiên hà, tức hệ số tỉ lệ vận tốc khoảng cách tính đơn vi km/s.megaparsec (1 megaparsec = 10° parsec = 10 3,2615 nam ánh sáng) Hiện nay, số Hubble chưa có giá trị xác định cịn tranh luận nghiên cứu nhà khoa học để đến giá trị chung Hằng số Hubble biến thiên từ 50 đến 100 tương ứng tuổi vũ trụ nằm khoảng từ 10 tới 30 tỷ nám H lớn vũ trụ cảng nở nhanh tuổi vũ trụ cảng đường nhỏ Thí thẳng dù ahỏm nghiệm thiên cho thấy, đường hà (đường gạch biểu diễn nét) hay V = Ñd) gần thiên hà riêng lẻ (Đường liền nét) đỏ thị sau : bis