Vũ trụ phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đại ppt

Vũ trụ phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đại Vietsciences-Gs Nguyễn Quang Riệu 1- Bầu trời tuổi thơ 2- Nghể thiên văn 3- Quá trình nghiên cứu khoa học 4- Bức xạ "synchrotron" phát ra từ các thiên hà 5- Nghiên cứu những bức xạ maser trong Vũ trụ 6- Tìm kiếm những phân tử hiếm có trong vũ trụ 7- Kỹ thuật hệ kính giao thoa 8- Những công trình nghiên cứu bằng kính vô tuyến giao thoa 9- Quan sát bằng vệ tinh ISO 10- Triển vọng của ngành thiên văn thế giới 11- Thiên văn học tại Việt Nam 12- Cung khoa học và nhà chiếu hình vũ trụ tại thủ đô 13- Tài liệu đã dẫn 14- Các tác phẩm phổ biến và giáo khoa 1- Bầu trời tuổi thơ Hồi hãy còn là học sinh tiểu học Hải Phòng, thành phố cảng đỏ rực hoa phượng trong những ngày hè, tôi thường được lên chơi trên đỉnh đồi có đài thiên văn Phủ Liễn ở thị xã Kiến An. Tôi chỉ biết ở nơi đây, người ta hay nhìn lên trời để ngắm trăng, ngắm sao. Rồi đến mùa thu năm 1946, sau khi thành phố cảng bắt đầu ở trong cảnh khói lửa của cuộc kháng chiến trường kỳ, tôi lại cùng gia đình đi qua chân đồi Phú Liễn, lên đường tới vùng Quảng Ninh tạm trú. Trong những năm ở nông thôn, chúng tôi chỉ tập làm nh ững công việc của nhà nông. Vào một ngày xuân trước thềm thiên niên kỷ 3, cùng nhạc sĩ Văn Ký và bạn bè, tôi lại trở về thăm vùng Quảng Ninh, nơi tôi đã từng sống trong thời niên thiếu, cách đây nửa thế kỷ. Vừa dạo chơi ngắm cảnh sông, núi, tôi vừa kể lại những chuyện xưa. Tôi còn nhớ có con sông Kinh Thầy màu hồng chở nặng phù sa, uốn quanh những dãy núi đá cây cỏ mọc xanh rờ n, xưa kia phong phú những chim thú. Hồi đó, cùng các anh chị em và các bạn bè, chúng tôi sống những ngay vui vẻ, vô tư của tuổi thơ. Tôi thường ngắm bầu trời ban đêm có những vì sao lóng lánh và Dải Ngân Hà mờ mờ ảo ảo. Tôi không ngờ chỉ vài hôm sau buổi đi chơi, nhạc sĩ Văn Ký đã sáng tác một bài hát đặt tên là Bầu trời tuổi thơ. Nhạc và lời thật là tuyệt tác, ca tụng cảnh thiên nhiên và tả những kỷ niệm xa xưa mà tôi đã thuật lại. Điều cảm xúc nhất đối với tôi là, nhân một buổi tôi thuyết trình tại đại giảng đường Đại Học Quốc Gia Hà Nội về những thành tựu của ngành thiên văn hiện đại, nhạc sĩ Văn Ký cầm cây đàn ghi-ta lên bục và tự trình bày lần đầu tiên bài Bầu tr ời tuổi thơ. Hình vẽ Cuội ngồi gốc cây đa do Nguyễn Quang Riệu thực hiện 2- Nghề thiên văn Năm 1950, tôi được gia đình gửi sang Paris du học. Từ một xứ ở vùng nhiệt đới, gần như thường xuyên chan hòa ánh nắng, tôi tới Paris nước mắt rưng rưng trước những hình ảnh những biệt thự màu xám tại quảng trường Concorde, vào một buổi chiều thu ảm đạm. Gia đình đề nghị tôi học ngành hóa để sau này chế ra giấy và phim ảnh, khỏi phải nhập những vật liệu này. Bở i vì hồi đó, gia đình tôi làm nghề ảnh, nghề truyền thống của làng Lai Xá, quê tôi ngay cạnh thủ đô Hà nội. Tuy nhiên, những ấn tượng trước vẻ đẹp của thiên nhiên đã ngấm ngầm thúc đẩy tôi hâm mộ ngành thiên văn, để chụp chân dung của những vì sao trong vũ trụ. Từ thời xa xưa bầu trời vẫn là đối tượng hấp dẫn đối với con người. Có những gì đằng sau nề n trời đầy sao lấp lánh? Mặt trời, Mặt trăng và các tinh tú có ảnh hưởng gì đến con người? Thiên văn học ngày nay liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Vũ trụ là một phòng thí nghiệm thiên nhiên lý, hóa, sinh mà các nhà thiên văn muốn tìm hiểu. Những sự kiện xảy ra trên bầu trời có thể có tác động đến môi trường và đời sống nhân loại. Những vệ tinh và những trạm vũ trụ được phóng lên không gian, không nhữ ng để thám hiểm các thiên hà xa xôi, mà còn để quan sát hành tinh Trái đất quý báu của chúng ta. Trong tầng khí quyển có nhiều phản ứng hóa học phức tạp diễn ra duới ánh sáng Mặt trời. Ngoài nitơ, oxy, khí carbonic và hơi nước, còn có một lớp khí ozon ở độ cao từ 12 đến 50 km. Tầng ozon này che chở sinh vật vì ngăn chặn được bức xạ tử ngoại độc hại của Mặt trời. Những khí đủ loại bốc từ mặt đất lên không trung có tác động đối với khí quyển và gây ra hiệu ứng nhà kính. Liệu chúng ta sống hoàn toàn cô độc trong Vũ trụ, hay còn có những nền văn minh khác ở bên ngoài Trái đất? Việc tìm kiếm các nền văn minh này rất phức tạp. Mục tiêu đầu tiên là cần phát hiện những hành tinh ở bên ngoài Hệ Mặt trời và những chất hóa học hữu cơ liên quan đến sự sống. Sinh vật chỉ có thể tồn tại trên những hành tinh có điều kiện lý hóa thích h ợp. Cho tới nay, các nhà thiên văn đã phát hiện được hơn một trăm hành tinh lớn hơn cả hành tinh Mộc, hành tinh "Chúa tể" của Hệ Mặt trời. Những hành tinh này là những đồng hành của một số sao trong Dải Ngân Hà. Những kỹ thuật hiện đại dùng để che ánh sáng của ngôi sao đang được phát triển để phát hiện loại hành tinh nhỏ bé như Trái đất. Nhờ quá trình tiến triển của khoa học và kỹ thuật làm kính thiên văn lớn, "cánh cửa" của Vũ trụ đã được hé mở để nhân loại ngó nhìn vào bầu trời bao la. 3- Quá trình nghiên cứu khoa học Tôi chỉ trình bày một số công trình mà tôi cho là những cột mốc trên chặng đường nghiên cứu thiên văn học của tôi. Khởi đầu là một nhà thiên văn vô tuyến, tôi sử dụng vào những năm đầu của thập niên 60, kính thiên văn của Pháp đặt tại Nançay, cách Paris 180 km về phía nam. Kính thiên văn vô tuyến Nançay thuộc loại lớn, có kích thước 200 met trên 35 met, hoạt động trên lĩnh vực những bước sóng cm (từ 9 tới 21 cm) 4- Bức xạ "synchrotron" phát ra từ các thiên hà Bức xạ synchrotron của thiên hà 3C 111 quan sát bởi Nguyễn Quang Riệu và Anders Winnberg, sử dụng hệ giao thoa VLA gồm 27 ăngten của National Radio Astronomy Observatory đặt tại bang New Mexico (Mỹ) Mục tiêu của tôi là dùng kính vô tuyến Nançay để nghiên cứu bức xạ "synchrotron" phát ra từ Ngân Hà và những thiên hà xa xôi. Các electron tương đối tính (= relativistic electron: electron có tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng), bị bẫy trong từ trường, tuy rất yếu (khoảng 10 -5 - 10 -6 gauss), của Ngân Hà và của những thiên hà và phát ra bức xạ giống bức xạ phát hiện được trong những máy gia tốc "synchrotron". Tần số của bức xạ synchrotron là  =16 x    (nu) được đo bằng đơn vị MHz (Megahertz) từ trường H bằng đơn vị µG (microgauss = 10 -6 gauss), năng lượng E của electron bằng đơn vị Gev (Giga electron-volt) = 10 9 ev). Thí dụ những electron có năng lượng khoảng 3 Gev, di chuyển trong một từ trường 10µG, thì phát ra bức xạ synchrotron trên tần số 1440 MHz (bước sóng ~21 cm) Từ trường chi phối động lực của khí dựa trên sự khuếch tán electron trong môi trường giữa các sao và đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành của những ngôi sao. Dựa trên khuếch tán electron trong môi trường có từ trường không đồng đều, tôi làm những mô hình lý thuyết để giải thích kết quả mà tôi đã quan sát được. Tôi kết luận là bức xạ vô tuyến synchrotron của những thiên hà xuất phát từ những vụ nổ trong nhân của thiên hà, phun ra electron có năng lượng cao. Những electron tương đối tính mất dần năng lượng vì phát bức xạ synchrotron, nhưng được thay thế bằng những luồng electron phun ra liên tục từ trung tâm thiên hà, để duy trì nguồn bức xạ vô tuyến [1] Vụ nổ ngày 2 tháng 9 năm 1972 của thiên thể Cygnus-X3 trong chòm sao Thiên Nga là dịp để chúng tôi dùng kỹ thuật thiên văn vô tuyến đo khoả ng cách và tìm hiểu thiên thể [2], [3] (xem chi tiết trong bài "Vụ nổ Cygnus-X3".) Đây cũng là chiến dịch đầu tiên huy động cộng đồng các nhà thiên văn trên thế giới cùng quan sát một sự kiện hiếm có, xảy ra đột xuất trong vũ trụ. Những kết quả quan sát của các nhà thiên văn toàn cầu đã được đăng trong tạp chí khoa học Nature số đặc biệt, xuất bản tháng 10 năm 1972. Vụ nổ Cygnus-X3 phun ra những đợt electron có năng lượ ng cao và làm tăng cường độ của bức xạ synchrotron của thiên thể. 5- Nghiên cứu những bức xạ Maser trong Vũ trụ Đầu năm 1970 , nước Pháp có một chương trình cộng tác với Liên Xô trong lĩnh vực thiên văn vô tuyến. Tại Đài Thiên văn Paris-Meudon, tôi được cử là người trách nhiệm cho chương trình khoa học, sử dụng kính thiên văn Nançay để nghiên cứu bức xạ maser phát trên bước sóng 18 cm bởi những phân tử OH (hydroxyle) trong vỏ những ngôi sao. Phía Liên Xô là những nhà khoa học của viện Sternberg ở Moscow. Hồi đó, Liên Xô phóng được những vệ tinh và tàu vũ trụ có trọng tải lớ n. Chúng tôi có dự án dùng tên lửa của Liên Xô phóng lên Mặt trăng một kính thiên văn vô tuyến, hoạt động cùng với kính vô tuyến Nançay thành một hệ kính giao thoa. Nếu thực hiện được mục tiêu, độ phân giải của hệ giao thoa /D (là bước sóng = 18 cm, D là khoảng cách của Mặt trăng=384000 km) sẽ cao hơn ít nhất 30 lần độ phân giải thực hiện được bằng những hệ kính vô tuyến giao thoa lớn nhất đặt trên Mặt đất. Độ phân gi ải của kính thiên văn là khoảng cách biểu kiến (khoảng cách góc) giữa hai điểm trên bầu trời mà kính có thể phân biệt được. Độ phân giải càng cao (tức là có giá trị càng nhỏ) thì kính càng có hiệu năng tốt và thích hợp cho sự quan sát những ngôi sao xa xôi phát ra tia maser. Vì lý do kỹ thuật, cuộc thí nghiệm có tính tiên phong này không được thực hiện. Tuy nhiên, dùng những kết quả quan sát bằng kính Nançay cùng những mô hình lý thuyết, chúng tôi đã phát hiện được một số nguồn bức xạ maser trong Ngân Hà [4], [5] và nghiên c ứu được những điều kiện lý hóa của môi trường xung quanh những ngôi sao [6] Kính thiên văn vô tuyến 100 met đường kính của Viện Max-Planck (Đức) đặt tại Effelsberg gần thành phố Bonn Năm 1973, tôi sang nghiên cứu tại viện Max-Planck (ở thành phố Bonn, hồi đó còn là thủ đô của Cộng Hòa Liên Bang Đức). Trong hai năm cộng tác với những nhà khoa học từ các nước khác tới, tôi sử dụng kính thiên văn vô tuyến của viện Max-Planck, đặt tại Effelsberg ở một vùng đồi núi, cách Bonn 40 km. Kính Effelsberg là loại kính vô tuyến cỡ lớn, 100 m đường kính, hoạt động trên những bước sóng centimet, có khả năng quay như một radar kh ổng lồ để theo dõi trong hàng giờ, những thiên thể chuyển động trên bầu trời. Do đó, kính Effelsberg thu được nhiều photon vô tuyến phát ra từ các thiên hà xa xôi. Chúng tôi dùng kính Effelsberg và phát hiện được một nguồn bức xạ maser của phân tử hydroxyle (OH), phát ra từ trung tâm thiên hà Messier 82, cách Trái đất 10 triệu năm ánh sáng (Hình 1). Đây là lần đầu tiên một bức xạ maser rất mạnh được phát hiện trên bầu trời Bắc Bán cầu, trong một thiên hà khác, ở hẳn bên ngoài Thiên Hà của chúng ta [7] Hình 1: Phổ của phân tử OH phát ra bởi thiên hà Messier 82 trên tần số 1667 MHz (bước sóng 18 centimet). Bức xạ maser xuất hiện dưới dạng một đỉnh rất hẹp (phía bên trái) trong phổ. Trục tung là cường độ của bức xạ. Trục hoành là tần số, thường được quy ra thành tốc độ xuyên tâm theo công thức Doppler v = c   (v là tốc độ xuyên tâm, c là tốc độ ánh sáng,  là tần số, / là độ dịch chuyển của vạch phổ so với tần số nghỉ). Các nhà thiên văn dùng kính vô tuyến thiên văn Effelsberg có đường kính 100m của viện Max-Planck (Đức) để phát hiện ra bức xạ maser này) (Nguyễn Quang Riệu và cộng sự, 1976) Hình 2: Hình bên trái (a): Thông thuờng thì phân tử (biểu thị bằng những vòng tròn) nằm ở những mức năng lượng thấp. Số phân tử càng thưa thớt khi càng lên những mức năng lượng cao. Hình bên phải (b): Nguyên tắc của hiệu ứng khuếch đại maser trong một đám khí phân tử là bơm những phân tử từ những mức năng luợng thấp (những vòng tròn màu xám) lên những mưc năng lượng cao (mũi tên lên) Khi đó nếu có một bức xạ (mũi tên quăn) rọi vào đám khí thì những phân tử vừa được bơm lên đều đổ xô xuống những mức năng lượng dưới và đồng thời phát ra một vạch bức xạ maser rất mạnh (mũi tên xuống) đặc trưng của đám khí phân tử. Bức xạ maser có thể mạnh bằng hàng tỉ lần bức xạ bức xạ rọi vào đám mây Những bức xạ maser xuất phát từ môi trường xung quanh những ngôi sao còn non, đang được hình thành và những ngôi sao đang hấp hối, hoặc đã nổ tung. Môi trường này là nơi tập trung của khí và bụi. Bức xạ hồng ngoại của sao và bụi kích thích các phân tử trong vỏ sao lên những mức năng lượng cao. Sau đó, các phân tử lại rơi xuống mức năng lượng cơ bản (thấp nhất). Một số phân t ử đọng trên những mức năng lượng trung gian, theo quy tắc chọn lọc của cơ học lượng tử (Hình 2). Đây là quá trình "đảo ngược mật độ phân tử," những phân tử ở các năng lượng thấp được "bơm" lên những mức năng lượng cao. Sự phân bố phân tử trên các mức năng lượng không còn tuân theo định luật Boltzmann (theo định luật này thì số phân tử ở những mức n ăng lượng cao ít hơn số phân tử ở những mức năng lượng thấp) nên đám khí phân tử không ở trạng thái "cân bằng nhiệt động" (thermodynamic equilibrium). Sau khi các phân tử tập trung ở những mức trung gian rơi xuống những mức năng lượng thấp hơn thì phát ra một bức xạ rất mạnh, bức xạ maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Cơ chế "bơm" phân tử lên những mức năng lượng cao cũng t ương tự như cơ chế bơm laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) trong phòng thí nghiệm. Những photon, chủ yếu là photon hồng ngoại phát ra bởi những ngôi sao và những hạt bụi, hay sự va chạm giữa những phân tử và hydrogen đều tham gia vào cơ chế bơm các [...]... khoa hc cho thiu nhi v cho c ngi ln, trong ú cú nh chiu hỡnh v tr ang c tin hnh thun li Nh chiu hỡnh v tr cú vũm 14 met ng kớnh, tng ng vi kớch thc ca nh chiu hỡnh v tr ti Paris Nhng hin tng xy ra trờn bu tri s c tỏi to trờn mn hỡnh di vũm hỡnh bỏn cu Nhõn viờn iu khin mỏy ch cn bm nỳt l trờn vũm hỡnh s hin ra ... 10 Sau khi hng dn nhõn dõn quan sỏt nht thc ti Phan Thit, chỳng tụi ó tng i hc Quc gia H Ni cỏc thit b ny sinh viờn thc tp Hỡnh 10: Nht thc quang hc: Mộp g gh ca Mt Trng ỏnh sỏng ca Mt tri lt qua, trụng nh nhng mt kim cng lúng lỏnh (chp bi Koutchmy ti Phan Thit nhõn nht thc ngy 24/10/1995 i Thiờn vn Paris, i hc Pierre v Marie Curie ó ký kt cựng i hc Quc gia H Ni mt hp ng gii thiu v ging dy cho . Vũ trụ phòng thí nghiệm thiên nhiên vĩ đại Vietsciences-Gs Nguyễn Quang Riệu 1- Bầu trời tuổi thơ 2- Nghể thiên văn 3- Quá trình nghiên cứu khoa. hưởng gì đến con người? Thiên văn học ngày nay liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Vũ trụ là một phòng thí nghiệm thiên nhiên lý, hóa, sinh mà các nhà thiên văn muốn tìm hiểu cạnh thủ đô Hà nội. Tuy nhiên, những ấn tượng trước vẻ đẹp của thiên nhiên đã ngấm ngầm thúc đẩy tôi hâm mộ ngành thiên văn, để chụp chân dung của những vì sao trong vũ trụ. Từ thời xa xưa bầu