Kính thiên văn , thiên hà,ngân hà, quasar

Kính thiên văn , thiên hà,ngân hà, quasar

Nguyễn Trần Minh Quang

Nguyễn Hữu Hiếu Đoàn Thị Ánh Xuân Trần Thanh Thảo Tiên

Lời Nói Đầu

Kính gửi bạn đọc!

Thiên văn học là một môn khoa học lớn tương lai có thể dẫn dắt con người đichinh phục vũ trụ Từ những buổi sơ khai của cơ sở thiên văn học cho đến nay, thiênvăn luôn có một công cụ hỗ trợ có thể nói là một người bạn đồng hành quan trọng đó

là chiếc kính thiên văn Kính thiên văn giữ vai trò quyết định trong việc nghiên cứu vũtrụ, nếu không có kính thiên văn thì chắc chắn sẽ không thể có được các định luậtkepler, những quan niệm đúng đắn về vũ trụ, và thậm chí là những tiến bộ khoa họcnhư ngày nay và trong tương lai kính thiên văn còn có thể cho ta biết vị trí của chúng

ta là ở đâu trong vũ trụ và khám phá được vô số điều bí ẩn khác của vũ trụ Vậy, kínhthiên văn có cấu tạo như thế nào, cấu tạo ấy sẽ thay đổi thế nào qua các thời kỳ lịch sử,chúng ta có thể chế tạo một chiếc kính thiên văn cho riêng mình hay không,liệu rằngvới chiếc kính ấy chúng ta sẽ quan sát được gì, nơi ta đang đứng là ở đâu và trong vũtrụ còn những gì bí ẩn nữa ? Đó là lý do chúng tôi thực hiện tiểu luận này

Tiểu luận này được chia làm hai phần lớn:

Phần 1 chúng tôi sẽ nói về kính thiêng văn và cách chế tạo nó

Phần 2 chúng tôi sẽ giới thiệu với các bạn về thiên hà, ngân hà và quasar, đó làmột vài trong số những điều bí ẩn của vũ trụ mà kính thiên văn đã khám phá được

Trong quá trình viết tiểu luận không thể tránh được sai sót, kính mong nhận được sự góp ý chân thành tự bạn đọc.

Nhóm thực hiện.

Mục Lục

Lời Nói Đầu 2

Mục Lục 3

Kính Thiên Văn 6

Kính Thiên Văn 7

I Phân loại kính thiên văn 8

I.1 Kính thiên văn quang học: 8

I.1.1 Kính thiên văn khúc xạ 8

I.1.2 Kính thiên văn phản xạ 9

I.1.3 Kính thiên văn tổ hợp 11

II Các kính thiên văn trên thế giới: 14

II.1 Hệ thống kính vô tuyến Atacama Large Millimeter Array 14

II.2 Kính Hubble: 15

II.3 Kính viễn vọng khổng lồ GTC 16

II.4 Kính viễn vọng đôi Keck 17

II.5 Salt- "Con mắt châu Phi" trong không gian 17

II.6 Hobby-Eberly 18

II.7 Binocular 19

III Thông số kính thiên văn 20

III.1 Các yếu ảnh hưởng đến kính thiên văn 20

III.1.1 Hiện tương Cầu Sai: 20

III.1.2 Hiện tượng nhiễu xạ 20

III.2 Các đặt trưng của kính thiên văn 21

III.2.2 Quang lực (A) và cấp sao nhìn thấy của kính(mk) 21

III.2.3 Năng suất phân giải: 22

III.2.4 Liên hệ giữa năng suất phân giải và độ bội giác: 23

III.2.5 Độ sáng của ảnh các thiên thể 23

III.2.6 Thị trường: 24

III.3 Các kiểu đặt kính: 24

III.3.1 Lắp đặt phương vị (Altitude-Azimuth mount): 24

III.3.2 Lắp đặt xích đạo (Equatorian mount): 24

IV Chế tạo kính thiên văn khúc xạ đơn giản 25

V Quan sát Mặt Trăng bằng kính thiên văn khúc xạ tự chế: 27

THIÊN HÀ - NGÂN HÀ - QUASAR 33

THIÊN HÀ - NGÂN HÀ - QUASAR 34

VI THIÊN HÀ 34

VI.1 Tổng quan về thiên hà 34

VI.2 Các kiểu thiên hà: 35

VI.2.1 Thiên hà elip ( Eliptical Galaxy) 35

VI.2.2 Thiên hà xoắn ốc ( Spiral Galaxy): 36

VI.2.3 Thiên hà vô định hình ( Irregular Galaxy) 37

VI.2.4 Thiên hà thấu kính ( Lentical galaxy) 37

VI.3 Phân biệt thiên hà với các tinh vân 37

VI.3.1 Tinh vân sáng: 38

VI.3.2 Tinh vân tối 38

VI.3.3 Phân biệt thiên hà với các tinh vân 39

VI.3.4 Cụm thiên hà, quần thiên hà và siêu quần thiên hà 39

VI.4.1 Hình thành: 40

VI.4.2 Phát triển 40

VII Ngân Hà 42

VII.1 Lịch sử phát hiện: 42

VII.2 Các đặc điểm của Ngân Hà 42

VII.2.1 Hình dạng 42

VII.2.2 Khối lượng và kích thước 43

VII.2.3 Vùng trung tâm Ngân Hà: 43

VII.2.4 Các nhánh của Ngân Hà 44

VII.2.5 Tuổi của Ngân Hà 45

VII.2.6 Láng giềng của dải Ngân Hà 45

VIII QUASAR 47

VIII.1 LỊCH SỬ PHÁT HIỆN 47

VIII.2 Bản chất và cấu tạo: 48

VIII.2.1 1 Bản chất: 48

VIII.2.2 Cấu tạo 49

Kết Luận 50

Kính Thiên Văn

Kính thiên văn theo tiếng hy lạp là telescope có nghĩa là dụng cụ để nhìn nhữngvật ở xa Là dụng cụ để thu tín hiệu (bức xạ điện từ) phát ra từ thiên thể Kính thiênvăn có khả năng phóng đại giúp người quan sát thấy rõ ảnh của các thiên thể trong vũtrụ

Nguyên tắc quang học về kính thiên văn được diễn tả lần

đầu tiên vào thế kỷ thứ 13 do nhà khoa học Anh Roger Bacon

Tuy nhiên phải đợi đến năm 1608 mới được áp dụng bởi một

người sản xuất kính ở Middleburg Hà Lan, ông Hans

Lippershey Hans Lippershey tình cờ thấy hai đứa bé cầm hai

thấu kính để nhìn thì thấy cái chong chóng chỉ hướng gió của nhà

thờ có vẻ gần hơn Hans Lippershey thử thí nghiệm đặt một thấu

người Ðức khác cũng đã phát minh Lại có tin đồn rằng viễn vọng kính đã có từ thế

kỷ thứ 16 Nhưng Lippershey là người đã diễn tả bằng văn Tuy nhiên, ông khôngbảo vệ bằng phát minh của ông bởi vì chuyện này quá quan trọng để phải giữ bí mật

Lúc đầu người ta đặt tên kính thiên văn là ống quang học, mãi đến năm 1650 mới có tên là téléscope (kính nhìn xa ) Tên này đã được nhà toán học Hy Lạp

Ioannes Dimisiani đặt ra năm 1612

Đầu tiên những kính nhìn xa này chỉ được dùng trong quân đội để kiểm soátquân địch đến gấn Năm 1609 Galilée là người đầu tiên dùng "kính lại gần" để quansát bầu trời

Hans Lippershey

I Phân loại kính thiên văn

Do khí quyển của Trái Đất chỉ có hai cửa sổ cho bức xạ điện từ là vùng khả kiến

và vùng sóng vô tuyến; nên có hai loai kính thiên văn phổ biến là kính thiên văn quanghọc và kính thiên văn vô tuyến

I.1.Kính thiên văn quang học:

I.1.1 Kính thiên văn khúc xạ

Cấu tạo: gồm thân kính, thị kính và vật kính.Vật kính và thị kính là thấu kính Nguyên tắc tạo ảnh:

Các kiểu kính thiên văn khúc xạ: kiểu

Galileo, kiểu Kepler…

Kính thiên văn khúc xạ lớn nhất hiện nay là

ở Yerkes observatory tại wincosin (america)

Đường kính vật kính D=1.5m

Tiêu cự vật kính F=19.8m

Tiêu cự thị kính f=2.8m

– Dùng hệ thấu kính ghép để giảm sắc sai.

I.1.2 Kính thiên văn phản xạ

Cấu tạo: vật kính là gương cầu hoặc gương parapol, thị kính là thấu kính.

Ưu điểm:

– Khắc phục được các nhược điểm của kính khúc xạ

– Có lợi thế về độ mở ống kính

– Giảm tối đa sắc sai, ảnh sáng, rõ nét

– Thị kính đặt trên thân ống kính dễ quan sát

Nhược điểm:

– Ống kính to kềnh càng, khó thao tác và sử dụng

– Giá cả cao, chế tạo phức tạp

– Có tồn tại cầu sai

Khắc phục: Thay vì dùng gương cầu ta dùng gương parapol để khử cầu sai.

I.1.3 Kính thiên văn tổ hợp

Cấu tạo: là kết hợp của cả hai loại kính thiên văn khúc xạ và phản xạ.

Các kiểu kính thiên văn tổ hợp: kiểu Schmidt, kiểu Schmidt-Cassegrain, kiểuMaksukov-Bouwer, kiểu Questar…

Kiểu Schmidt

Kiểu Maksukov-Cassegrain Kiểu Questar

Ưu điểm: Ống kính ngắn, gọn.

Nhược điểm: Giá cả rất cao, khó chế tạo.

Kính thiên văn vô tuyến

Gọi là kính nhưng thực ra đây là một rada có nhiệm vụ dò sóng vô tuyến Kínhthiên văn vô tuyến không tiếp các bước sóng vùng ánh sáng khả kiến mà tiếp nhận cácbước sóng thuộc vùng sóng vô tuyến bằng gương phản xạ parabol, sóng vô tuyến sẽđược đầu dò thu nhận thông tin gọi là tín hiệu và tín hiệu này sẽ được xử lý trước khiđưa ra thành hình ảnh

II.Các kính thiên văn trên thế giới:

II.1 Hệ thống kính vô tuyến Atacama Large Millimeter Array

Kính thiên văn vĩ đại này đang được xây dựng trên sa mạc khô cằn nhất trái đất.Qua 66 ăng ten parabol khổng lồ, các nhà khoa học muốn nhìn đến tận ranh giới củakhông gian và thời gian

Nhờ vào độ cao, bầu khí quyển khô và yên tịnh mà sa mạc Atacama là một trongnhững địa điểm tốt nhất cho nghiên cứu thiên văn học Nếu như tại đây khách du lịch

và người sử dụng kính thiên văn quang học thích thú ngắm nhìn bầu trời đầy sao rất ấntượng vào ban đêm thì những nhà thiên văn học vô tuyến lại có thể quan sát được dấutích của nguyên tử và phân tử Ở những nơi khác trên Trái Đất không thể nhìn thấyđược chúng

Nhờ kính thiên văn Apex, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra được khí CO vàphân tử hữu cơ phức tạp từ nơi sâu thẳm của vũ trụ Họ cũng tìm thấy ngay đến nhiềuphân tử tích điện chứa flo – việc chưa từng thành công trước đây Tất cả những điều

đó đã tiết lộ nhiều hơn về việc những ngôi sao và hành tinh như trái đất thành hình nhưthế nào

Alma có thể quan sát những vật thể phát xạ chính xác hơn gấp 10 lần so với kínhVery Large Array (VLA) trong bang New Mexico của Mỹ Kính thiên văn này, nổitiếng một phần cũng nhờ vào phim "Contact", gồm 27 ăng ten parabol, mỗi chiếc cóđường kính

25 m Khác với VLA, Alma

hoạt động trong vùng milimét và nhỏ

hơn của thiên văn học vô tuyến

Trong khi VLA phân tích những sóng vô tuyến có bước sóng giữa 1 cm và 4 m, Almatiến

sâu vào những bước sóng từ 9,6 đến 0,3 mm

II.2 Kính Hubble:

Powell Hubble (1889-1953), được đặt trong một quỹ đạo cách Trái đất khoảng 610

đường kính 240 cm

Kính viễn vọng Hubble được nghiên cứu từ

thập niên 1970 và phóng lên không gian năm

1990, đã tạo ra một bước đột phá quan trọng trong

và hồng ngoại cho thời kỳ này, nhờ vào ưu điểm

là quan sát các thiên thể mà không bị ảnh hưởng

bởi khí quyển Trái Đất

tiên sử dụng công nghệ Multi-Anode Microchannel Array (MAMA) để ghi nhận tia tử

thế hoặc sửa chữa từng mảng bộ phận dù họ không có chuyên môn sâu về các thiết bị

Hubble mang lại gồm có:

Hình ảnh những thiên hà đang va chạm nhau và những thiên hà quasar.

quyển của hành tinh này;

II.3 Kính viễn vọng khổng lồ GTC

Là dự án liên kết của Đức, Mexico cùng đại học Florida, Mỹ và từ phía Instituto

de Astrofísica de Canarias (IAC), dự án GTC là 1 dự án kính viễn vọng rất lớn vớitổng chi phí là 180 triệu đô la Chiếc kính viễn vọng khổng lồ này được đặt ở độ cao2.400 m, tại đỉnh 1 ngon núi lửa trên quần

đảo Canary (một quần đảo nhỏ thuộc La

Palma, Tây Ban Nha)

Chiếc kính viễn vọng lớn nhất thế

giới này vẫn được gọi với cái tên trìu mến là

“kính viễn vọng khổng lồ đảo

Canary”- Gtan Tecan (tên tiếng anh Grand

Telescope Canarias - GTC) Chiếc kính đặc

biệt này được thiết kế với độ mở ( đường

kính) là 10,4m và 1 chiếc gương phản chiếu được đặt riêng làm từ Gốm thủy tinh củacông ty Schott AG, Đức cho phép quan sát vũ trụ với những chi tiết cực đại

II.4 Kính viễn vọng đôi Keck

Từng nằm ở vị trí quán quân thế giới trước khi bị GTC soán ngôi, WM KeckKeck là chiếc kính viễn vọng đôi bao gồm kính Keck I và Keck II với độ mở ở mỗichiếc là 10 mét ( nhỏ hơn GTC 0,4m)

Hai chiếc kính với 36 phân đoạn trong cơ chế vận hành, chúng có thể hoạt độngcùng lúc hoặc tự vận hành riêng biệt mà không gây ảnh hưởng đến nhau Bằng cáchkết hợp độ sáng từ bộ đôi kính này,Keck cho phép ta nhìn thấu, thậm chí còn đo được

cả kích thước những những hành tinh vệ tinh bao quanh các vì tinh tú

Kính viễn vọng này được đặt tên theo tên nhà khoa học William MyronKeck(W M Keck) và được xây dựng từ quỹ của ông với tổng chi phí 140 triệu đô la.Kính viễn vọng W M Keck được đặt ở độ cao là 4.145m trên đỉnh Mauna Kea,Hawaii

II.5 Salt- " Con mắt châu Phi" trong không gian

Ngày 9-11, Nam Phi đã khánh thành SALT, chiếc kính này có nickname khá kêu

là "Con mắt châu Phi"

Với một tấm kính sáu cạnh có đường kính 11 mét và chiều cao hơn 10 mét,SALT (Southern African Large Telescope) cho phép con người quan sát các vì sao vàcác thiên hà xa xăm trong vũ trụ

SALT được đặt tại vùng bán sa mạc Karoo thuộc thị trấn nhỏ Sutherland, tỉnhNothern Cape Lấy ý tưởng từ chiếc Hobby-Eberly (HET) ở Mỹ, SALT được xâydựng trong 5 năm với chi phí 25 triệu USD, trong đó 1/3 vốn từ Nam Phi và phầncòn lại do các cơ quan khoa học Mỹ, Ba Lan, Đức, Anh và New Zealand tài trợ.

1 khoản ngân sách khiêm

tốn không được tiết lộ (nhiều khả

năng chỉ bằng 80% chi phí của các

công trình khác) Với thiết kế 1

trục nâng cao cố định và hệ thống

theo dõi rất sáng tạo,

Hobby-Eberly rất xứng với câu nhận xét

“khiêm tốn nhưng hiệu quả”

II.7 Binocular

Là 1 phần trong dự tháp thiên văn quốc tế Mount Graham, và đang được xâydựng ở chân núiGraham thuộc dãy Pinaleno phía đông nam Arizona, Mỹ Chưa hoànthiện 100% nhưng nó đã được công nhận là chiếc kính viễn vọng lớn thứ năm trên thếgiới Kính viễn vọng Binocular (Large Binocular Telescope LBT- hay tên gốc là dự

án Columbus) Dự kiến khi hoàn thành xong kính có đường kính là 9,2m, có 1 bộgương đôi phản chiếu có kích cỡ 8,4 m cho phép theo dõi những hình ảnh thực, sốngđộng bên ngoài hệ Mặt trời

III Thơng số kính thiên văn

III.1 Các yếu ảnh hưởng đến kính thiên văn

III.1.1.Hiện tư ơ ng Cầu Sai:

Hiện tượng cầu sai là hiện tượng các tia sáng khi đi qua vật kính là thấu kínhhoặc gương cầu Tia sáng nào càng xa quang tâm (hay càng gần rìa) thì hội tụ cànggần vật kính hơn Làm ảnh nhịe và khĩ quan sát

Khắc Phục: đối với kính thiên văn khúc xạ, người ta dùng các thấu kính cĩ cấu

tạo phức tạp với các mặt cong khác nhau Đối với kính phản xạ thay vì dùng gương cầu trịn thì nguời ta thay thế bằng các gương parabol

III.1.2.Hiện tượng nhiễu xạ

Do bản chất của ánh sáng cĩ tính chất sĩng Anh sáng từ một nguồn điểm trênbầu trời sau khi đi qua kính thiên văn sẽ cho ta ảnh của nguồn điểm sáng đĩ Ảnh điểmnày khơng phải là một điểm sáng mà là một hình trịn nhỏ cĩ các màu xung quanh.Đây khơng phải do tán sắc mà là do hiện tượng nhiễu xạ Hiện tượng nhiễu xạ làmgiảm khả năng phân giải của kính Chúng ta rất khĩ khử được hiên tượng nhiễu xạngay cả đối với các kính thiên văn hiện đại

Khắc Phục: Để tăng độ phân giải chúng ta chỉ cịn cách tăng đường kính của

vật kính.

III.2 Các đặt trưng của kính thiên văn

III.2.1.Độ bội giác G

G là tỉ số giữa góc nhìn thiên thể qua kính thiên văn và góc nhìn thiên thể trựctiếp Các thiên thể ở rất xa Trái Đất nên ta xem chùm sáng phát ra từ thiên thể gửiđến là song song Khi kính thiên văn điều chỉnh trạng thái ngắm chừng ở vô cực:

là tiêu cự của vật kính và thị kính

Ở kính thiên văn vật kính thường cố định, ta thay đổi độ phóng đại bằng cáchthay đổi thị kính Nhưng khi độ bội giác tăng lên thì ảnh càng mờ Vì vậy độ phóng đạimột kính không phải là vô hạn Khả năng phóng đại lớn nhất của một kính G=2D

D là đường kính vật kính (mm)

III.2.2.Quang lực (A) và cấp sao nhìn thấy của kính(m k)

Là đại lượng nói lên khả năng của kính cho phép ta nhìn thiên thể qua kính sẽ thuđược lượng quag thông gấp bao nhiêu lần khi ta nhìn trực tiếp thiên thể đó

Nếu tăng D thì độ dọi càng lớn lúc này cấp sao nhìn thấy càng lớn Có thể nhìnthấy những sao mờ mà mắt thường không quan sát được

Vậy vật kính có đường kính D càng lớn thì A càng lớn

Nếu thiên thể có độ dọi E, nhìn qua vật kính có đường kính D và nhìn qua mặt có

Nếu xem thuỷ tinh thể của mắt người có d=6 mm và có thể nhìn đến sao cấp

; và kính thiên văn có đường kính D mm có thể giúp quan sát đến cấp sao

Theo công thức Pogson:

Ta dùng công thức này để tính khả năng quan sát đến cấp sao nào của kính thiênvăn Đường kính D của vất kính càng lớn thì khả năng quan sát các thiên thể ở xa càngtốt Tuy nhiên không thể tăng D mãi được; vì khi D quá lớn sẽ xảy ra sai lệch quanghọc; ảnh quan sát được không trung thực

III.2.3.Năng suất phân giải:

Là đại lượng đặt trưng cho góc giới hạn giữa hai điểm mà mắt có thể phân biệtđược Theo lý thuyết nhiễu xạ thì yêu cầu này thoã mãn khi vân sáng trung tâm củađiểm này trùng với vân tối thứ nhất của điểm kia

Ánh sáng quan sát có bước sóng

Nếu e tính ra dây cung ,D tính ra mm

Mắt thường nhạy cảm với

III.2.4.Liên hệ giữa năng suất phân giải và độ bội giác:

Mắt người có thể phân biệt 2 điểm cách nhau 2’ nếu nhìn qua kính có độ phóngđại G và năng suất phân giải e thì góc nhìn được phóng đại lên là eG Vậy độ phóngđại G cần thiết của kính để mắt phân biệt hai điểm cách nhau một khoảng bằng vớikhoảng cách ứng với năng suất phân giải của mắt phải thoã mãn:

Thực tế cho thấy kính có năng suất phân giải tốt nhất khi có độ phóng đại

Mà

Vậy độ phóng đại thích hợp của kính khi quan sát bằng mắt có trị số bằng đường

kính vật kính tính ra mm Kích thước ảnh l của thiên thể có đường kính góc tại

mặt phẳng tiêu của vật kính:

Ta có

Vật kính có tiêu cự càng lớn cho ảnh l càng dài Trong khi quan sát các hành tinh

trong hệ mặt trời người ta thường dùng kính có càng lớn để quan sát rõ các chi tiếttrên bề mặt của hành tinh

III.2.5.Độ sáng của ảnh các thiên thể

thiên thể càng mờ

kính tỉ lệ với quang thông của ánh sáng do thiên thể rọi qua vật kính và tỉ lệ nghịch vớidiện tích ảnh của thiên thể tại mặt phẳng tiêu của vật kính

D tính bằng mét

Vậy với một kính thiên văn thị kính có tiêu cự càng nhỏ thì ảnh càng lớn, nhưng

Ngoài ra khi chụp ảnh thiên văn người ta cịn đưa ra các khái niệm: Seeing,Transparency, Light pollution…

III.3 Các kiểu đặt kính:

III.3.1.Lắp đặt phương vị (Altitude-Azimuth mount):

Hai trục quay của kính đặt theo phương thẳng đứng và nằm ngang

Quan sát trong hệ toạ độ chân trời, phụ thuộc nhật động nên chỉ dùng để quan sát

III.3.2.Lắp đặt xích đạo (Equatorian mount):

Trục kính đặt song song trục Trái Đất

Quan sát trong hệ toạ độ xích đạo 2, không phụ thuộc nhật động

Cần lắp thêm mô tơ quay cùng vận tốc và ngược chiều quay Trái Đất để có thểxem Trái Đất đứng yên, không ảnh hưởng đến quan sát

Ngoài ra người ta còn lắp đặt kính thiên văn bằng cách đặt kính trên vệ tinh nhântạo và phóng lên quỹ đạo Trái Đất

IV Chế tạo kính thiên văn khúc xạ đơn giản

Lắp ráp kính:

– Lắp kính vật vào cái chuyển bậc 60-42, dùng giấy bìa cố định nó lại.

ống nhựa 20cm

ống nhựa 20cm nói trên có thể di chuyển được trong nó

ống nước

các ống nhựa) nếu cần thiết