BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRUONG DAI HOC SU PHAM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP NIÊN KHÓA 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 hiện
NGUYEN THUY YEN
Trang 2LOI 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
{ 1 Các phố
2 Đặc tính của bức xạ và eơ sở của phép phản tích quang phổ
3 Quang phổ vạch và ứng dụng của nó trong thiên ván vật lý Chương 3: HIỆU ỨNG ZEEMAN
{ 1 Hiệu ứng 2eeman thường
{ 2 Ứng dụng của hiệu ứng Zeeman
Chương 3: HIỆU UNG DOPPLER
{ 1 Sự dịch chuyến Doppler của các vạch quang phố
Trang 3We Dax
Chis van vật lý là ngành Thiên ván chuyên nghiên cứu lý tính của các thiên thể Nó mới được phát triển ở thế kỷ thứ 20 này nhờ có sự phát triển mạnh mẽ cla vat ly hoc va khoa hoc ky thuat hién dai Mét trong những phương pháp nghiên
#ửu quan trọng nhất trong Thiên văn vật lý đó là phương pháp phán tích phổ bức xạ sủa các thiên thể Hầu hết các thông tin từ các thiên thể đến Trái đất đếu được thu nhần dưới dạng quang phổ ánh sáng của nó Trong quá trình quan trấc, người ta nhận thấy rằng phổ của các ngói sao thuộc các thiên hà khác có những thay đổi khác so với
phổ của các ngói sao trong Thiên hà của chúng ta chẳng hạn như :
- Có sự dịch chuyến vé phía đỏ của các vạch phổ
- Sự tách vạch quang phổ thành hai hoặc ba vạch
Khi xét đến hai hiện tượng này thì người ta nghĩ ngay đến sự có mát của hai
hiệu ứng Doppler va Zeeman Cơ sở cho sự suy luận đó là bởi vì do có sự chuyển động
tương đối giữa các thiên thế và do có tác dụng từ trường của chúng làm cho các thông tan khi đến Trái đất só sự thay đổi như vậy Chúng ta sẽ xét cụ thể những nguyên nhân ở những phần sau
Hiéu img Doppler co nhiếu ứng dụng phong phú và đa dạng Qua độ dich chuyến
Doppler của sác vạch phổ, agười ta có thể xác định được vận tốc quay của các thiên thể, đo được tốc độ lùi của các thiên hà, Ngoài ra dựa trên sự dịch chuyến về phía đỏ
sủa các thiên hà, các mó hình về vũ trụ được ra đời : mô hình vũ trụ gián nở, mô hình
vũ tru nóng (Bíg bang) Những giả thuyết này tuy chưa được chứng munh và cũng có
những giả định khác đế bác bỏ chúng Song cho đến nay, những thuyết này vấn còn
giá trì và nhiều hệ quả của chúng có thể kiểm chứng được, còn hiệu ứng 2eeman giúp shung ta có thể xac định được từ trường của các thiên hà thông qua độ tách vạch
yuang phố
Như vậy trước khi đi vào tìm hiểu ứng dụng cúa hai hiệu ứng nay, chung ta can biết qua sáe phương pháp phán tích phổ bức xa của các thiên thế và việc ứng dung
Trang 4PHUONG PHAP PHAM TICH PHỔ BỨC XA € CÁC ỨNG DỤNG
Trang 5$1 CAC PHO
Phan tích phổ của các thiên thể tức người ta đi phần tích quang phổ phát xạ và quang phổ hấp thụ của chúng Như vậy chúng ta sẽ nhớ lại xem đặc điểm và diéu kiện
phát sinh chúng trong quang học như thế nào
1 QUANG PHỔ PHÁT XA : là quang phổ do những vật nóng sáng phát ra bao gỏm:
- Quang phổ liên tục : các vật rắn, lỏng và các chất khí khi bị nung nóng ở áp suất cao đều phát ra ánh sáng cho ta một phổ liên tục gồm những màu nối tiếp nhau Anh sáng trắng cho quang phổ liên tục gốm những dải màu đi từ đỏ đến tím (như màu
cầu vồng) -
- Quang phổ uạch (quang phổ nguyên từ) : các nguyên tử của các khí kém hay hot kém khi bị đốt nóng đểu phát ra ánh sáng Sự phân tích ánh sáng này cho ta một quang phổ gồm những màu riêng lẻ, xen kế những khoảng tối thì gọi là quang phổ vạch Mỗi nguyên tố hóa học đều có quang phổ vạch đặc trưng cho nó (Hình 1)
- Quang phổ đám (quang phổ phân từ) : quang phổ phân tử gồm một số lớn hơn các vạch riêng lẻ nhòe vào nhau thành những đám rõ nét ở một phía và bị lan
rộng ra ở phía khác
2 QUANG PHỔ HẤP THỤ : Nếu ánh sáng trắng từ một nguồn cho quang phổ liên
tục khi truyền qua hơi của các chất cẩn nghiên cứu sẽ cho một quang phổ liên tục có
xen kẽ những vạch tối gọi là vạch Fraunhofer Vạch tối này ở đúng chỗ mà các vạch
bức xạ do hơi của chất nghiên cứu phát ra Do đó : “Trong các điều kiện xác định, những nguyên từ của một nguyên tố hấp thụ những sóng ánh sáng nhất định mà
chúng có thể phát ra trong những điều kiện dé” Định luật này đã được Gustave Rober
(1824 - L887) và Robert Bunsen (1811 - 1899) tim ra
Việc nghiên cứu quang phể phát xa và quang phổ hấp thụ của các thiên thể để
tim ra lý tính của chúng là một việc làm rất tinh vị, cấn phải theo dõi liên tục để có
Trang 7} 2 BAC TINH CUA BUC XA
VA CO SG CUA PHEP PHAN TICH QUANG PHO
Phân tích bức xa hay nói chính xác hơn là phân tích phổ bức xạ của các thiên thể là phương pháp quan trọng bắc nhất để tìm hiểu đặc tính vật lý của chúng
lL BUC XA NHIỆT :
Bức xạ, gây bởi sự kích thích các nguyên tử và phần tử của chất do chuyển động nhiệt của chúng, được gọi là bức xạ nhiệt Các thiên thể nóng sáng đếu bức xạ nấng lượng ánh sáng theo đủ loại bước sóng trong thang sóng điện từ Cường độ bức xạ của
các vùng phổ khác nhau (các khoảng bước sóng điện từ khác nhau) phụ thuộc vào ahiệt độ của nguồn bức xạ Ở nhiệt độ thấp (dưới 1000° K) thì bứe-xa chủ yếu là hồng
ngoa và vỏ tuyến Phổ bức xạ sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi
Ứng với một nhiệt độ xác định thì vật bức xa mạnh nhất ở vùng phổ xác định và ta thấy vật só màu của vùng phổ ấy Chẳng hạn ở nhiệt độ 3000°K ~ 3000? ta
thấy vật có màu đỏ,ở nhiệt độ 4000”K ~ ð0007K ta tháý vật có màu vàng, Song cũng
cần biết rằng, sự phản bố chính xác về năng lượng và dạng cụ thể của phổ bức xạ còn
phụ thuộc vào thành phần cấu tạo hoá học và các trạng thái vật lý khác của đối tượng
bức xa đang được nghiên cứu
2 BỨC XA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI :
Vật đen tuyệt đối là vật có khả năng hấp thụ tất cả năng lượng tới nó dưới dạng
sóng điện từ
Các nhà vật lý đã rút ra những định luật vẻ bức xạ nhiệt có dạng khá đơn giản của vất đen tuyệt đối Bức xạ của một vật đen tuyệt đối có phổ liên tục, trong đó công
suất bức xạ phụ thuộc vào bước sóng theo công thức Plank :
ad, <= 22hC* 1 đụ (1)
1s h.e
at 1
Công suất bức xạ s, được xác đỉnh qua tích số (z.dA) là năng lượng bức xạ của im” bé mat của vát theo mọi phương trong 1 giấy và trong khoảng phố có bước sóng
từ À đến › + dà Nếu đem chia (1) cho œ thì ta được độ chói của mặt vật bức xạ
Sự phán bố năng lượng trong phổ bức xạ của vật đen tuyệt đối mỏ tả theo cỏng
Trang 8— if “sé | / / ‘ / g / \ " 5} \ - ơ 3 Ơ Đ tt v 2 $s tr ste" ơ ‘ S2 lar da | 1200 mu - t80U M6 00008 đó ár sang TT
[Tie be máng Điớc trơn cgiớng pyi Mặt Tree (abet citer rare}
sac dua kg kiw 1ax: cô 1huậc Steg
H 2
Ta thấy rằng mỗi đường cong Plank có cực đại ứng với bước sóng xác đính Wien
đã rút ra được định luật sau : Nhiệt độ càng cao thi cực đại của bức xạ vật đen tuyệt
đối càng dịch về phía sóng ngấn của phổ bức xạ Định luật này được gọi là định luật Wien và được biểu điển qua công thức :
Tab (2)
Trong đó b là hằng sé Wien = 2,9.10~m.d6
Khi nhiệt độ tăng thì chẳng những màu của nó thay đổi mà công suất bức xạ của nó cũng thay đối Stéfan và BoÌtzmann đã rút ra được định luật sau : Công suất bức xạ
của rnột vật đen lý tưởng tỉ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ của nó :
e=0.T* (3)
Trong đó s là công suất bức xạ, z là hằng số Stéfan Boltsmann o = 5,67.10°°
J/m” độ“
Chú ý thêm rằng từ điểm cực đại trên sác đường cong Plank thì khả náng bức xạ gam theo 3 phía với nhịp độ khác nhau Về phía sóng dài (phía phải) có mức giảm rất chậm, đặc điểm này được phản ánh rõ trong công thức Plank, vì khi bước sóng 3 lớn thì : h.c X KT e > 1+ he }XKT và công thức (1) có dạng : s¿ = 2€ KT (4) 13
Như vậy trong vùng sóng dài thì công suất bức xạ tỉ lệ với nhiệt độ Công thức ày được ứng dụng khi nghiên cứu đặc tính của các bức xạ vô tuyến vũ tru
Từ các cỏng thức (3), (3), (4) ta có khả năng xác định nhiệt độ của các thiên thể chi biết những đại lượng tương ứng (3x, 6, £:)
Trang 9§ 3 QUANG PHO VACH
VA UNG DUNG CUA NO TRONG THIEN VAN VAT LY
Các khí loáng ở trạng thái nóng (chẳng hạn như các tình vấn trong dải Ngan
hà) bức xa quang phố vach gốm những vạch sáng ứng với các bước sóng xác định Sư phán bố các vạch và số lượng các vạch phụ thuộc vào thành phấn cấu tạo hóa học và nhiệt độ chất khí được khảo sát Thực nghiệm còn chứng tỏ rằng, nguyên tử nào đó eó khả năng phát xạ ứng vớf buớc sóng nào đó thì cũng có khả nắng hấp thụ bức xa bến ngoài có cùng bước sóng ấy Rã ràng trong trường hợp chất khí loãng
ở trang thái nguội nằm trên đường truyền bức xạ của một vật nóng (Chẳng hạn như
khí quyển của các sao) thì các nguyên tử, phần tử của chất khí này hấp thụ một phần năng lượng bức xạ của vật nóng tạo thành những vạch hấp thụ (Vạch tối) trên nền sáng của quang phố liên tục của vật nóng
Trong thiên ván vật lý người ta tận dụng cả ba loại quang phổ trên (liên tục,
vạch, hấp thụ)
Qua quang phố liên tục, người ta suy ra nhiệt độ của thiên thể So sánh quang phổ vach hay quang phổ hấp thụ của một thiên thể với quang phổ vạch của nguyẻn tố hóa học đã biết, người ta suy ra thành phần cấu tạo của thiên thế Nếu nghiên cửu kỹ
hơn đặc điểm của các vạch, người ta còn có thể đoán nhận về nhiệt độ , áp suất, mật
độ của các thành phần sấu tao, cường độ từ trường, của đối tượng nghiên cứu
Trong quang phổ của đa số thiên thể, đặc biệt của hấu hết các thién hà có những vạch đậm nét của nguyên tố Hydro (4 vạch được ký hiệu như sau : H, với bước
sóng À « 6563A*, H,ạ với À = 4861A°, H, với 2 = 4340A', Hạ với À =4102A”) Ngoài ra
còn có các vạch của nguyên tố Heii, Natri, Canxi, và của một số hợp chất phán tử
đơn giản
Bằng nghiên cứu chỉ tiết các vạch người ta còn có thé phát hiện mức độ ion hóa của
các nguyên tử vật chất Chẳng hạn, trong quang phổ của Nhật hoa (Mặt trời) có các nguyên tử Sắt, Kến, Acgon, Canxi ở trạng thái ion hóa cao độ (bị mất 10+15 điện tử)
Trang 10HIỆU ỨNG 7EEMAN
Trang 11§1 HIEU UNG ZEEMAN THUONG
Hiệu ứng Zeeman thường là hiện tượng tách mức năng lượng ( và do đó có tách
vạch quang phố) ra thành những thành phần kh: đặt nguyên tử vào trong từ trường
1 TACH MUC NANG LUONG :
Do tương tác từ, nguyên tử trong từ trường thu vào náng lượng phụ, lượng tử hóa
theo m
AE xz - muaH (1)
Trongdé6u = ef = ah (2)
2m,.C 4x m,C
H là cường độ từ trường mà nguyên tử được đặt vào
Vì m nhản (3l+l) giá trị nên từ một mức năng lượng ban đầu trong từ trường sẽ tách làm (3l+1) mức cách nhau một khoảng : Emi Ems = Holl 2 SỰ TÁCH VẠCH QUANG PHỔ : Giả sử khi lkhông có từ trường vạch quang phổ là : vo = E, - Ey (3) h
Khi đặt nguyên tử vào từ trường, thì nguyên tử thu được năng lượng phụ AE Do đó, tấn số thay đổi đi một lượng Av
Trang 12Ta cỏ : ARK = har hy = C C z C(u;-0))
AK = C (m,-m)) 1 H
ue 4nC m,
AR = (m)-m) 1 @ H (7)
Trong cơ học lượng tử thì Am chỉ có thé lay duce nhing gid tri Am = 0, + 1, tite
có 3 giá trị nén Av hay AA cũng có 3 giá trị tương ứng
Trang 13} 2 UNG DUNG CUA HIEU UNG ZEEMAN - Xác định tư trường :
Vạch quang phổ bức xạ của các nguyên tử tốn tại trong từ trường bị tách ra một số vạch Nếu đường cảm ứng từ nằm song song với tra nhìn, thì vạch quang phổ bị tách ra làm đôi và ánh sáng trong mỗi vạch bị phần cực tròn theo chiếu ngược nhau Nếu đường cảm ứng nằm ngang thẳng góc với tia nhìn, thi vạch bị tách ra làm 3 và ánh sáng bị phán cực thắng 5 9 i [| ` ER
Lý thuyết và thực nghiệm cho thay, khodng tach giffa caic vach (AA )ti 16 vdi
cường độ từ trưởng H Như vậy, ta có thể xác định được cường độ từ trường và phương
của các đường cảm ứng từ sủa các thiên thể thông qua việc quan sát số vạch và
khoảng cách 4^ giữa chúng Kết quả quan sát chứng tỏ rằng, ở hấu hết các thiên thể đều có từ trường Hình 3 là quang phổ của vết đen mặt trời cho thấy sự có mặt của
từ trường mạnh khoảng 1000 oersted ~ ` Ì Stvbest 'ttvása + ca*Snessow Trương “xa 1 Nnn 7 “DUON (J)MM@N “2 19809 (90w
_~ ` ` “ote 4 te weer Oo
wes see8 271004094 6 20661029444 + Kee
H 3 TC CC ‹-/CÝYN 46/0 Hf9wøw 2062094 teres
Trang 14
CHƯƠNG 3 :
Trang 15¡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: trong tấn số eủa sóng ám mà người quan sát thu được khi có sự dịch
chuyến tương đố: giữa nguồn và người quan sát Cụ thể là khi nguồn âm tiến gắn đến người quan sát thi tấn số sóng người quan sát thu được sẽ tắng lên so với tấn số thực của nguồn (Ìà tán số mà người quan sát và nguồn đều đứng yên) Còn khi nguồn 4m rời xa người quan sát thì tần số thu được sẽ giảm di Ta sẽ dễ dàng thấy được hiện tượng này qua tiếng còi hụ của xe lửa hay xe cứu thương, Khi chúng còn ở xa ta, tiếng còi nghe nhỏ và khi càng tiến lai gan thì tiếng còi nghe càng lúc to và chát Hiện tượng biến đổi này được gọi là hiệu ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler không chỉ đúng cho sóng ảm mà thôi mà còn đúng cho cả sóng điện từ, sóng ánh sáng Và Fizeau là người đầu tiên trình bày hiệu ứng này cho sóng ánh sáng và dư đoán ứng dụng vào sác vạch quang phố Điếu đó mới là só lợi cho Thiên văn học I HIỆU UNG DOPPLER TRONG QUANG HOC : Lt fal | 2 Giả sử nguồn sáng S | " : L Ÿ | L@) bát động phát ra sóng có | — tan só vo 2 6 " Re 3 với c là vận tốc ánh sáng=3.10 mis i, — là bước sóng
Như vậy sau | gidy sóng truyến từ nguồn S đi được một quáng đường là e và qua một điểm À nảo đó Ì giấy có e2 sóng đi qua Do đó nếu người quan sát đứng yên ở À thì sẽ nhân được sóng có tấn số cA, =v, Còn nếu người quan sát dịch chuyển về phía nguồn doc theo tia nhìn với vận tốc v: (còn gọi là vận tốc tia) thì sau một giây, nguti nay tiến gần đến nguồn một đoạn ÀAA`' z vẽ và ngang qua anh ta mỗi giấy só
thêm 4 :^ song so với trường hợp đứng yên ở A Như vậy tấn số sóng mà người quan sat thu duoc bay mo v,, sẽ iớn hơn trường hợp đứng yên một lượng vư/Àa sóng
Vv-Vvạ 2 AV = V,
`
Với Av dược gọi là độ biến thiên tan 36
Va khi ngu quan sát lùi xa nguồn thì dễ dàng thấy rằng số sóng người quan sát thu duge luc nay sé mam đi một lượng: vự - và = Ave “Vy
ho
Trang 16Như váy, trong trường hợp có chuyển động tương đối dọc theo tia nhìn giữa người quan sát và nguồn, thì tấn số sóng mà người quan sát sẻ cảm nhận được (tấn số biểu
kiến › khỏng con là tấn só thực v của nguồn nữa, tấn số tăng (v + Av) khi người quan
sát tiến đến gắn nguồn, và tấn sở sẽ giảm (v - Av ) khi người quan sất ời xa nguồn
Tương tự với bước sóng ta củng có : AR - Xí
he C
Voi ARK = Ay - A» là độ biến thiên bước sóng hay còn gọi là độ dịch chuyển Doppler Khi tiến đến gắn nguồn, bước sóng người quan sát thu được như ngấn đi một
đoan 4^ so với bước sóng thực của nguồn 3¿ Và ngược lại khi rời xa nguốn bước sóng thu được như đài ra thêm một đoạn AA
Hiệu ứng Doopler trên đầy chúng ta đã xét đơn giản đi với trường hợp nguồn bất
động và người quan sát dịch chuyến dọc theo tia nhìn (dọc theo phương truyến sóng)
Trường hợp tống quát và chính xác hơn, thì chúng ta cấn phải xét hiệu ứng Doppler trong Thuyất Tương Đối vì ngoài độ dịch chuyển dọc theo tia nhìn còn có độ dịch chuyển ngang rất nhỏ và khó kiếm chứng và chỉ được tính đến khi vận tốc v gần bằng vận tốc ánh sáng
2 DO DICH CHUYEN DOPPLER CUA CAC VACH PHO :
Khi quan sát các vạch phổ của các thiên hà người ta nhận thấy só độ dịch chuyến của các vạch so với vạch phổ cho bởi nguyên tố tương ứng được phán tích qua máy quang phổ thì người ta liến giả thiết ngay rằng độ dịch chuyến này là do hiệu ứng Doppler gây ra Độ dịch chuyển của các vạch phổ tỉ lệ với vận tốc tia vr là vận tốc tương đối gmữa thiên hà và trái đất, Nếu khoảng cách giữa thiên hà và trái đất tang
Trang 17, 2 MOT VAI UNG DUNG CUA HIEU UNG DOPPLER
TRONG THIEN VAN VAT LY
aang
Hiệu ứng Doppler có một vì trí quan trọng trong Thiên văn học, có nhiéu ting’da dang và hiệu quả :
1 KHẢO SÁT SỰ CHUYỂN DONG CUA CAC THIEN THE :
Chẳng hạn ta khảo sát vận tốc quay của Trái đất quanh Mặt trời Bằng các phương pháp khác đã học, ta đã biết vận tốc chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời
vào khoảng 30km/s Các vạch quang phổ của các sao nằm trên hướng chuyển động của Trái đất ở thời điểm quan sát phải dịch chuyển về phía sóng ngắn với A^ thoả mãn :
‘to Cc
Đối với vạch màu lam i = 5000 A” thi dé dich Doppler AA = 0,5 A° duve xdic
định bằng máy quang phổ Ta thế giá trị ^ và 4^ vào đẳng thức trên, sẽ thu được vận
tốc quay của Trái đất quanh Mặt trời là v = 30 km/s
Hiệu ứng Doppler còn cho phép chúng ta xác đỉnh về sự quay của các thiên thể
2 SỰ QUAY CỦA CÁC THIÊN HÀ VÀ CÁC CẤU THỂ :
Tất cả các thiên hà đếu quay Quả vậy, nếu ta quan trắc một thiên hà theo
phương mát phẳng chính của nó (thẳng góc với trục quay) thì thấy vật chất ở một
mép bờ của nó quay tiến đến gắn ta và vật chất ở mép đối tám quay ra xa Hiện tượng
này biểu hiện rõ lên độ dịch chuyển Doppler của các vạch quang phổ
Mặt trời tự quay quanh một trục (không như một vật rấn quay) Bằng cách người
ta đo tốc độ xuyên tâm của vật chất ở vùng xích đạo của Mặt trời tại hai rìa đông và
rìa tấy Chu kỳ quay của vật chất ở vùng xích đạo là 25 ngày Càng xa xích dao chu kỳ quay càng lớn Ở gần cực chu kỳ quay đến 30 ngày (độ dịch chuyển Doppier giảm xuống bằng 0)
Khi khảo sát chuyển động của các hành tỉnh có máy dày bao phủ thì người ta có thé bì nhắm do chính chuyển động của máy gảy nên Chẳng hạn chuyển động của
hành tình Thổ Người ta đặt kính quang phổ sao cho khe chứa toàn bộ hệ (gồm cau thế và vành đai) cho phép chỉ rõ ràng tốc độ xuyên tâm biến thiên
- Theo chiếu rộng của cấu thế từ một trị số ám đến một trị số dương và đi từ
bo nay sang bờ kia theo tuyến tính như đã dự đoán đối với một vật thể rấn dang
qụay:
- Thao chiếu rộng của vành đai thì trái lại tốc độ giảm dấn vé phía các bờ ngoai không tuyến tính Điều đó cho thấy rö vành đai của hành tỉnh Thổ không phải
là mọt cầu thể eứng Độ dịch chuyển của các vạch phù hợp với định luật tốc độ giảm dán như cán bác 3 của khoảng cách tới tắm của hành tình Thế
Trang 183} XAC BINH KHOI LUONG VA BO SAU CUA NHUNG DI VAT (MASCON) CUA MAT TRANG :
Be xac dinh khoi luong va dé sau cua nhimg di vat trên Mặt tring thi trước hết
ngươi !a phai lập được một ban đồ dị thương trọng lực cho Mặt trắng Những giả tr di thương được đo báng việc quan sat nhiều chủ ky ngắn va chu ky dài khác nhau trong
quý đạo cua vệ tỉnh tư mát đất
Gia su trén ve tinh co dat mot may phat song co tan so Ủa Khi vệ tình quay xung quanh Mật trắng, do trên mat trang co những khỏi mascon khác nhau nen quý dao cua vệ tình quanh mất trắng sẻ có lúc cao, lúc thấp và vì
vay may thu trên mát đất sẽ khỏng thu được tấn số Ủø nửa ma sẽ biến thiên di một lương Av nao dé Qua hiệu ứng Doppier, ta co thẻ tính được vận tốc tia cua vé tinh lá vận tóc tương đối giửa vệ tinh va tram quan sat trên
trai dat (ve= Avic | Op),
(Y vi tn | vao thon diém t; van téc ua cua vệ tình là Vyi
(¥ vit 2 vao thoi diem t2 van toc tia cua vé tình là Vy
Nu, - Vy2 ~= Vr}
AT 5=
vy chinh la gia tn trong luc cua ve tinh quanh Mắt
Ta co e¢2
ring De thuenge trone lire nhan duoc do nhime di vat vay a ™ine cach lay go munr di cho » la via tm trong luc binh
hire
\e = ey ver 9 = 1.63 mys” la giả trị trong lực trên
Trang 19Những gis tn cua ¢ cho phep xảy dưng được ban do dị thương cho Mat trắng (H.3) Nhimg mascon Sung sat kén vor hich thuce |(00km co kha nang lam lệch đương hay cua vé tinh then Ahi how quank Mat tring & U6 cao 100km -iHes a Bin > oopwe ay thương trạng lực nhế~ 1eì wth treng theo ket * ° ^ Maw !‹ Yatrarge hs 1C nual H.5 Khi tình toan khối lượng và dé sau cua nhimg
dị vật, ngươi ta xem chúng là những khối câu (nguồn
điểm) và dùng phương pháp bài toan ngược
Tứ ban đồ di thương, ta có thẻ lắp được một
dé thi cho bất ky mot khdi di vật ảo muốn tính
độ sảu va khối lượng cua no Đỏ thì sẽ có dang —————<= x đối xứng như trong hinh vẽ
Chon hé trục toa đỏ Descartes co góc O nắm œzr miệng hó, truc z hương theo độ sảu, trúc x [a toa đỏ tính theo (Km) của vẻ tỉnh quanh Mặt trắng 7M, M G me G des Ta co : F = = r” {1° > ¥° +h")
von G la hang sé hap dan trong he CGS bang 6.69
MỊ lạ khỏi lương cua đi vật w lì khỏi lượng cua vé tình
Trang 204, SU LUI XA CUA CAC THIEN HÀ :
Năm 1914, nhà Thiên vấn học người Mỹ Slipher đã néu ra một nhận xét mà ông ta tìm cách giải thích : ảnh sáng màu phát ra từ các tình vân khi thì chuyển về phía đỏ, khi thì chuyển về phía xanh, và ơng đốn nhận khi ánh sáng màu hướng về Trái đất thì nó chuyển sang màu xanh, và khi chiếu về phía xa Trái đất thì nó chuyển sang màu đỏ, theo đúng hiệu ứng Doppler - Fizeau Như vậy, người đầu tiên quan sát ánh sát ánh sáng thiên hà chuyển màu và cũng là người đầu tiên liên hệ hiện tưởng
đổi màu với hiệu ứng Doppler - Fizeau, đó là Slipher
Năm 1929, Edwin Hubbie, nhà Thiên văn học người Mỹ đã dựa trên giả thuyết
của Slipher và ông thỏng báo rằng quang phổ của đa số các thiên hà nằm xa xăm rải
rác lkhấp bẩu trời bị dịch chuyến về phía đỏ Theo hiệu ứng Doppier thì dé dich chuyển của các vạch phổ bức xạ tỉ lệ với tốc độ xuyên tâm của những thiên hà, tức là tốc độ lùi chiếu theo hướng ngắm của người quan sát : Va ACs ZC ( Đặt Z zA^A/2A) (3) À Hoác : Vo = Av.C v
Bằng máy quang phổ, người ta có thể đo được tốc độ lùi của các thiên hà bằng cách đo độ địch chuyển của bất kỳ vạch nào trong vùng phố khả kiến, hổng ngoại đến
vạch vô tuyến khi nghiên cứu một thiên thể nhất định và cẩn có những số liệu liên
tục và chính xác
Theo Hubble, các thiên hà càng xa ta bao nhiêu thì càng lùi nhanh bấy nhiêu
Tốc độ lùi V của thiên hà tỉ lệ với khoảng cách d giữa thiên hà và chúng ta Đó là nội
dung của định luật Hubble
V z Hd
Với H là hằng số Hubble chung cho các thiên hà, tức là hệ số tỉ lệ giữa vận tốc và khoảng cách tính bằng đơn vi km/s.megaparsec (1 megaparsec = 10° parsec = 10
.3,2615 nam ánh sáng) Hiện nay, hằng số Hubble chưa có một giá trị xác định và còn
đang trong sự tranh luận và nghiên cứu của các nhà khoa học để đi đến một giá trị chung duy nhất Hằng số Hubble biến thiên từ 50 đến 100 và tương ứng tuổi vũ trụ
nằm trong khoảng từ 10 tới 30 tỷ nám H càng lớn thì vũ trụ cảng nở nhanh và tuổi
vũ trụ cảng nhỏ Thí nghiệm cho thấy, đường biểu diễn V = Ñd) gần như là một đường thẳng dù ahỏm thiên hà (đường gạch nét) hay các thiên hà riêng lẻ (Đường
liền nét) trong đỏ thị sau :
Trang 21> Phin ta riéng 1£
& Dhom Thien Ae
` 1086 AC pansce )
Định luật Hubble cho phép xác định khoảng cách từ chúng ta cho tới các thiên hả một cách đế dàng, nếu như biết được giá trị của hằng số Hubble chính xác chung cho các thiên hà Bởi vậy cho đến nay, hằng số H vấn chưa xác định được đếu bất nguén từ những lchó khăn trong việc đo các khoảng cách trong vũ trụ Trong phương
trinh : V z H.d thì V dễ dàng do được qua máy quang phố Chừng nào mà ta đo được d
với độ chính xác và chắc chấn như đối với V thì sẽ có được giá trị đích thực của H và
lúc đó các cuộc tranh luận sẻ khép lại Ta có công thức tính khoảng cách d như sau :
d= V=ZC (4)
H H
Công thức tính cấp sao tuyệt đối M liên hệ với cdp sao tuong déi m va khodng
cách d của các sao đến trái đất :
M = mm + 5 + õ lgd (5)
Thay (4) vào (5) ta được :
M= m+5+5 lgZC - 5 lgH (6)
(8) chính là sóng thức liên hệ giữa cấp sao (độ sáng) của thiên hà với độ dịch chuyén Doppler cia no Cấp sao tương đối được xác định qua dé roi
Trang 22CHUONG 4:
Trang 23CY, tru hoe, tức là ngành vát lý thiên vân nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hóa
sủa vũ trụ Mụe tiêu của nó là tìm kiếm mỏ hình vật chất trong không gian mà con người đã nhìn được (Bán kính khoảng một chục tỉ năm ánh sáng và được gọi là Đại thiên ha)
Cho đến nay, đa số các mỏ hình vũ trụ đếu được xảy dựng trên cơ sở của thuyết
Einsten (Thuyết tương đối rộng) và những hiện tượng thiên ván đã biết, đặc biệt là hiện tượng lệch vé đỏ của các vạch phổ bức xa của các thiên hà
¡ 1 MƠ HÌNH VŨ TRỤ ĐỒNG NHẤT VÀ ĐẲNG HƯỚNG
Theo thuyết tương đối rộng của Einstein, thì sự có mất của một khối lượng lớn của một vất nào đó, ảnh hưởng đến tính chất của không gian và thời gian Những tính chất của khóng gan thỏng thường (Không gian Euelide) bao quanh một khối lượng lớn bị thay đổi, eụ thế là không gian bị “song” đi Độ cong này của không gian bao quanh từng thiên thế nẻng lẻ (như quanh các sao) rất nhỏ Song dưới tác dụng hấp dẫn của tất cả sác thiên thể khác trong Đại thiên hà thì rất lớn và do đó ảnh hưởng đến sự tiến hóa
sủa vũ trụ
Việc xác định tính chất của không gian và thời gian (Trên cơ sở của thuyết tương đối) trong trường hợp sự phân bố của khối lượng vật chất tùy ý là rất phức tạp Để đơn giản, người ta xáy dựng mỏ hình vũ trụ với giả thiết là vật chất trong vũ trụ được phản
bố đều, tức là không gian đống nhất và đẳng hướng Các rnô hình này được gọi là mô
hình “Vũ trụ đống nhất và đẳng hướng”
Theo thuyết tương đối rộng, thì độ cong của không gian phụ thuộc vào trị trung
bình của mật độ vật chất Nấu mát độ nhỏ hơn trị tới hạn nào đó thì độ cong âm, bằng gia tri tới hạn thì độ cong bằng không, lớn hơn giá trì tới hạn thì độ cong đương
Giá trị trung bình tới hạn của mát độ vát chất trong vũ trụ được biếu diễn qua hằng số Hubble H và hằng số van vat hấp dẫn G theo biểu thức :
os = 3H?
8xG
-20
Voi H = 100km/s megaparsec thi 8y =2 10 giem’
Trang 24Tuy nhiên vẫn có những nhà khoa học hoài nghị về mô hình vũ trụ đồng nhất và dang hướng Trước hết là giá trị pạ, bằng cách nào mà biết được toàn bộ vật chất chứa
trong vi tru ”
Hơn nữa, nếu đúng bảy giờ là đang giãn thì ở thời kỳ trước kia mật độ vật chat phải lớn hơn, lúc dé dé cong là dương, vũ tru ở trang thai co Từ trạng thái co chuyển sang trạng thái giãn như thé nào ° Những hoài nghị hay những ý kiến bác bỏ là điếu tất nhiên phải có vì mô hình vũ trụ đồng nhất và đẳng hướng cũng chỉ là những giả thuyết được xảy dưng trên sự hiểu biết và trên những lập luận logic của các nhà khoa học về vũ trụ này mà chúng lại chưa có những mình chứng cụ thé
{ 2 VŨ TRỤ GIÃN NỞ
Mấy thế kỷ trước đây, người ta vấn cho rằng vũ trụ là tĩnh và vỏ tận Nhưng điều
nay lai mau thudn va trái với quan niệm lực hấp dẫn luỏn là lực hút mà Newton da dua ra Thuyết “Vũ trụ mãn nở” là một lý thuyết thiên văn lý thú nhất duge néu ra ở thế kỷ
này
Năm 1922, nha vat lý học người Nga ở Leningrat là A Friedmann đã chứng minh rằng, các phương trinh của Einstein cũng chấp nhận nhiếu mỏ hình không dừng, đồng
thời cả những mỏ hình đang giãn nở và eo lại, đồng nhất và đắng hướng.Về sau, người
ta đã phát hiện : mó hình của Einstein nhất định sẽ chuyển thành mô hình không
dừng, điểu đó có nghĩa là vủ trụ đống nhất và đẳng hướng thì phải nhất thiết giãn nở
hoặc co lại
Theo sau Friedmann, Hubble đã ching minh rang : cdc thiên hà càng ở xa ta thì các vạch trong quang phổ ánh sáng của nó càng bị dịch chuyển nhiều về phía đổ tuần theo hiệu ứng Doppier Như vậy tất cả các thiên hà đang tách ra xa nhau và thiên hà nào càng xa thì chuyển động càng nhanh (H.6) Các nhà thiên vấn và vũ trụ học đã đi đến kết luận là vũ trụ đang giãn nở ra Tất nhiên, không ai cho rằng, Thiên hà của chúng ta (Ngản hà) là trung tắm của vũ trụ và rằng các thiên hà đang chạy ra xa chúng ta Nếu chúng ta có thể mang trái đất đến một thiên hà xa xói nào khác, vá từ đó nhìn lên báu trời thì ta tháy đường như thiên hà mới của chúng ta không chuyến động, còn
tát ea những thiên hà khác trong đó có cả Ngắn hà đang chạy vun vut ra xa
Trang 25
{
|
H.6 Sor 46 gin nở của Đai thiến ha Su dịch chuyển về phía đổ của cae vack quang phỏ tầng lên theo khoảng cách
Để hình dung sự nở rộng này, chúng ta hãy hình dung một quả bong bóng, trên đó
só đánh dấu các điểm Nếu đem bơm phỏng nó lên thì bất kỳ điểm nào cũng bất đầu rời xa dấn tất cả các điểm khác, còn mặt quả bong bóng thì cáng ra Theo lý thuyết vũ trụ
học hiện đại thì “Bộ khung” của vũ trụ chúng ta đang nở ra
Có những cụm thiên hà tích tụ lại với nhau và chuyển động thành từng nhóm Chúng liên kết với nhau bằng lực hấp dẫn, có lẽ trong giới hạn khoảng vài chục triệu parsec các lực hấp dẫn lớn hơn các lực gây ra sự nở Nhưng ở khoảng cách hàng tỷ parsec thì sự nở lại chiếm ưu thế
Một vấn đế được đặt ra rằng : vũ trụ này sẽ giãn nở mái mái hoặc sẽ ngừng giãn nở rồi lại eo lại? Để trả lời được cầu hỏi này thì cấn phải biết tốc độ giãn nở và mát độ vật chất của vũ trụ hiện nay Nấu mật độ nhỏ hơn một giá trị tới hạn nào đó, thì lực hấp dắn không côn đủ mạnh để làm dừng quá trình giấn nở Còn ngược lại thì lực hấp dẫn sẻ đủ mạnh làm quá trình giãn nở đừng và eo lại Tốc độ giãn nở có thể đo được
chính xác nhờ hiệu ứng Doppler thể hiện ở độ dịch chuyển của các vạch trong quang phổ ảnh sáng phát ra từ các thiên hà, Nhưng tiếc thay, mật độ vật chất vũ trụ lại là một đại
lượng bát đỉnh khá lớn Nếu cộng khối lượng của tất cả các thiên hà mà chúng ta đã
biết cùng vơi tất eä các khỏi lượng vật chất khác có thể suy diễn được thi cing chi mới 1/1Ô khỏi lượng cán thiết đế hảm sự giấn nở lại Do đó, hiện nay người ta tin rang vũ tru sé gián nở vĩnh viền, hoác nêéu có eo lại đi nữa thì cũng phải ít nhất 10 ti năm nửa !
Trang 26Mat cau tra [ar khae cho van để được nẻu trên là quá trình giản nở của vũ trụ có
qhứng thay đói Ngướt ta cho rắng qua trình man sơ cảng tiếp diễn nhanh thì lực hap
dan sang yeu di, con lve ấy giữa các vat thé vi tru càng mạnh lên Và đến một thời kỳ nao dé «e0 thé xay ra mọt trường hợp - lực háp dắn được cán bằng với lực đấy, sau đó lại
nho hơn lực đấy va đến lúc nay quá trình giản nơ đang bì cham la: hién duce thay the bảng qua trình giản nở nhanh dán Giá sử rằng, vũ tru của chúng ta đã trải qua các chang dưỡng như vay, va chúng ta hiện đang sóng trong thời kỳ giần nở nhanh Nhưng
điêu đó eó nghĩa là, trong quá khử gán đầy, sư giăn nở đã diễn ra chậm hơn
Dù sao đi nữa, thuyết “Vũ trụ giản nở" hiện nay vấn còn có giá trì của nó tuy khong dược thưa nhán nhát trí mót cách hoàn toàn Những giả định bác bỏ hiệu ứng
Öoppler của sư dịch chuyển về phía đỏ trong quang phổ của các thiên hà vẫn còn tiếp diễn cho đến agày nay Mà một trong những giả định phổ biến nhất là người ta cho ràng sự dịch chuyến vé phia đỏ của các vạch quang phố khỏng phải là do sự tách xa nhau của eäe thiên hà mà do sự “già coi” cla các phỏton, về sư “thoái hoá” dần dần của
chung va vé su giảm dán năng lượng của chúng (tức là sư táng bước sóng ' trên quãng đường dài qua khong gian vũ tru
Như váy phải nhớơ đến kết quả quan sát thiên ván mới có thể giải quyết dứt khóat
suộc tranh cái giữa hiệu ứng Doppler và hiệu ứng “thoái hoá”, Việc nghiên cứu các quaza sung sáp một lý lề rất quan trong để bẻnh vực thuyết vũ tru man nở Chúng được đặc
trưng bởi những độ dịch chuyển vé phía đỏ lớn hơn nhiếu số với các dịch chuyển của các thiên hà Các quaza côn là một bằng chứng độc lấp giúp chúng ta khẳng định vũ trụ
hồn tồn khơng phải tĩnh
{ 3 MƠ HÌNH VŨ TRỤ NÓNG - BIG BANG (nguồn gốc vũ trụ)
Kết quá quan sát của Hubble : tất cả các thiên hà đếu tách xa nhau đã hướng dẫn
sác nhà thiên vận đưa ra ma thuyét vi tru man nở Và vũ trụ này nở ra bất đầu từ lúc nao? Do nguyén nhán gi ” da khiến cho thuyết “Vụ nổ lớn” (Bíg Bang) được ra đời
Các nhà thiên vấn học đã suy nghĩ rắng - các thiên hà đang rời xa nhau, thé thi di ngược ve qua &hư, shụng tát phải ở tương đối gắn nhau và càng ngược vẽ quá khử chủng cang gan sat nhau hon Tat ca vat chat trong vi tru nay chia dung trong 1 vat thé nho fic chat duy nhat là “Nguyên tử nguyên thủy” theo cách gọi của nhà vủ trụ học ngưới BÌ lunh muc Lemaitre 1894 - 1966) người đấu tiên dua ra ma thuyét nguồn góc vũ trụ Nguyên +ứ nguyên thủy này chứa toàn bộ cde sao va sác thién ha, và né da né tung trong mot vi boe phat khong gi co the tranh duce va suối cùng tạo ra vi tru ngay nay
ta chung La biết dược, Qua tranh giần no vi tru là két quả cua sự bùng nó nay ma co lê
Trang 27† 9 } 9 3 ` ma” N s5 Z Ng OM —c 5 13» - * — de 810 ee Pa > < | ¬_ : a" 1 LT @ \ Jot è ` eS 1
Sự tiến triển của vũ trụ
Nam 1948, G Gamov, nha vat ly người Nga - quốc tịch Mỹ, đã bổ sung cho thuyết của Lemaitre được thêm eh: tiết chính xáe hơn liên quan đến các quá trình hạt nhắn Và
Gamov đã gọi quan niệm của mình là : “Thuyết vụ nổ lớn” Ông đã tính ra nhiệt lúc đấu
của vụ nổ nóng ít nhất hàng triệu tỉ độ vả ngày càng nguội dẩn vì vũ trụ giản nở Ơng
tiên đốn rằng, nhiệt độ hiện nay của bức xạ chỉ còn khoảng 10 `
Thuyết vụ nổ lớn là một công trinh sáng tạo đẹp đẽ nảy sinh từ trí tưởng tượng của ede nhà lý thuyết Nó chỉ là một mô hình vẻ vũ trụ Vũ trụ trước vụ nổ ra sao? Thời gian
xảy ra vụ nố ? Rối vũ trụ này giãn nở mãi hay không ? Tất cả những vấn nạn này
hiện nay vẫn chưa có đáp án được và còn chờ đợi vào các nhà khoa học mai sau Nhưng một sự ủng hộ khác eho thuyết vụ nổ lớn, ngoài thuyết vũ trụ giẩn nở, đó là sự phát hiện về “Bức xạ phông vũ trụ” bởi 3 nhà vắt lý thiên ván vô tuyến Mỹ Penzias và Wilson nam 1965, Nhiét d6 của bức xạ thu được trong mây của 3 ông khoảng 3”K - một kết quá vỏ cùng quan trọng vì nó chính là vết tích của vụ nổ lớn được tiên đoán bởi Gamov Bức xạ này đẳng hướng và phát ra đồng đềếu từ mọi phía và có đặc tính của một “Bức xạ nhiệt”, còn gọi là bức xạ “Vật đen” Mặt khác, một hiện tượng quan sát củng cố
giả thuyết vụ nố lớn là kết quả đo độ giàu của các nguyên tố nhẹ Trong quá trình tổng
hợp eác nguyến tố trong vũ trụ thời nguyên thủy, chỉ só những nguyên tế nhẹ như Deuteri, Heli và [šti Những tính toán lý thuyết tiên đoán có khoảng 35% các hạt Prôton và Nơưtron được tống hợp để biến thành Heli Nguyên tố Heli được quan sát thấy trong thiên hà của chúng ta và trong nhiều thiên hà khác Mỗi khi quan sát người ta đếu
thấy, tỉ lệ Heli không thay đối từ thiên thể này sang thiên thể khác, và bao giờ cũng đống déu là 25% Kết quả quan sat nay chứng rminh là Heli được tạo ra bởi vụ nổ lớn
Tóm lại, theo quan niệm hiện nay thì vũ trụ có “khai sinh” và đang giãn nở Các
câu hỏi vũ tru giản nớ đến bao giờ, có chuyển vé trạng thái co lại ban đầu không? Hay
noi cách khác só phán vũ trụ sẻ như thế nào? Rõ ràng con đường nhận thức vũ trụ còn
dang mod réng Nhung dieu can biét va can phai khang đỉnh rằng các mỏ hình vú trụ
được xảy dựng nén cũng chỉ là mỏ hình của phần vũ Lưu mà con người biết đến Sẽ làsai
lắm néu như ai đó nghĩ răng vũ trụ chỉ có thế nghia^giới nội và có sinh tw!
Trang 28Tat Liéu “Sham Khao
1 Phạm Viết Trinh - GIAO TRINH THIEN VAN - NXB Gido Due, 1995
2 Nguyén Quang Riéu - VU TRU - PHONG THI NGHIEM THIEN NHIEN VI
DAI -NXB Gido Dục, 1995
3 Trương Cam Bảo - TỪ ĐIẾN THIÊN VÁN HỌC - Nha XBKHKT Ha Nội 1983
4 Ben Bova - THIÊN VÁN MỚI - Người dịch : Nguyễn Điển & Nguyễn Quang
Han - NXR Khoa Học Kỹ Thuật - Hà Nội, 1981
5 VN.Cômarỏp - THIÊN VÁN HỌC GIẢI TRÍ - Người dịch : Là Mạnh Chiến -
Đắc Lê & Thế Trường NXB Khoa Học Kỹ Thuật - Hà Nội, 1982
6 Douglas C.Giancoli - PHYSICS FOR SCIENTISTS AND ENGINEERS WITH MODERN PHYSICS - Volume 2
7 Tran Văn Nhạc & Nguyễn Thanh Trì - XÁC ĐỊNH KHỐI LƯỢNG VÀ ĐỘ
SAU CUA NHUNG DI VAT GAY RA NHUNG DI THUONG TRONG LUC
LON NHAN DUGC QUA SO LIEU VE TINH CHO TRAI DAT VA MAT TRANG (Tiéu luận )
8 4 4 4aroet Acinononm 4 - “4Ø, /2poceu¿eu¿£ (s63
9.7 4 Baryrun Kype odiges ØC72owOAZ,