LUẬN văn sư PHẠM vật lý cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và những thành tựu đạt được của kính thiên văn không gian hubble

Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí Phần I MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Trong nghiên cứu thiên văn học, hoạt động quan sát đóng vai trò quan trọng Hầu hết quan sát mắt thường nhà thiên văn cổ thực từ hàng trăm, hàng nghìn năm trước để xác định chu kì chuyển động biểu kiến thiên thể, dự đoán xem xét tượng thiên văn, phân chia xác định chòm v.v… 400 năm trở lại đây, quan sát loài người tiến xa nhiều nhờ xuất kính thiên văn Việc quan sát nghiên cứu sao, thiên hà xa, tìm hiểu cấu trúc vũ trụ địi hỏi có mặt loại dụng cụ Kính thiên văn thiết bị cho tạo nên cách mạng khoa học kỷ 17 Nó làm sáng tỏ nhiều tượng bầu trời có ảnh hưởng định đến tranh cãi người theo trường phái địa tâm truyền thống người theo trường phái nhật tâm Cơpécníc khởi xướng Lần người có dụng cụ để mở rộng giác quan với giới bên ngồi, điều kể từ chuyển dần việc quan sát tự nhiên từ người sang cho thiết bị, máy móc Ngày kính thiên văn làm việc hiệu kính thiên văn khơng gian Hubble Kính thiên văn Hubble coi “cuộc cách mạng” ngành thiên văn Trung Học liệu ĐH Thơ học tâm giới với hìnhCần ảnh tuyệt vời@ thuTài đượcliệu từ vũhọc trụ tập nghiên cứu Từ ứng dụng kính thiên văn Huuble, em định thực đề tài “Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động thành tựu đạt kính thiên văn khơng gian Hubble” MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI - Tìm hiểu vài nét lịch sử kính thiên văn khơng gian Hubble - Tìm hiểu cấu tạo ngun tắc hoạt động kính thiên văn khơng gian Hubble - Tìm hiểu khám phá quan trọng kính thiên văn không gian Hubble ý nghĩa khám phá PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI - Chỉ trình bày lý thuyết có liên quan - Đa phần sử dụng tài liệu internet để tìm hiểu kính thiên văn khơng gian Hubble CÁC MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI - Phần lý thuyết: tìm hiểu lược sử kính thiên văn, tìm hiểu cấu tạo hoạt động, ưu điểm kính thiên văn khơng gian Hubble - Phần ứng dụng: Tìm hiểu khám phá kính thiên văn Hubble ý nghĩa khám phá SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 5.1 Phương pháp - Tra cứu tài liệu tìm hiểu thực tế - So sánh, phân loại tổng hợp kiến thức - Giải toán truyền thống - Giải tốn máy vi tính 5.2 Phương tiện - Sách tham khảo, mạng Internet - Máy tính CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI - Tìm tài liệu, khái niệm thuật ngữ liên quan đến nội dung đề tài - Tìm hiểu mức độ thực đề tài liên quan đến vấn đề - Thực nội dung đề tài phần lý thuyết phần ứng dụng - Hoàn chỉnh luận văn Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí CÁC KÍ HIỆU QUY ƯỚC CỦA ĐỀ TÀI - HST: Kính thiên văn khơng gian Hubble (Hubble Space Telescope) - NASA: Cục quản trị hàng không không gian quốc gia (National Aeronautics and Space Administration) - ESA: Cơ quan không gian châu Âu (European Space Agency) - SSI: Viện khoa học không gian (Space Science Institute) - GSFC: Trung tâm vũ trụ NASA (NASA's Goddard Space Flight Center) - ST-ECF Viện viễn kính khơng gian châu Âu (Space Telescope-European Coordinating Facility) - SSM: Hệ thống hỗ trợ (Support Systems Module) - OTA: Hệ kính thiên văn quang học (Optical Telescope Assembly) - SMS: Cấu trúc hệ thống máy móc phụ (Structures and Mechanisms Subsystem) - STOCC: Trung tâm iều khiển thao tác kính thiên văn không gian (Space Telescope Operations Control Center) - HGA: Anten độ lợi cao (High Gain Antenna) - LGA: Anten độ lợi thấp (Low Gain Antenna) - RDA: Nh÷ng kÝch quay điỊu khiĨn (Rotary Drive Actuators) - DMS: HƯ thèng quản lý liệu (Data Management Subsystem) - SBC: Máy tÝnh ®éc lËp (single-board computer) - ICS: Hệ thống đo đạc trun th«ng phụ (Instrumentation and Communications Subsystem) Trung tâm HọcHệliệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu họcSubsystem) tập v nghiờn cu - DMS: thng quản lý liệu (Data Management - DMU: Đơn vị quản lý liệu (Data Management Unit) - DIU: Bộ phận giao diện liệu (Data Interface Units) - PCS: HƯ thèng điỊu khiĨn (Pointing Control Subsystem) - SIC&DH: Hệ điỊu khiĨn dơng khoa hc v ơn vị xut liệu (Science Instrument Control and Data Handling Unit) - NSCC-I: Máy tính tàu vị trơ NASA (NASA Standard Spacecraft Computer) - SIU: Bé phËn giao diÖn chuÈn (Standard Interface Unit) - CU/SDF: Đơn vị iều khiển/nh dng liệu khoa học (control Unit/Science Data Formatter) - PCU: Nguồn điều khiển (Power Control Unit) - RIU: Bé phËn giao diÖn tõ xa (Remote Interface Units) - ACS: Camera khảo sát (The Advanced Camera for Surveys) - WFC: Kênh băng thông rộng (Wide Field Channel) - HRC: Kênh phân giải cao (High Resolution Channel) - SBC: Kênh nhận trực tiếp ánh sáng mặt trời (Solar Blind Channel) - SITe: Công nghệ tạo ảnh khoa học (SITe) - MAMA: Hệ thống mạch vi xử lý cực dương (Multi-Anode Microchannel Array) - CCDs: Thiết bị sinh cặp điện tích (The charge-coupled devices) - ACCUM: ACS MAMA hoạt động theo kiĨu tÝch lịy SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí - NICMOS: Camera hồng ngoại quang phổ kế (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer) - NICMOSlook: Chương trình phân tích liệu - WFPC2: Camera có trường rộng hệ (Wide Field/Planetary Camera 2) - WFC: Camera trường rộng kính thiên văn Hubble (Hubble's Wide Field Camera) - PC: Camera có trường rộng dùng để chụp ảnh hình hành tinh (Planetary Camera) - STIS: Máy chụp ảnh quang phổ (Space Telescope Imaging Spectrograph) - FGS: Sensor dẫn hướng quang học (Fine Guidance Sensor) - SSA: Bộ chän läc A (Star Selector A assembly) - SSB: Bộ chän läc B (Star Selector A assembly) - AMA: Hệ gương Articulating Mirror Assembly - IFOV: Thị trường tức thời (Instantaneous Field of View) - PMT: Ống nhân quang điện tử - ST-ECF: Space Telescope-European Coordinating Facility () - STScI: Viện khoa học viễn kính khơng gian (The Space Telescope Science Institute) - TDRSS: Hệ thống vệ tinh vô tuyến viễn thông (Tracking and Data Relay Satellite System) - GSFC: Trung tâm không gian - STOCC: Trung tâm điều khiển thao tác viễn kính không gian (Goddard's Space Telescope Operations Control Center) Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí Phần II NỘI DUNG VÀI NÉT VỀ KÍNH THIÊN VĂN VŨ TRỤ HUBBLE HST tàu thoi đưa lên quỹ đạo vào ngày 24 tháng năm 1990, từ trung tâm không gian Kennedy, Florida vào quỹ đạo độ cao 569 km so với mặt đất, với độ nghiêng 28,5° 97 phút quay vòng quanh trái đất với vận tốc 28000 km/h Hubble thành NASA ESA Người ta lấy tên nhà thiên văn Edwin Hubble để đặt cho Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu Hình 1a: Quỹ đạo HST Ðó kính thiên văn điều khiển từ mặt đât, Viện khoa học không gian (Space Science Institute) đặt Baltimore Nhờ ngồi tầng khí trái đất nên kính thiên văn chụp hình ảnh rõ ràng tối đa khơng có ảnh hưởng dao động tầng khơng khí mà tia sáng phải xuyên qua chúng tới kính thiên văn đặt mặt đất SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí Hình 1b: HST tàu thoi phóng vào vũ trụ (NASA, 24 tháng năm 1990) HST kính quang học bay quỹ đạo to Các nhà thiên văn dùng HST để nghiên cứu khoa học, ước lượng tuổi thành phần cấu tạo vũ trụ, Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu thiên hà mà trước chưa biết tới, hiển nhiên lỗ đen thiên hà, tạo vùng hiểu biết trình vật lý vũ trụ Lyman Spitzer (1914-1997) cha đẻ kính thiên văn khơng gian mang tên Hubble, tàu thoi đưa lên quỹ đạo vào tháng năm 1990 Ngay từ cuối năm 1940, ông nêu ý tưởng đưa lên quỹ đạo bên bầu khí Trái Đất kính thiên văn lớn có khả bắt ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy lẫn tử ngoại Ý tưởng đề xuất sớm gần chục năm, trước vệ tinh phóng lên Vũ trụ vào năm 1957 Ban đầu không tin điều làm Spitzer phải tốn hàng chục năm thuyết phục cộng đồng nhà thiên văn ích lợi dự án thuyết phục Quốc hội Mỹ đồng ý cấp kinh phí Ban đầu, lẽ kính phải có gương đường kính 3m, hạn chế kinh phí, nên cuối rút lại cịn 2,4m Hình 1c: Lyman Spitzer (1914-1997) SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí Hubble khơng hoạt động người ta hy vọng Sau đưa lên quỹ đạo, nhà thiên văn nhận thấy gương “kỳ quan cơng nghệ” thực có sai hỏng nghiêm trọng Kính thiên văn nhìn bị nhịe! Điều gây nên thất vọng kinh khủng Tuy quan sát đối tượng xa, Hubble gửi nhiều thông tin thiên thể sáng hành tinh hệ Mặt Trời thiên hà gần Việc xử lý nhờ kỹ thuật tin học tinh xảo mặt đất cho phép sửa khuyết điểm kính Hubble Tuy nhiên thiên thể sáng yếu, chẳng hạn hệ hành tinh quay quanh khác hay thiên hà xa hồn tồn khơng thu bắt May thay khơng bị NASA bỏ rơi Vào cuối năm 1993, sứ mạng ngoạn mục tàu thoi không gian, nhà du hành Vũ trụ NASA, vũ điệu siêu thực không trọng lượng quay quanh Trái Đất 97 phút vòng cách mặt đất hàng trăm kilômét, lắp đặt thành công hệ thống thấu kính để sửa khuyết điểm kính Hubble Giờ kính Hubble nhìn Vũ trụ với tất độ nét tuyệt vời Hubble cho phép bội thu phát minh kỳ diệu - phát minh làm thay đổi quan niệm giới Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu Hình 1d: HST năm 1993 Hình 1e: HST độ cao 569 km so với mặt đất SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí Hình 1f: Kính khơng gian Hubble sửa chữa Ngày 24 tháng năm 2005, trung tâm Chabot Space and Science Center (10000 Skyline Boulevard, Oakland, CA 94619) tổ chức lễ kỷ niệm 15 năm tuổi tâm HST vào 10h ĐH (giờ Cần địa phương) khai số hình ảnh Trung Họclúcliệu Thơ @ Tài mạc liệucuộc họctrưng tậpbày nghiên cứu độc đáo HST phát chụp Mọi nguời mời vào xem hình ảnh chưa cơng bố kính thiên văn Hubble chụp, xem khu trưng bày hình ảnh kính Hình 1g: HST HST nặng 11 tấn, dài 13,2m, đường kính 4,2m giá tỉ USD Ngồi ra, cịn gắn thêm hai sử dụng lượng mặt trời Là kính thiên văn phản xạ có mặt kính; kính (kính sơ cấp) có đường kính 2,4m Nó mắc nối với hai phổ kế khác camera điện tử riêng biệt với lọc khuếch tán ánh SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí sáng dùng để chụp vật xa: camera có trường hẹp cho vật có độ chiếu sáng yếu, khác có trường rộng cho hình thuộc hành tinh camera hồng ngoại kết hợp với quang phổ kế Nó dùng hai pin mặt trời để cung cấp điện cho camera bốn bánh lái để định hướng kính thiên văn giữ cho ổn định Camera hồng ngoại phổ kế làm lạnh 93 K Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí CẤU TẠO KÍNH THIÊN VĂN VŨ TRỤ HUBBLE Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập nghiên cứu Hình 2a: Minh họa ba hệ thống Hubble HST có ba hệ thống ảnh hưởng lẫn nhau: - Hệ thống hỗ trợ (SSM): Một cấu trúc phía ngồi cung cấp cho hệ thống khác dịch vụ như: lượng, truyền thông liệu, … - Hệ kính thiên văn quang học (OTA): tập trung ánh sáng vào mặt phẳng trung tâm cho dụng cụ khoa học - Các dụng cụ khoa học: thiết đặt bên tàu vũ trụ mặt phảng trung tâm đặt dọc theo chu vi tàu vũ trụ SVTH: Nguyễn Bá Thành 10 GVHD: ThS Lê Văn Nhạn ... nghiệp Ngành SP Vật Lí CÁC KÍ HIỆU QUY ƯỚC CỦA ĐỀ TÀI - HST: Kính thiên văn không gian Hubble (Hubble Space Telescope) - NASA: Cục quản trị hàng không không gian quốc gia (National Aeronautics and... nghiệp Ngành SP Vật Lí Phần II NỘI DUNG VÀI NÉT VỀ KÍNH THIÊN VĂN VŨ TRỤ HUBBLE HST tàu thoi đưa lên quỹ đạo vào ngày 24 tháng năm 1990, từ trung tâm không gian Kennedy, Florida vào quỹ đạo độ... chúng tới kính thiên văn đặt mặt đất SVTH: Nguyễn Bá Thành GVHD: ThS Lê Văn Nhạn Luận văn tốt nghiệp Ngành SP Vật Lí Hình 1b: HST tàu thoi phóng vào vũ trụ (NASA, 24 tháng năm 1990) HST kính quang