Nghiên cứu bụi trong môi trường xung quanh sao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Võ Thị Mộng Linh NGHIÊN CỨU BỤI TRONG MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH SAO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Thành Phố Hồ Chí Minh – 2015 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Võ Thị Mộng Linh NGHIÊN CỨU BỤI TRONG MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH SAO Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60 44 01 06 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CAO ANH TUẤN Thành Phố Hồ Chí Minh – 2015 iii Lời cảm ơn Trong suốt trình học tập, nghiên cứu thực hiện đề tài, dù gặp nhiều khó khăn tơi ln nhận quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình từ thầy cô, bạn bè người thân gia đình Xin nhận nơi tơi lịng biết ơn sâu sắc Xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn TS Cao Anh Tuấn,thầy định hướng nội dung đề tài, giới thiệu nguồn tài liệu tham khảo, đồng thời hướng dẫn tận tình thường xun đơn đốc, chỉnh sửa luận văn cho Xin cảm ơn q thầy nhiệt tình giảng dạy giúp đỡ suốt thời gian học tập trường, đặc biệt thầy khoa Vật lí Phịng Sau đại học trường ĐH Sư Phạm TP HCM Xin cảm ơn bạn nhóm Thiên văn nhiệt tình chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức giúp tơi hồn thành đề tài Hồ Chí Minh, tháng 03/2015 Học viên thực đề tài Võ Thị Mộng Linh iv Mục lục Lời cảm ơn iii Mục lục iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi Mở đầu .1 Chương 1: TỔNG QUAN VẬT CHẤT LIÊN SAO .4 1.1 Khái quát Ngân hà 1.1.1Các cấp sáng Ngân hà 1.1.2 Các quần thể 1.2Các trường xạ trường điện từ 1.2.1 Các trường xạ 1.2.2Từ trường 1.3 Sự truyền xạ kích thích 16 1.3.1Phương trình truyền qua .16 1.3.2 Hệ hai mức khỏi LTE .23 1.3.3Trường hợp chung,các dòng Maser 29 Chương 2: THÀNH PHẦN VÀ MƠ HÌNH VẬT CHẤT LIÊN SAO 35 2.1Khí nguyên tử trung hòa 35 2.1.1Vạch 21 cm nguyên tử hiđro 36 2.1.2 Các vạch cấu trúc tinh tế vùng xa hồng ngoại .41 2.1.3 Các vạch hấp thụ liên 42 2.2 Thành phần phân tử 46 2.2.1Giới thiệu .46 2.2.2 Các dịch chuyển điện từ 48 v 2.2.3 Các dịch chuyển dao động 49 2.2.4 Các dịch chuyển xoay 51 2.2.5 Phổ quay phân tử gồm nhiều nguyên tử 53 2.2.6 Các dải liên khuếch tán .54 2.3 Bụi liên 55 2.3.1Sự chuyển đỏ suy giảm liên 57 2.3.2 Sự phát xạ bụi liênsao 63 2.3.3 Các mơ hình bụi chung .68 Chương 3: MÔ PHỎNG BỤI BẰNG CHƯƠNG TRÌNH DDSCAT 70 3.1 Chương trình DDSCAT 70 3.1.1 Giới thiệu .70 3.1.2 Khả áp dụng DDA .71 3.1.3 Tính tốn DDSCAT 7.3 72 3.1.4 Áp dụng cho bia đặt điện môi 73 3.2 Một số điểm khác biệt DDSCAT 7.3 so với phiên trước 74 3.3Tải mã nguồn gói ví dụ cài đặt Window 75 3.3.1 Thực thi tự động 75 3.3.2Sự biên soạn với MINGW 75 Thực thi ví dụ ELLIPSOID_NEARFIELD RCTGLPRSM_NEARFIELD 76 3.5 Kết .77 3.5.1 ELLIPSOID_NEARFIELD 77 3.5.2 RCTGLPRSM_NEARFIELD .79 KẾT LUẬN& HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT  AAS(American Astronomical Society): Hội Thiên văn Hoa Kỳ  DDA (discrete dipole approximation): xấp xỉ lưỡng cực rời rạc  DDSCAT(discrete dipole scattering): tán xạ lưỡng cực rời rạc  IR(infrared): xạ hồng ngoại  ISM (Intersellar Medium): môi trường liên  H I: vùng hiđro I, đám mây mơi trường liên sao, chủ yếu gồm nguyên tử hiđro trung hòa (H I), ngồi cịn hêli ngun tố khác Các khu vực không phát xạ nhìn thấy (trừ vạch phổ nguyên tố khác hiđro) quan sát quang phổ vạch 21 cm  H II: vùng hiđro II, đám mây hiđro bị ion hóa phần  LTE (Local Thermal Equilibrium): cân nhiệt định xứ (non – LTE: không cân nhiệt định xứ)  LVG (Large Velocity Gradient): gradien vận tốc lớn  UV (ultrviolet): xạ tử ngoại Mở đầu Môi trường (hay môi trường liên – ISM ) người bắt đầu nghiên cứu từ năm đầu kỷ XX tận ngày Đó mơi trường vật chất tồn khoảng không gian thiên hà Vật chất bao gồm khí dạng ion, nguyên tử hay phân tử, bụi tia vũ trụ Mặc dù chiếm khoảng 1% vật chất mơi trường liên sao, bụi lại đóng vai trò quan trọng định đến tính chất vật lí hóa học mơi trường liên sao, đến trạng thái cân lượng Ngân hà Nghiên cứu bụi liên giúp người biết thành phần cấu trúc bụi, tương tác bụi với mơi trường, từ biết nguồn gốc hình thành bụi, góp phần nghiên cứu tiến hố thiên hà Năm 1930, lần nhà thiên văn học gốc Thụy Sĩ Robert Julius Trumpler phát hấp thụ ánh sáng bụi liên đường chúng tới người quan sát Trái đất Cùng thời điểm đó, độc lập với Trumpler, nhà vật lí thiên văn người Nga Boris Vorontsov Aleksandrovich – Velyaminovcũng phát tượng tương tự Ngày nay, bụi liên nhà thiên văn học giới Boulanger F., Draine B.T., Flatau, Mathis, James Lequeux… nghiên cứu kĩ, họ xác định thành phần vật chất, đặc tính tương tác bụi với photon Tính đến tháng 11 năm 2014, nhà thiên văn cộng xác định 180 phân tử bụi liên sao, vỏ lạnh hay tàn dư vụ nổ siêu tân tinh Và số không ngừng tăng lên theo thời gian, trung bình khoảng phân tử/ năm Nói chung, việc nghiên cứu bụi trở thành nhiệm vụ quan trọng ngành thiên văn học đại Năm 1999, quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) phóng tàu rơbơt Stardust với sứ mệnh truy đuổi chổi Wild nhằm tìm kiếm bụi ngồi hệ Mặt trời Sau năm hoàn thành sứ mệnh mình, năm 2006, tàu Stardust đáp xuống Trái đất mang hạt bụi có nguồn gốc từ không gian liên “Chúng hạt vô quý giá”, theo Space.com dẫn lời nhà vật lý học Andrew Westphal Đại học California, Berkeley (Mỹ), người dẫn đầu nghiên cứu Khoảng 30 000 người vào để nghiên cứu hạt bụi giám định thêm nhiều ảnh với hy vọng tìm thêm nhiều hạt bụi dạng Cơng nghiên cứu còn tiếp diễn Nghiên cứu bụi liên hai cách ngược Cách thứ nghiên cứu phổ quan sát kết luận thành phần bụi Nói chung, cách khó thực Cách thứ hai đưa mơ hình bụi nghiên cứu phổ chúng, sau đối chiếu với phổ quan sát từ kết luận mơ hình bụi Theo cách Purcell & Pennypacker (1973) lần xây dựng chương trình DDSCAT, sau Draine, Goodman Flatautiếp tục phát triển thêm Chương trình có khả mơ q trình tán xạ hấp thụ ánh sáng mẫu bụi định trước người dùng thông qua việc thay đổi thông số liệu đầu vào Nhờ đó, q trình xây dựng mơ hình bụi thuận tiện dễ dàng Mặc dù nhà thiên văn học giới miệt mài tìm kiếm thêm mẫu bụi nhằm bổ sung vào danh sách phân tử môi trường liên phát cố gắng giải thích đỉnh hấp thụ 2175Å, chưa thống mẫu bụi chung,hay còn bế tắt việc giải thích khoảng 400 đỉnh yếu miền hồng ngoại đường tắt dần chuẩn thiên hà Ở Việt Nam, việc nghiên cứu bụi còn giai đoạn sơ khai, chưa có cơng trình nghiên cứu bụi Có vài viết đề cập bụi liên đăng tải trang web khoa học Với mong muốn người tiên phong nước nghiên cứu bụi liên sao, lĩnh vực mà giới bắt tay nghiên cứu từ lâu đạt thành tựu vô to lớn, tạo tiền đề cho hệ sau tiếp tục nghiên cứu bụi Đó lí mà tác giả chọn đề tài Trong luận văn, tác giả trình bày lại kiến thức vật lí thiên vănvà giới thiệu phương pháp giúp nhà thiên văn học tiếp cận mơi trường liên sao, có bụi nhằm giúp người đọc có nhìn tổng quan môi trường liên sao, bụi liên Các nội dung trình bày chương Trong chương tiếp theo, tác giả tổng hợp vấn đề liên quan đến thành phần đặc tính vật chất liên Phần còn lại chương, tác giả mơ tả lại đặc tính bụi liên ánh sáng chiếu tới chúng, đồng thời tóm tắt mẫu bụi nhà thiên văn học việc giải thích đỉnh hấp thụ 2175 Å đường tắt dần chuẩn thiên hà Phần còn lại luận văn, tác giả giới thiệu chương trình DDSCAT, cách tải phần mềm cài đặt chương trình Window, đồng thời thực thi tính tốn hai gói ví dụ có sẵn với mục đích làm quen với chương trình DDSCAT phần mềm hỗ trợ việc vẽ đồ thị minh họa cho tượngtán xạ hấp thụ ánh sáng chiếu tới bia biết Do hiểu biết còn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót Mọi đóng góp ý kiến người đọc giúp tác giả hoàn thiện hiểu biết sửa chữa để luận văn hoàn chỉnh Chương 1: TỔNG QUAN VẬT CHẤT LIÊN SAO 1.1 Khái quát Ngân hà Cũnggiống thiên hà vũ trụ, Thiên hà (còn gọi Ngân hà) hệ thống phức tạp gồm sao, khí hạt bụi nằm từtrường Chúng xạ toàn phổ lượng điện từ, đồng thời chúng phát hạt “tia vũ trụ” (“cosmic-ray” particles) trung hòa tích điện tồn miền lượng Các thiên hà giới hạn lực hấp dẫn thành phần tương tác mạnh khác nhau, chúng trao đổi khối lượng, động lượng lượng Vì thiên hà hệ phức tạp nên mô tả tỉ mỉ mà mơ tả cách gần Những thiên hà giống Ngân hà haycác đám (star clusters), đám mây (intersellar clouds), coi hệ cô lập Dưới khảo sát số yếu tố Ngân hà 1.1.1Các cấp sáng Ngân hà Ngân hà có cấu trúc đĩa quay có bán kính khoảng 20 kpc (kiloparsec; parsec = 3,08×1018 cm) Độ dày cỡ vài trăm parsec Mặt trời cách trung tâm Ngân hà khoảng – 8kpc quay xung quanh tâm với tốc độ dài cỡ 180 – 200 km/s có chu kỳ quay quanh tâm 240 triệu năm(gọi năm thiên hà) Trung tâm đĩa Ngân hà phình lên, sáng với bán kính khoảng kpc, xa trung tâm, đĩa dát mỏng độ sáng giảm dần Tất Ngân hà coi khơng va chạm với thời gian lần va chạm lớn (ví dụ khu vực lân cận Mặt trời là3 × 1017 s) Tổng khối lượng Thiên hà dự đoán 𝑀𝐺 ≃ 1,7 × 1011 𝑀⊙ (𝑀⊙ = 1,9891 × 1030 𝑘𝑔: khối lượng Mặt trời) bán kính cỡ 20 kpc Bên ngồi bán kính coi khơng có Tỷ lệ khối lượng / độ trưng bên bán kính 20 kpc 69 - Sự tắt dần vùng ánh sáng nhìn thấy khác từ vùng sang vùng khác, điều có liên quan đến hạt lớn, phân bố kích thước MRN (đã cho kết khả quan), - Các dải thơm đóng góp đáng kể vào hấp thụ, - Trong miền UV có khác biệt lớn đường cong suy giảm kết quan sát được, xuất dải 2175 Å, - Trong miền hồng ngoại có thay đổi lớn vùng bước sóng – μm  Mẫu Désert cộng Li & Greenberg cho đóng góp bụi nhỏ cacbon hấp thụ nhóm 2175 Å, PAH chi phối vùng xa UV đường suy giảm đưa phần suy giảm vùng nhìn thấy UV  Dwek cộng cho bụi nhỏ graphit với phân bố kích thước đến phân tử với 20 nguyên tử cacbon  Mẫu Weingartner & Draine mẫu Boulanger cộng sựgiả sử nhóm 2175Ao xuất phát hồn tồn từ PAH Tất mơ hình mơ cách thỏa đáng biến đổi quy luật tắt dần cách thay đổi cách hợp lí phân bố kích thước hàm lượng hạt [9] Các mơ hình bụi gián tiếp mang lại thơng tin tính chất hấp thụ phát xạ bụi, bao gồm xây dựng mơ hình đơn giản thiên hà đĩa 70 Chương 3: MÔ PHỎNG BỤI BẰNG CHƯƠNG TRÌNH DDSCAT Trong chương này, tìm hiểu qua phần mềm DDSCAT 7.3 ứng ứng dụng việc mơ lại q trình tán xạ hấp thụ ánh sáng bụi liên (bia) Ưu điểm bật chương trình thay đổi thông số vật liệu làm bia, hay bán kính hiệu dụng hệ số khúc xạ bia, bước sóng ánh sáng tới…từ xác định thành phần cấu tạo, hình dạng, kích thước bia Tuy nhiên, thực thitrên với số liệu có sẵn thư mục examples_exp, sau dùng phần mềm hỗ trợ OriginLab 8.5.1[16], ParView[13], MayaVi2[14]để vẽ đồ thị hình mơ 3D 3.1 Chương trình DDSCAT 3.1.1 Giới thiệu DDSCAT gói phần mềm để tính tốn tán xạ hấp thụ sóng điện từ với bia (target) có dạng hình học tùy ý, sử dụng "xấp xỉ lưỡng cực rời rạc (discrete dipole approximation)" (DDA) Trong xấp xỉ này, bia thay mảng lưỡng cực điểm (điểm phân cực) Vấn đề tán xạ điện từ trường sóng tới tuần hồn tương tác với mảng lưỡng cực điểm giải xác DDA (đơi gọi "xấp xỉ lưỡng cực kết") đưa lần Purcell & Pennypacker (1973) Lý thuyết DDA xem xét phát triển thêm Draine (1988) [11], Draine & Goodman (1993), Draine & Flatau (1994)[4], gần mở rộng đến cấu trúc tuần hoàn Draine & Flatau (2008)[5] DDSCAT 7.3, phiên DDSCAT, mã nguồn mở Fortran 90 thực DDA phát triển tác giả DDSCAT 7.3 tính tốn hấp thụ tán xạ bia bị lập, bia tuần hồn hai chiều, sử dụng phương pháp mô tả Draine& Flatau (2008)[5] DDSCAT nhận định công cụ linh hoạt, phù hợp cho loạt ứng dụng bao gồm nghiên cứu bụi sao, tế bào máu, vi sinh vật biển, mảng cấu trúc nano[8] 71 3.1.2 Khả áp dụng DDA Ưu điểm DDAlà áp dụng linh hoạt cho bia có dạng hình học bị giới hạn khoảng cách d nhỏ so với độ dài cấu trúc bia với bước sóng λ Các nghiên cứu Draine & Goodman 1993; Draine & Flatau 1994[7] cho điều kiện |𝑚|𝑘𝑑 < (3.1) với m số khúc xạ phức vật liệu làm bia 𝑘 ≡ 2𝜋/𝜆, 𝜆 bước sóng chân không Khi m lớn, phương pháp DDA có xu hướng đánh giá cao tiết diện hấp thụ Cabsvà sử dụng khoảng cách d lưỡng cực nhỏ (3.1) nhằm giảm sai số Cabs để giá trị chấp nhận Nếu muốn tính xác hàm pha tán xạ điều kiện nghiêm ngặt |𝑚|𝑘𝑑 < 0,5 (3.2) phải tính vi phân tiết diện tán xạ 𝑑𝐶𝑠𝑐𝑎 /𝑑Ω thay tính tiết điện tán xạ trung bình 𝐶𝑠𝑐𝑎 /4𝜋[6] Gọi V thể tích thực vật liệu rắn bia Nếu bia biểu diễn dãy gồm N lưỡng cực nằm mạng tinh thể lập phương có cạnh d 𝑉 = 𝑁𝑑 (3.3) Chúng ta mơ tả kích thước bia bán kính “hiệu dụng” 𝑎𝑒𝑓𝑓 ≡ (3𝑉/4𝜋)1/3 (3.4) “ tham số kích thước ” khơng có thứ ngun 𝑥 = 𝑘𝑎𝑒𝑓𝑓 2𝜋𝑎𝑒𝑓𝑓 62,04 𝑁 1/3 = = ( ) |𝑚|𝑘𝑑 |𝑚| 106 𝜆 (3.5) Suy 𝑎𝑒𝑓𝑓 𝜆 𝑁 = 9,873 ( ) |𝑚|𝑘𝑑 |𝑚| 10 (3.6) Xét tốc độ thực tế CPU nhớ thời có sẵn máy tính thường hạn chế số lượng lưỡng cực làm việc 𝑁 < 106 [8] Như 72 - Đối với phép tính tổng tiết diện 𝐶 𝑎𝑏𝑠 𝐶𝑠𝑐𝑎 , yêu cầu |𝑚|𝑘𝑑 < 1thì 𝑎𝑒𝑓𝑓 𝜆 𝑁 62,04 𝑁 1/3 < 9,88 ( ) ℎ𝑜ặ𝑐 𝑥 < ( ) |𝑚| 106 |𝑚| 106 (3.7) - Đối với phép tính hàm pha tán xạ, yêu cầu |𝑚|𝑘𝑑 < 0,5 𝑎𝑒𝑓𝑓 𝜆 𝑁 31,02 𝑁 1/3 < 4,94 ( ) ℎ𝑜ặ𝑐 𝑥 < ( ) |𝑚| 106 |𝑚| 106 (3.8) 3.1.3 Tính tốn DDSCAT 7.3 3.1.3.1 Hấp thụ tán xạ bia hữu hạn DDSCAT 7.3 giải vấn đề tán xạ hấp thụ bia giới hạn[3], biểu diễn dãy lưỡng cực điểm, tương tác với bước sóng đơn sắc phẳng tới từ vơ DDSCAT 7.3 có khả năngtự động sinh dãy lưỡng cực điểm đặc trưng chotừng cấu trúc hình học bia Các đại lượng DDSCAT 7.3 tính tốn[4], [10]: Hệ số hiệu suất hấp thụ Qabs = Cabs /πa2eff, Cabs hệ số hấp thụ qua tiết diện ngang Hệ số hiệu suất tán xạ Qsca = Csca /πa2eff, Cscalà hệ số tán xạ qua tiết diện ngang Hệ số hiệu suất tổng cộng Qext≡ Qsca+ Qabs Hệ số hiệu suất trễ pha Qpha,được định nghĩa trễ pha sóng phẳng sau truyền quãng đường L ntQphaπa2eff, với nt số mật độ bia Ma trận Mueller 4×4 cường độ tán xạ Sij mơ tả tồn thuộc tính tán xạ bia hướng tán xạ xác định người dùng Véc tơ hiệu suất lựcbức xạ Qrad Véc tơ hiệu suất momen quay 𝑄Γ 3.1.3.2 Hấp thụ tán xạ chuỗi tuần hồn có cấu trúc hữu hạn 73 Draine & Flatau [3] giải vấn đề tán xạ hấp thụ bia vô hạn chiều chiều đại diện cho cấu trúc hữu hạn cách chiếu tới bia sóng phẳng Cấu trúc hữu hạn miêu tả chuỗi lưỡng cực điểm thông qua phương trình tuyến tính, tương tự việc giải vấn đề tán xạ biahữu hạn Các tính chất trường tán xạ từ xa chuỗi chiều chiều miêu (1𝑑) tả khái quát ma trận tán xạ Mueller chiều chiều𝑆𝑖𝑗 (2𝑑) hoặc𝑆𝑖𝑗 (1𝑑) (M,N) Đối với bia chiều, DDSCAT 7.3 tính tốn 𝑆𝑖𝑗 (M,ζ) (M,ζ) cho người (2𝑑) dùng xác định M ζ, còn bia chiều, DDSCAT 7.3 tính toán 𝑆𝑖𝑗 (M,N) cho truyền qua phản xạ, cho người dùng xác định (M,N) 3.1.4 Áp dụng cho bia đặt điện mơi DDSCAT tính tốn hấp thụ tán xạ bia nhúng điện mơi Gọi ω tần số góc xạ tới Trong file thông số ddscat.par, người dùng xác định hệ số khúc xạ mmedium môi trường xung quanh Nếu bia chân khơng mmedium = Ngược lại đặt mmedium hệ số khúc xạ môi trường xung quanh tần số ω Bước sóng cung cấp file ddscat.par bước sóng chân không λvac = 2πc/ω theo tần số ω Phương trình điện mơi hệ số khúc xạ vật liệu làm bia cung cấp qua file qua file ddscat.par File đưa vừa có phương trình điện môi phức 𝜖𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡 vừa hệ số khúc xạ thực phức mtarget =√𝜖𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡 vật liệu làm bia, hàm bước sóng chân khơng Ngồi ra, DDSCAT 7.3 tính tốn tán xạ thực dùng phương trình điện mơi tương đối 𝜖𝑟𝑒𝑙 (𝜔) = 𝜖𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡 (𝜔) , 𝜖𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚 (𝜔) (3.9) 𝑚𝑟𝑒𝑙 (𝜔) = 𝑚𝑡𝑎𝑟𝑔𝑒𝑡 (𝜔) , 𝑚𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚 (𝜔) (3.10) Hệ số tán xạ tương đối: Bước sóng mơi trường bao quanh: (3.11) 74 𝜆𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚 = 𝜆𝑣𝑎𝑐 𝑚𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚 Các hàm hệ số hiệu suất hấp thụ, tán xạ, tắt dần trễ pha Qabs , Qsca,Qext Qpha tính tốn DDSCAT tiết diện hấp thụ, tán xạ tắt dần chia cho πa2eff Phần tử Sij ma trận tán xạ Mueller S 4× 4được tính DDSCAT cho bia hữu hạn tính xác cho mơi trường[11] 𝑰𝑠𝑐𝑎 𝜆𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚 =( ) 𝑺 𝑰𝑖𝑛 2𝜋𝑟 (3.12) 𝑰𝑖𝑛 , 𝑰𝑠𝑐𝑎 vectơ Stock cho sóng tới sóng tán xạ (trong mơi trường đó), r khoảng cách tới bia, λmedium bước sóng mơi trường Lực xạ trung bình theo thời gian mômen xoắn bia hữu hạn môi trường điện môi 𝑭𝑟𝑎𝑑 = 𝑸𝑝𝑟 π𝑎𝑒𝑓𝑓 𝑢𝑟𝑎𝑑 𝚪𝑟𝑎𝑑 = 𝑸Γ π𝑎𝑒𝑓𝑓 𝑢𝑟𝑎𝑑 𝜆𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚 2𝜋𝑟 (3.13) (3.14) Mật độ lượngng trung bình theo thời gian 𝑢𝑟𝑎𝑑 = 𝜖𝑚𝑒𝑑𝑖𝑢𝑚 |𝐸0 |2 8𝜋 (3.15) Với E0cos(𝜛𝑡 + 𝜙) điện trường sóng phẳng tới mơi trường 3.2 Một số điểm khác biệt DDSCAT 7.3 so với phiên trước So với phiên 7.1, 7.2, DDSCAT 7.3 có số cải tiến sau: Cấu trúc file thông số ddscat.parđã thay đổi, sử dụng với phiên 7.1 7.2 cần phải chỉnh sửa So vói DDSCAT 7.2, DDSCAT 7.3 yêu cầu người dùng rõ hệ số khúc xạ (thực) mambient môi trường bao quanh Cũng DDSCAT 7.2, DDSCAT 7.3 bổ sung thêm giải liên hợp gradien, GPBICG QMRCCG So với DDSCAT 7.2, DDSCAT 7.3 yêu cầu người dùng rõ giá trị lớn cho phép lặp lại 75 Giống DDSCAT 7.2, DDSCAT 7.3 hỗ trợ phép tính nhanh điện trường từ trường bên gần bia cách sử dụng phương pháp FFT So với DDSCAT 7.2, DDSCAT 7.3 có thêm tập hợp ví dụ, bao gồm thơng số sóng tới bia, tất nằm thư mục examples_exp nhằm giúp người dùng tiếp cận dễ dàng với phần mềm DDSCAT 7.3 phân phối với chương trình VTRCONVERT.f90 hỗ trợ đồ họa hình học bia sử dụng Visualization Toolkit (VTK), phần mềm mở miễn phí có sẵn cho đồ họa 3D DDSCAT 7.3 phân phối với chương trình DDPOSTPROCESS.f90 cho phép người người dùng dễ dàng trích xuất E (và B) theo điểm dọc thẳng, đồng thời DDPOSTPROCESS.f90 tạo file đồ họa | E |, | E |2 sử dụng công cụ VTK 3.3Tải mã nguồn gói ví dụ cài đặt Window 3.3.1 Thực thi tự động Trước hết, người dùng tải thực thi ddscat[12] tự giải nén bao gồm trình biên dịch biên soạn sẵn, thực thi DDSCAT dành cho Microsoft Window Điều giúp người dùng tránh bước biên dịch khó khăn truy cập vào DDSCAT.Sau tải phần mềm Inno Setup5[17]với phiên (Inno Setup5.5.5 phát hành vào ngày tháng năm 2014) Đâylà trình cài đặt miễn phí cho chương trình Window, cài đặt thực thi Windowddscat.exe bao gồm mã nguồn, tài liệu ví dụ kiểm tra liên quan.Đây cách đơn giản để có DDSCAT chạy hệ điều hành Window Đây phiên xác mà khơng cần phải tối ưu hóa Ở số trường hợp, người dùng cần phải biên dịch lại mãphải sử dụng lệnh command window để mở cửa sổ riêng biệt Đầu tiên thay đổi tên thư mục DDSCAT gọi lệnh ddscat.exe 3.3.2Sự biên soạn với MINGW 76 Ngoài cách thực thi tự động trên, người dùng dùng biên dịch Mingw32 [16]và lựa chọn để biên dịch mã sử dụng MINGW MINGW môi trường phát triển tối thiểu để áp dụng Window Nó cung cấp số công cụ quan trọng cho biên soạn DDSCAT thực thi Window Còn MSYS (Minimal SYStem - hệ thống tối thiểu), hệ thống thơng dịch dịng lệnh Bourne Shell Cung cấp thay cho cmd.exe Window, MSYS hệ thống biên dịch câu lệnh Bourne Shellcung cấp môi trường dòng lệnh chungđể áp dụng tảng MS – Window Chúng ta chạy chương trình mingw-get-inst Trong trình cài đặt ta phải chọn Fortran Compiler, MSYS Basic System MinGW Developer ToolKit Ngoài ra, phải thêm PATH vào thùng thư mục để mô tả MINGW Khi có MINGW MSYS chạy máy, vào "all program" mở"MinGW Shell" Chúng ta dùng lệnh Window để đến thư mục ví dụ chạy chương trình "ddscat.exe" Trước ta phải vào file nguồn, copy file "ddscat.exe" vào gói ví dụ Khi chạy xong chương trình, ta vào thư mục ví dụ thấy file xuất số liệu "target.out";"ddpostprocess.out" ;"w000r000.avg";"w000r000k000.fml"; "w000r000k000.sca"; "VTRoutput.pvd"; "VTRoutput 1.vtr" [8] Thực thi ví dụ ELLIPSOID_NEARFIELD RCTGLPRSM_NEARFIELD Bước 1: Mở phần mềm MinGW Shell dùng lệnhcommand để đến thư mục chứa ví dụ cần thực hiện: cd c:\ddscat/examples_exp/ELLIPSOID_NEARFIELD(hoặc RCTGLPRSM_NEARFIELD) ↵ /ddscat.exe↵ Bước 2: DDSCAT 7.3 tự tính tốn dựa tập tin thơng số ddscat.par có sẵn thư mục Sau chương trình hồn tất việc tính tốn, người dùng vào thư mục ELLIPSOID_NEARFIELD lấy số liệu thuộc tập tin ddpostprocess.out để đưa qua Exel xử lí dùng phần mềm OriginLab 8.5.1[18]để vẽ đồ thị biểu diễn phụ thuộc |𝐸 |2 vào kích thước bia, số liệu thuộc tập tin VTRoutput.pvd file 77 akr.pvd dùng phần mềm ParaView vẽ hình khối 3D, tập tinVTRoutput_1.vtr tập tinakr_1.vtr dùng phần mềm vẽ đồ thị cắt lớp biểu diễn cường độ điện trường bên kích thước bia 3.5 Kết 3.5.1 ELLIPSOID_NEARFIELD Người dùng lấy thông số chứa tập tin ddscat.par thuộc tư mục examples_exp/ELLIPSOID_NEARFIELD bao gồm bia hình cầu với số khúc xạ m = 0,96 + 1,01i (tương ứng với λ = 0,5µm ) 2πa/λ = Bia thể N = 59728 giả mặt cầu lưỡng cực tương ứng với thể tích tính tốn 48 × 48 × 48 |m|kd = 0,309 Kết quả, cường độ điện trường tán xạ hấp thụ vật liệu có dạng khối cầu mô phần mềm hình 3.1, 3.2 3.3 Hình 3.1 Sử dụng ParaView mơ hình dạng lưỡng cực hình cầu, sử dụng kết thư mục ELLIPSOLD NEARFIELD 78 Hình 3.2 Điện trường |E|2/|E0|2trên đường qua tâm khối cầu Au, vẽ phần mềm OriginLab8.5.1 Hình 3.3 |E|2 / |E0|2trên hai mặt phằng, truyền qua trung tâm, truyền qua gần khối cầu vàng a = 0,398µm Mơ phần mềm Mayavi2[14] Từ hình 3.2 3.3, thấy ánh sáng bị chặn mạnh mẽ phía bên khối cầu Cường độ điện trường tăng lên có tổng hợp sóng tới 79 sóng tán xạ bề mặt khối cầu Đối với sóng truyền qua, cường độ điện trường giảm dần sóng vào tâm khối cầu đạt giá trị cực tiểu tâm 3.5.2 RCTGLPRSM_NEARFIELD Cũng tương tự gói ví dụ ELLIPSOID_NEARFIELD, thư mục examples_exp/RCTGLPRSM_NEARFIELD chứa ddscat.par để tính tán xạ sóng tới có bước sóng λ = 0,5μm (trong chân khơng) lên khối vàng Auhình hộp chữ nhật tích 0,25μm x 0,5μm x 0,5μm = 0,0625μm3 biểu diễn 16×32×32 mảng lưỡng cực, lúc khối vàng Au có số tán xạ m = 0,9656 + 1,8628i, phép toán DDA có | m | kd = 0,4120 Chúng ta thấy rằng, bề mặt khối lập phương chủ yếu hấp thụ ánh sáng, gây tượng tán xạ bề mặt không đáng kể so với bề mặt khối cầu Cường độ điện trường không tăng đột biến bề mặt mà bị hấp thụdần dần Đến truyền vào khối hình hộp chữ nhật điện trường bị hấp thụ mạnh đường biểu diễn cường điện trường |E|2 /|E0|2 có dạng hố thế, cực tiểu trung tâm tăng dần bên mặt bên khối lập phương Chúng ta mô điện trường qua khối lập phương ParaView hình 3.4 Hình 3.4 Sử dụng phần mềm ParaView mơ hình dạng lưỡng cực hình lập phương sử dụng kết thư mục RCTGLPRSM_NEARFIELD 80 Hình 3.5.Mơ tả điện trường |E|2/|E0|2bên khối lập phương phương vàng có hệ số khúc xạ m = 1,5 + 0,02i với góc tới sóng θ = 400 Sử dụng phần mềm MayaVi2 [14] Hình 3.6 Cường độ điện trường |E|2/|E0|2dọc theo khối lập phương vàng có hệ số khúc xạ m = 1,5 + 0,02i với góc tới sóng θ = 400 81 KẾT LUẬN& HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Qua trình tìm hiểu nghiên cứu đề tài, bản, tác giả đạt mục tiêu mà đề ra, tổng hợp tóm tắt kiến thức mơi trường liên sao, bụi liên Đồng thời chạy chương trình DDSCAT 7.3 sử dụng phần mềm hỗ trợ bao gồm OriginLab, MayaVi2 ParaView Xử lí số liệu vẽ đồ thị phần mềm tương ứng Tuy nhiên, tác giả chưa nghiên cứu chuyên sâu phần mềm DDSCAT, chưa thể cá nhân hóa thông số tập tin ddscat.par.Chưa thực thi hết gói ví dụ để rút chế tán xạ bụi Nếu phát triển tiếp, đề tài tiếp tục nghiên cứu chi tiết đặc tính bụi liên phần mềm DDSCAT, chạy chương trình cho kết gói ví dụ cịn lại thư mục examples_exp, đồng thời thay đổi thông số bia nhằm thay đổi điều kiện tương tác, thay đổi mơ hình bụi 82 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Trần Quốc Hà, "Giáo Trình Thiên Văn Học Đại Cương", Ban ấn phát hành nội Đại Học Sư Phạm TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh, 2008 Nguyễn Quang Riệu, “ Lang thang dãy Ngân hà”, NXB Văn hóa thơng tin, 1997 Tiếng Anh Arnab Rai Choudhuri, “Astrophysics for Physicists”, Cambridge University Press, New York, 2010 DraineB.T., FlatauP.J., "Discrete-dipole approximation for scatter- ing calculations", lecture, J Opt Soc Am A/Vol 11, No 4/April 1994 DraineB.T., FlatauP.J., "Discrete-dipole approximation for periodic targets: theory and tests", lecture, Vol 25, No 11/November 2008/J Opt Soc Am A 6.DraineB.T., FlatauP.J., "Fast near field calculations in the discrete dipole approximation for regular rectilinear grids", lecture, 16 January 2012 / Vol 20, No / OPTICS EXPRES 7.DraineB.T., “Observed Properties of Interstellar Dust”, lecture, IPMU 2010.04.20 8.DraineB.T., FlatauP.J., "User Guide for the Discrete Dipole Ap- proximation Code DDSCAT 7.3", Cornell University Library, 2013 Lequeux J., "The Interstellar Medium",Springer, 2015 10 Goodman J J., Draine,B T., “Application of fast-Fourier-transform techniques to the discrete-dipole approximation”,OPTICS LETTERS / Vol 16, No 15 / August 1, 1991 11 Draine B T., 1988 “The Discrete-Dipole Approximation and its Application to Interstellar Graphite Grains”, Astrophys J., 333, 848–872 83 Trang Web 12 http://code.google.com/p/ddscat 13.http://paraview.org/paraview/resources/sofware.html 14.http://code.enthought.com/projects/mayavi/mayavi/installation.html 15 http://www.cv.nrao.edu/awootten 16 http://www.mingw.org/ 17 http://www.jrsoftware.org/ 18 http://www.originlab.com/downloadOnhub ... người dẫn đầu nghiên cứu Khoảng 30 000 người vào để nghiên cứu hạt bụi giám định thêm nhiều ảnh với hy vọng tìm thêm nhiều hạt bụi dạng Cơng nghiên cứu còn tiếp diễn Nghiên cứu bụi liên hai cách... việc nghiên cứu bụi còn giai đoạn sơ khai, chưa có cơng trình nghiên cứu bụi Có vài viết đề cập bụi liên đăng tải trang web khoa học Với mong muốn người tiên phong nước nghiên cứu bụi liên sao, ...ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH Võ Thị Mộng Linh NGHIÊN CỨU BỤI TRONG MÔI TRƯỜNG XUNG QUANH SAO Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử Mã số: 60 44