Ứng dụng phép đo phổ trong thiên văn học

1 NGUYỄN ĐÌNH VIỆT BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ĐÌNH VIỆT ỨNG DỤNG PHÉP ĐO PHỔTRONG THIÊN VĂN HỌC ỨNG DỤNG PHÉP ĐO PHỔ TRONG THIÊN VĂN HỌC LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ KHÓA 22 Nghệ An, năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH NGUYỄN ĐÌNH VIỆT ỨNG DỤNG PHÉP ĐO PHỔ TRONG THIÊN VĂN HỌC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 60.44.01.09 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: TS ĐINH PHAN KHÔI Nghệ An, năm 2016 LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành hướng dẫn TS Đinh Phan Khơi Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn đến Thầy giáo hướng dẫn, người đặt vấn đề giúp đỡ tác giả trình thực hoàn thành luận văn Tác giả xin bày tỏ lịng biết ơn tới Thầy giáo, Cơ giáo khoa Vật lý Công nghệ, Trường Đại học Vinh, người truyền thụ cho tác giả kiến thức bổ ích q trình học tập Tác giả xin chân thành cảm ơn tập thể lớp Cao học 22 chuyên ngành Quang học tạo môi trường học tập vui vẻ, đoàn kết, giúp đỡ hai năm học vừa qua Vinh, tháng năm 2016 Tác giả ` Nguyễn Đình Việt MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG 10 Chương I Một số kiến thức phổ học ứng dụng thiên văn 10 1.1 Photon, phổ liên tục, dải phổ, cấu hình phổ 10 1.2 Dạng cường độ vạch phổ 15 1.3 Đo vạch phổ 16 1.4 Các hiệu ứng vùng sóng khả kiến theo Cơ học lượng tử, trạng thái ion hóa bậc ion hóa 21 1.5 Các loại phổ 23 Chương II Một số phép đo phổ ứng dụng thiên văn học 28 2.1 Giản đồ Hertzsprung – Russell (HR) 28 2.2 Đo tốc độ quay, tốc độ giãn nở 34 2.3 Đo nhiệt độ quang cầu 41 2.4 Phổ đôi 45 2.5 Sự suy giảm Balmer 49 2.6 Phổ tinh vân phát xạ 51 2.7 Phân tích thành phần hóa học số đối tượng thiên văn 55 2.8 Thị sai phổ thiên văn 57 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Chữ viết tắt AU EW FWHM HRD IR Tiếng Việt Tiếng Anh Đơn vị khoảng cách thiên văn Astronomical unit Độ rộng tương đương Equivalent width Độ rộng nửa chiều cao cực đại Full with at half maximum The Hertzsprung Russell diagram Infrared Giản đồ Hertzsprung – Russell Hồng ngoại MK Hệ Morgan Keenan SNR Tàn dư vụ nổ siêu The Morgan Keenan system Supernova remnant UV Tử ngoại Ultraviolet MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Phổ thiên văn lĩnh vực nghiên cứu Thiên văn học sử dụng kĩ thuật phổ để đo phổ xạ điện từ phát từ thiên thể nóng khác Từ phổ Thiên văn dẫn nhiều tính chất ngơi thiên hà xa như: tính chất hóa học, nhiệt độ, khoảng cách, độ trưng chuyển động tương đối chúng cách sử dụng phép đo dịch chuyển Doppler Phổ Thiên văn dùng để đo dải xạ quang học, vơ tuyến tia X Trong phương pháp phổ học quan sát miền sóng khác nhau, cần phương pháp khác để thu nhận tín hiệu phụ thuộc vào tần số Ozon (O3), Oxi (O2) hấp thụ ánh sáng có bước sóng nhỏ 300nm, điều có nghĩa phổ tia X tử ngoại đòi hỏi phải sử dụng kính thiên văn gắn vệ tinh máy dị gắn với tên lửa Tín hiệu vơ tuyến có bước sóng dài tín hiệu quang học, địi hỏi phải sử dụng ăng ten đĩa vô tuyến Ánh sáng hồng ngoại bị hấp thụ nước CO2 khí quyển, thiết bị dùng tương tự quang học, để nghiên cứu phổ hồng ngoại ta cần có vệ tinh Phổ quang học: Từ thời Niu-tơn, nhà vật lí quan sát phổ Mặt Trời cách sử dụng lăng kính để quan sát tính chất khúc xạ ánh sáng Vào đầu năm 1800 Joseph von Fraunhofer tạo lăng kính cho phép quan sát 574 vạch tối phổ liên tục Mặt Trời Ngay sau đó, ơng kết hợp với kính thiên văn lăng kính để quan sát phổ Kim tinh, Mặt trăng, Hỏa tinh Độ phân giải lăng kính bị giới hạn kích thước nó; Lăng kính lớn cho phổ chi tiết, việc tăng khối lượng (kích thước) làm cho trở nên bất tiện Vấn đề giải vào đầu năm 1900 với phát triển cách tử phản xạ chất lượng cao John Stanley Plaskett đài quan sát thiên văn Dominion, Canada Ánh sáng tới gương phản xạ với góc, nhiên phần nhỏ khúc xạ góc khác, điều phụ thuộc vào số khúc xạ vật liệu bước sóng ánh sáng Bằng cách tạo cách tử “blazed” sử dụng nhiều gương song song, phần nhỏ ánh sáng tập trung lại quan sát Thiết bị cho hình ảnh chi tiết so với thấu kính, địi hỏi lượng ánh sáng tới tập trung vào miền cụ thể phổ cách nghiêng cách tử Hạn chế phương pháp cách tử độ rộng gương, giữ số lượng cách tử định, với số lượng tối đa khoảng 1000 vạch/mm Để khắc phục hạn chế người ta chế tạo cách tử giao thoa (holographic) Các cách tử sử dụng phim mỏng bề mặt thủy tinh, tiếp nhận hình ảnh sóng tạo giao thoa kế Hình ảnh tạo nên hình ảnh phản xạ tương tự cách tử “blazed”, áp dụng tượng nhiễu xạ Bragg q trình mà góc phản xạ phụ thuộc vào xếp nguyên tử gelatin Các cách tử giao thoa đạt tới 6.000 vạch/mm có hiệu suất gấp đơi cách tử Bragg Do chúng đặt hai lớp thủy tinh nên hoạt động tốt hàng chục năm Phổ vô tuyến: Thiên văn vô tuyến phát minh Karl Jansky vào đầu năm 1930 Ông xây dựng ăng ten vô tuyến để quan sát nguồn giao thoa truyền tín hiệu vơ tuyến xun Đại Tây Dương Một nguồn nhiễu phát xuất phát từ Trái Đất mà từ tâm thiên hà chòm Sagittarius Vào năm 1942, James Stanlet Hey thu tần số vô tuyến Mặt Trời cách sử dụng máy thu rada quân Giao thoa kế vô tuyến cải tiến mạnh mẽ vào năm 1946 Joseph Lade Pawsey, Ruby Payne-Scott Lindsay McCready sử dụng ăng ten để quan sát xạ Mặt Trời tần số 200MHz Hai chùm tia tới, chùm đến trực tiếp chùm khác phản xạ từ mặt biển, tạo nên hình ảnh giao thoa Cũng vào năm Martin Ryle Vonberg chế tạo nên máy đo giao thoa gồm nhiều phận thu Vào năm 1960, Ryle Antony Hewish công bố kĩ thuật gọi tổng hợp độ, để phân tích liệu máy đo giao thoa Kỹ thuật này, liên quan tới tự đồng phép biến đổi Fourier rời rạc, cho phép ghi lại thăng giáng khơng gian tần số Kết hình ảnh 3D, trục thứ tần số Các tác giả phát minh giải Nobel năm 1974 Phổ tia X: Thiên văn tia X lĩnh vực thiên văn liên quan tới việc nghiên cứu vật thể thiên văn miền sóng tia X Bức xạ tia X bị hấp thụ khí Trái Đất, thiết bị để phát tia X phải đặt nơi có độ cao lớn bóng thám khơng, tên lửa, vệ tinh Thiên văn tia X ngành khoa học không gian liên qua tới kính thiên văn vũ trụ, quan sát tốt kính thiên văn hấp thụ ánh sáng thông thường Phát xạ tia X thường bắt nguồn từ vật thể thiên văn chứa khí nóng nhiệt độ từ triệu đến hàng trăm triệu độ Kelvin Tia X quan sát phát từ Mặt Trời từ năm 1940 Vào năm 1962, nguồn tia X vũ trụ phát Nguồn gọi Scorpius X-1 (Sco X-1) - nguồn tia X tìm thấy chòm Bọ cạp Nguồn mạnh nguồn phát xạ khả kiến 10.000 lần, nguồn phát xạ Mặt Trời bé khoảng triệu lần Ngoài lượng phát xạ tia X lớn gấp 100 nghìn lần phát xạ tồn phần Mặt Trời tất bước sóng Vì phát minh lĩnh vực thiên văn tia X, Sco X-1, Riccardo Giacconi nhận giải Nobel Vật lí năm 2002 Ngày ta biết nguồn tia X Sco X-1 nén chặt, chẳng hạn neutron hốc đen Vật chất rơi vào hốc đen phát tia X Nhưng thân hốc đen khơng phát xạ Nguồn lượng phát tia X hấp dẫn Khí bụi rơi vào hốc đen bị nung nóng trường hấp dẫn mạnh Người ta phát hàng ngàn nguồn tia X không gian thiên hà đám thiên hà chứa đầy khí lỗng có nhiệt độ từ 10 đến 100 triệu độ Kelvin Khối lượng tổng cộng khí nóng gấp đến 10 lần khối lượng tổng cộng thiên hà quan sát Nhằm tìm hiểu kiến thức phổ học phép đo phổ ứng dụng thiên văn học, chọn đề tài: “Ứng dụng phép đo phổ thiên văn học” làm đề tài luận văn Trong khn khổ luận văn, hệ thống số kiến thức phổ học số phép đo phổ ứng dụng thiên văn học Mục đích nghiên cứu - Một số kiến thức phổ học ứng dụng thiên văn - Phân loại phương pháp thu phổ thiên văn - Một số phép đo phổ ứng dụng thiên văn học Nhiệm vụ nghiên cứu - Hệ thống số kiến thức phổ học ứng dụng thiên văn - Phân loại phổ thiên văn, tìm hiểu phương pháp thu phổ thiên văn - Một số phép đo phổ ứng dụng thiên văn học Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Kiến thức phổ học đối tượng thiên văn Phạm vi nghiên cứu: Phổ quang học, phổ vô tuyến, phổ tia X Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp lý thuyết 10 NỘI DUNG Chương I Một số kiến thức phổ học ứng dụng thiên văn 1.1 Photon, phổ liên tục, dải phổ, cấu hình phổ 1.1.1 Photon Các photon sinh từ sao, chúng mang thơng tin có giá trị qua khoảng thời gian, không gian vô lớn cuối kết thúc thu vào trường điểm ảnh máy ảnh CCD Bằng cách cung cấp phổ kế chuyển đổi ảnh quang phổ kính thiên văn camera, photon cung cấp nhiều thông tin vượt xa ảnh chụp đơn lẻ vật thể Bức xạ điện từ có tính chất sóng tính chất hạt, tính chất hạt thể rõ xạ có bước sóng ngắn, photon có lượng lớn ứng dụng phương pháp chụp ảnh CCD, đồng hồ đo ánh sáng camera, đèn phóng điện khí cuối kỹ thuật quang phổ Nếu khơng có tác động bên ngồi, photon có thời gian sống dài vô hạn Sự sinh hủy photon xảy số q trình vật lí khác nhau, tượng có liên quan đến lĩnh vực quang phổ trình dịch chuyển electron quỹ đạo nguyên tử 1.1.2 Phổ liên tục Cơ sở vật lý quan trọng phổ liên tục xạ vật đen Vật đen vật hấp thụ lí tưởng xạ điện từ phổ rộng, bước sóng Vật đen lí tưởng đặc trưng cho nguồn xạ nhiệt phát xạ điện từ phổ rộng, tuân theo định luật xạ Planck, với hình dạng cường độ xạ đặc trưng riêng phụ thuộc vào nhiệt độ vật xạ Trong đa số trường hợp ngơi xem xạ vật đen Định luật xạ Plank cho thông tin nhiệt độ vật xạ thơng qua hình dạng cường độ phổ chúng 46 gần nhất) tương đương với tốc độ xuyên tâm quan sát vr cực đại Cách xếp sau tương ứng với góc nghiêng quỹ đạo i = 90o: - Sao lớn M1 luôn chạy quỹ đạo elip với vận tốc vM nhỏ quanh khối tâm - Khối tâm luôn nằm hai tiêu điểm - M1 M2 ln ln chạy đồng Trong tồn quỹ đạo, đường nối M1 M2 chạy qua khối tâm, M1 M2 luôn đạt điểm viễn tinh điểm cận tinh vào thời điểm Ảnh hưởng quỹ đạo đôi lên phổ: Do tốc độ xuyên tâm, dịch chuyển Doppler tạo hiệu ứng phổ, với hai trường hợp phân biệt sau:  Sao đôi với hai thành phần phổ - Hệ thống SB2 Nếu khác độ sáng biểu kiến thành phần nằm khoảng – 1m, ghi lại phổ hỗn hợp Hình 2.23 Sơ đồ giai đoạn sau dựa vào giả thiết cho thấy hiệu ứng quỹ đạo Hình 2.23.1 vị trí vận tốc quỹ đạo vM vng góc với đường ngắm vận tốc xun tâm tới Trái Đất vr = Quang phổ trì khơng đổi Δλ = Hình 2.23.2 điểm viễn tinh vận tốc quỹ đạo vM nhỏ nhất, chúng chạy song song tới đường ngắm tương đương với vận tốc xuyên tâm vr = vM Vạch phổ xuất bị phân tách và: A  (vrM A  vrM A )  c (2.13) 47 Hình 2.23.3 vị trí vận tốc quỹ đạo vM vng góc với đường ngắm vận tốc xuyên tâm tới Trái Đất vr = Quang phổ trì khơng đổi Δλ = Hình 2.23.4 điểm cận tinh, vận tốc quỹ đạo vM lớn nhất, chúng chạy song song với đường ngắm tương đương với vận tốc xuyên tâm vr = vM = k Vạch phổ xuất bị phân tách so với giai đoạn 2: P  (vrM 1P  vrM P )  c (2.14) Công thức (2.13), (2.14) áp dụng cho dịch chuyển Doppler Δλ, để tính tổng vận tốc xuyên tâm vrM1 + vrM2 với vạch phân tách Δλ Trường hợp tổng quát: vrM  vrM  c  0 (2.15) Nếu khác lớn, tách vạch phổ xảy khơng đối xứng với bước sóng trung tâm λr0 Với khoảng cách không Δλ1 Δλ2, phép so sánh với công thức (2.15), vận tốc xun tâm riêng vrM tính riêng biệt Với kết vận tốc xuyên tâm toàn hệ thống v rSyst, bước sóng trung tâm vạch phổ xác định theo công thức [5]: r  0  vrsyst c 0 (2.16) Đây điểm tham chiếu điều chỉnh đo hai khoảng cách Δλ1,2 Tuy nhiên, giá trị Δλ1,2 phải điều chỉnh tới Δλ1,2Hel Sau tính theo cơng thức [5]: 1,2  1,2 Hel  r (2.17)  Sao đôi với thành phần phổ - Hệ thống SB1 Trong hầu hết trường hợp, khác độ sáng biểu kiến hai 48 thành phần lớn 1m Sự phân tách vạch nhận ra, có dịch chuyển λ1 sang bên trái bên phải theo vị trí trung gian λr0 Ảnh hưởng định hướng không gian quỹ đạo: Hướng mặt phẳng quỹ đạo đôi theo đường ngắm phân bố ngẫu nhiên, góc trục vng góc với mặt phẳng quỹ đạo đường ngắm gọi góc nghiêng i Vì định nghĩa độ nghiêng trục quay hệ thống đôi tương tự vr.sini phần đo trực tiếp phổ vận tốc xuyên tâm vr chiếu xuống đường ngắm ngắm tới Trái Đất - Với quỹ đạo elip này, góc nghiêng i cho trước cố định quay tự quanh trục đường ngắm mà khơng có ảnh hưởng hình dạng biểu kiến quỹ đạo Vì với quỹ đạo đơi trịn, góc nghiêng i điều chỉnh mức độ quay tự ảnh hưởng tới hình dáng biểu kiến quỹ đạo - Đối với quỹ đạo elip đơi phức tạp hơn, hướng trục elip hình dạng quỹ đạo đưa tạo thành mức độ bổ sung thêm cho xác định hình dạng biểu kiến elip Hình 2.24 Sự định hướng không gian quỹ đạo Nếu khơng xác định góc i, kết tính qua số liệu, tương tự cách tính với tốc độ quay Ước tính số tham số quỹ đạo: Dựa quan sát phổ, số thông số quỹ đạo đơi ước tính trình tự sau [5]: - Chuyển từ quỹ đạo elip quỹ đạo hình trịn (có bán kính quỹ đạo r tốc độ quay bề mặt không đổi) 49 - Xác định vận tốc quỹ đạo vM theo công thức: vM n  Kn sin i (2.18) Với Kn biên độ cực đại, n = 1, - Xác định bán kính quỹ đạo rM theo cơng thức: rM  K T 2. sin i (2.19) Với T chu kỳ quỹ đạo - Tính khối lượng M1, M2 hệ thống SB2 cách áp dụng công thức: M1  rM rM ( M1  M ); M  ( M1  M ) rM  rM rM  rM (2.20) 2.5 Sự suy giảm Balmer Phổ mà dãy H-Balmer xuất vạch phát xạ có cường độ vạch IE giảm dần bước sóng λ giảm gọi suy giảm Balmer Các vạch phát xạ H-Balmer tạo thành dịch chuyển electron từ mức lượng cao đến mức lượng thấp thứ hai (n= 2) Cường độ I lớn vạch Hα giảm dần vạch có bước sóng ngắn Hβ, Hγ, Hδ, Hε v.v Ngoài ra, mức độ giảm phụ thuộc vào mật độ Ne nhiệt độ Te electron Phân tích định tính: Trên phổ có độ phân giải thấp P Cygni, việc giảm cường độ vạch phát xạ hidro ảnh hưởng đến cường độ liên tục chuẩn hố Hình 2.25 Sự suy giảm Balmer P Cygni [5] 50 Hình 2.26 cho thấy cường độ lớn vạch phát xạ Hα Hβ-Balmer thị theo suy giảm Balmer Tuy nhiên, khu vực sóng dài, Hγ sau vạch bị chồng lên đám phổ hấp thụ oxit titan (TiO), tạo suy giảm hiệu ứng Balmer bất thường TiO phát sinh lớp khí cao hơn, vạch phát xạ H Hình 2.26 Sự suy giảm Bamlmer [5] Phân tích định lượng: Độ lệch cường độ vạch phát xạ hidro ghi nhận từ suy giảm Balmer nguồn phát xạ tính theo lý thuyết, hiệu ứng tác động suy giảm có chọn lọc sóng ngắn phần phổ màu xanh màu đỏ Độ suy giảm D dốc, so với giá trị xác định lý thuyết Dlý thuyết khả hấp thụ lớn, tắt dần ánh sáng mạnh Theo quy ước, giá trị I (Hβ) = 1: D = I(H) /I (Hβ) (2.21) Từ cho phép đo "Sự tắt dần liên sao" "Làm đỏ liên sao" Tuy nhiên, ứng dụng quan trọng tái lập tỷ lệ cường độ ban đầu vạch phát xạ ghi nhận (Các giá trị P EW), mà xuất suy giảm liên quan đến miền liên tục Được sử dụng giá trị suy giảm Balmer theo lý thuyết, phương pháp phổ phát xạ theo tỷ lệ không áp dụng đây, chúng khơng thể thay đổi giá trị P EW dành cho vạch hấp thụ bị suy giảm miền liên tục Phép đo suy giảm Balmer yêu cầu vật thể phải thích hợp, phát vạch phát xạ vạch H-Balmer hoàn toàn 51 Định nghĩa định lượng suy giảm Balmer: Đối với hầu hết phân tích vật lý thiên văn tỷ lệ cường độ đo vạch Hα Hβ Dobs bắt buộc Điều tương ứng với định nghĩa định lượng suy giảm Balmer: Dobs  I E ( H ) I E (H  ) (2.22) 2.6 Phổ tinh vân phát xạ 2.6.1 Tổng quan tượng tinh vân phát xạ Tinh vân phát xạ loại tinh vân tự phát ánh sáng, trình nguyên tử trước hết phải ion hóa nguồn xạ nhỏ 25.000K, tương ứng photon tia tử ngoại mức giới hạn Lyman 912 Å, tương ứng với lượng lớn -13.6 eV Mức đạt ngơi nóng lớp O B tạo ra, theo cách phần plasma ion hóa môi trường xung quanh rộng Bằng cách tái hợp ion, lấy lại electron tự mà sau chuyển xuống mức thấp hơn, phát photon có tần số υ, theo mức chênh lệch lượng ΔE = h.υ Do vậy, tinh vân tạo hiệu ứng huỳnh quang, chủ yếu ánh sáng đơn sắc, tức số giới hạn vạch phát xạ, với trường hợp tàn dư (SNR), xếp chồng lên miền liên tục phát xạ yếu Các yêu cầu lượng chủ yếu đáp ứng vùng H II, Tinh vân hành tinh PN SNR, hạt nhân Thiên hà hoạt động T-Tauri Vật chất tinh vân chủ yếu bao gồm hidro, heli, nitơ, oxy, cacbon, lưu huỳnh, neon bụi (silicat, than chì, vv) Bên cạnh thành phần hóa học, lượng xạ tia X nhiệt độ Te mật độ Ne electron tự đặc trưng cho trạng thái plasma 2.6.2 Các q trình ion hóa tinh vân phát xạ H II Các trình chứng minh sơ đồ nguyên tử hidro 52 Hình 2.27.1 Bức xạ Hình 2.27.2 Ion hóa Hình 2.27.3 Khí lượng cao photon UV electron Teff > 25’000K λ < 912 Å Động Ee electron giải phóng q trình ion hóa, làm nóng hạt tinh vân Ee tương ứng với lượng photon UV lại sau trình ion hóa hồn tồn chuyển thành động electron tự Nhiệt độ electron Te mật độ electron Ne ảnh hưởng đến trình kích thích va chạm tái hợp Ee tỷ lệ thuận với động trung bình Te electron tự do: Ee  kB Te (eV) (2.23) Với kB = 8,6.10-5 eV/K số Boltzmann Ee  me v ( J ) (2.23.1) Ee  2,84.1012.v2 (eV ) (2.23.2) Công thức (2.23.1) cho thấy Ee tính theo đơn vị Jun (J), me = 9,1.10-31kg v (m/s), cơng thức (2.23.2) cho thấy Ee có đơn vị (eV) 2.6.3 Quá trình tái kết hợp Nếu electron lại gần ion dương trung tâm, bị hút tái hợp lại Năng lượng sinh theo cách phát dạng photon Ep, tương ứng với tổng động ban đầu electron Ee chênh lệch lượng ΔEn 53 E p  m.v  En (2.24) 2.6.4 Phát xạ vạch dịch chuyển electron Sau tái kết hợp, electron chuyển trực tiếp thông qua nhiều cấp độ trung gian theo mức n xuống trạng thái Những trình chuyển đổi tạo phát xạ vạch riêng rẽ, theo chênh lệch lượng ΔEn Quá trình làm nguội tinh vân, photon làm giảm lượng, theo cung cấp cân nhiệt cho q trình làm nóng electron tự Điều chỉnh nhiệt độ electron tinh vân khoảng 5.000K < Te < 20.000K 2.6.5 Phát xạ vạch kích thích va chạm Nếu electron va chạm với ion với lượng va chạm ≥ ΔEn, electron chuyển lên mức cao thời gian ngắn Bằng chuyển đổi cho phép, electron chuyển trở lại mức phát xạ photon có tần số: υ = ΔEn/h (2.25) 2.6.6 Phát xạ vạch trình chuyển đổi phép (hấp thụ trực tiếp) Sự hấp thụ trực tiếp photon khơng đóng góp đáng kể vào phát xạ vạch Hơn nữa, phần photon xạ dải UV Kết nhiều nguyên tử ion hóa lượng photon vượt giới hạn ion hóa Vì vậy, phát xạ vạch đáng kể q trình chuyển đổi phép trình tái kết hợp Cường độ 54 phổ cao hidro heli so với thành phần lại tinh vân Tần số trình chuyển đổi electron cụ thể cho phép xác định cường độ tương đối vạch phổ tương ứng Hình 2.32 tóm tắt q trình chuyển đổi photon tinh vân phát xạ PN vùng H II Các trình với photon hiển thị màu xanh, trình với electron màu đỏ Được gọi trình chuyển đổi giới hạn ràng buộc electron đánh dấu mũi tên màu đen Các mũi tên màu xám rộng hai điểm cân cách bật tinh vân Hình 2.32 Sơ đồ trình chuyển đổi photon tinh vân phát xạ 2.6.7 Các đặc trưng bật phổ tinh vân phát xạ Bức xạ synchrotron xạ hãm (SNR) cho thấy phổ liên tục, đặc biệt phần tia X Nó xuất rõ nét miền tia X nên kính thiên văn tia X có giá trị cao để phân biệt SNR với loại tinh vân khác, đặc biệt vật thể thiên hà mờ nhạt Đối với tất tinh vân phát xạ việc phát xạ phổ liên tục vấn đề khó khăn 55 Trong phổ SNR vạch (S II), (O I) rõ khu vực H II tinh vân PN liên quan đến Hα Hiệu ứng có sóng xung gây va chạm ion hóa Phát xạ (S II) (O I) yếu PN gần không thấy khu vực H II 2.7 Phân tích thành phần hóa học số đối tượng thiên văn 2.7.1 Định nghĩa theo thiên văn học độ phổ cập nguyên tố Trong vật lý thiên văn, độ phổ cập nguyên tố (Ael) được tính cơng thức [5]: Ael  log10 Suy ra: N el  12 NH N el  10( Ael 12) NH (2.26) (2.27) Với Nel mật độ hạt đơn vị thể tích; NH mật độ hạt hidro có độ phổ cập xác định theo quy ước AH = 12 2.7.2 Định nghĩa theo thiên văn học độ phổ cập kim loại (Z) Tỷ lệ sắt với hiđro NFe/NH tính số lượng tương đối nguyên tử đơn vị thể tích khơng xét đến khối lượng riêng, tính kim loại bầu khí liên quan đến Mặt Trời gọi “[Fe/H]” tính theo cơng thức: Z  [Fe/H]=log10 ( N Fe / N H ) ( N Fe / N H ) Mat troi (2.28) Giá trị Z nhỏ tìm thấy khí Mặt Trời coi kim loại Các phạm vi đạt khoảng từ -5,4 đến +0,5 Fe sử dụng đại diện kim loại xuất thường xun vạch phổ dễ dàng để phân tích 2.7.3 Xác định định lượng mặt hóa học Từ vạch phổ vật thể xác định được: - Các nguyên tố phân tử có vật thể 56 - Các đồng vị nguyên tố có vật thể (giới hạn số trường hợp có độ phân giải cao) - Các ion hóa tạo vật thể Trong phạm vi này, việc xác định định lượng độ phổ cập nguyên tố gần Việc xác định định lượng phức tạp khơng thể lấy trực tiếp từ phổ, địi hỏi phải có thêm thơng tin, phần thu với mơ quang Cường độ vạch phổ số cung cấp thông tin tần số yếu tố cụ thể Tuy nhiên giá trị bị ảnh hưởng nhiệt độ hiệu dụng Teff, áp lực, gia tốc trọng trường nhiễu loạn khí quyển, tốc độ quay quang yếu tố ảnh hưởng khác Hơn Teff ảnh hưởng đến mức độ ion hóa nguyên tố Các đặc điểm thấy rõ phổ Mặt Trời Hơn 90% quang Mặt Trời bao gồm nguyên tử hidro với độ phổ cập định nghĩa AH = 12 Các đặc điểm chi phối phổ Mặt Tời hai vạch Fraunhofer H K Ca II, độ phổ cập ACa ≈ 6,36 Theo học lượng tử, nhiệt độ quang Mặt Trời 5.800K, Ca II chất hấp thụ hiệu Tuy nhiên điều kiện tốt cho vạch hidro không 10.000K Trong lĩnh vực thiên văn độ phổ cập xác định cách so sánh phổ với phổ tổng hợp mô nguyên tố hóa học khác 2.7.4 So sánh độ phổ cập tương đối thuộc vùng lớp phổ tương tự Trường hợp đặc biệt đơn giản hóa cách so sánh dải phổ, lớp sáng tương tự vận tốc quay để nghiên cứu hình thành ngơi Vì vậy, thơng số vật lí quang giống nhau, độ rộng tương đương EW số vạch định so sánh đơn giản khác biệt độ phổ cập nguyên tố Nguyên tắc 57 gọi đường cong tăng trưởng cho thấy phần chưa bảo hòa đường cong tăng tuyến tính, độ rộng EW vạch phổ định phần tử hoạt động tỷ lệ gần với số lượng nguyên tử bên hỗn hợp plasma Hình 2.33 Đường cong tăng trưởng 2.8 Thị sai phổ thiên văn 2.8.1 Xác suất phổ học phép đo từ xa Xác suất phổ học xác định theo quang phổ gọi thị sai phổ học, áp dụng phạm vi thiên hà với hỗ trợ dịch chuyển đỏ liên quan đến hiệu ứng Doppler, kết hợp với định luật đối xứng Hubble Những phương pháp bổ sung phép đo phản xạ radar laser, thị sai lượng giác thị sai trắc quang 2.8.2 Thuật ngữ nguyên tắc thị sai phổ Thị sai phổ học cho phép ước tính khoảng cách gần tới dựa vào dãy phổ đo theo trắc quang với độ sáng biểu kiến, tương ứng với thay đổi biểu kiến thiên thể quan sát so với trời tạo quỹ đạo Trái Đất xung quanh Mặt Trời Nguyên tắc thị sai phổ học hoạt động tương tự thị sai trắc quang Độ sáng tuyệt đối vật thể thường xác định cho khoảng cách 10 parsec(pc) 3,26 năm ánh sáng Giá trị so sánh với giá trị đo thực tế để áp dụng cho việc tính khoảng 58 cách Áp dụng thị sai phổ học, độ sáng tuyệt đối xác định theo lớp phổ 2.8.3 Khoảng cách Khoảng cách xác định độ chênh lệnh khác biệt độ sáng biểu kiến (m) độ sáng tuyệt đối (M): Khoảng cách = m – M (mag) (2.29) Ngược lại với khoảng cách biểu kiến khoảng cách thực (m - M)0, áp dụng cho tính tốn đơn giản hóa, giả sử khơng có suy giảm 2.8.4 Tính khoảng cách Giả thiết khơng có suy giảm ngơi mối quan hệ khoảng cách r(pc) khoảng cách thực (m - M)0 tính theo cơng thức [5]: (m  M )0  5log r  (mag ) (2.30) Nếu có suy giảm sao: A   r (2.31) (m  M )  5log r   A (2.32) Với γ suy giảm trung bình (mag pc-1) Suy ra: r  100,2( mM 5 A) ( pc) (2.33) Trong trường hợp đám mây nằm đường ngắm, γ tăng lên đến mag kpc-1 59 KẾT LUẬN Với mục đích nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng phép đo phổ thiên văn học, luận văn thu kết sau: Tìm hiểu hệ thống số kiến thức phổ học ứng dụng thiên văn như: photon, phổ liên tục, dải phổ, cấu hình phổ; Dạng cường độ vạch phổ Trình bày phép đo vạch phổ; Các hiệu ứng vùng sóng khả kiến theo Cơ học lượng tử, trạng thái ion hóa - bậc ion hóa phân biệt loại phổ Trình bày ứng dụng phép đo phổ thiên văn như: Giản đồ Hertzsprung – Russell để xác định cấp tuyệt đối nhiệt độ quang cầu sao; Sự tiến hóa mặt trời giãn đồ H – R; Sự tiến hóa ngơi có khối lượng lớn; Mối quan hệ khối lương thời gian sống; Ước lượng tuổi đám Các phương pháp đo vận tốc quay; Vận tốc giản nở đo nhiệt độ quang cầu ngơi Phân tích giải thích phổ đôi; Phổ tinh vân phát xạ Phân tích định tính, định lượng biểu thức suy giảm Balmer Các phép phân tích thành phần hóa học số đối tượng thiên văn thị sai phổ thiên văn 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Đăng Độ, Các phương pháp vật lí hóa học, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [2] Phạm Luận, Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, NXB ĐHQG Hà Nội, 2006 [3] Phạm Viết Trinh, Nguyễn Đình Nỗn, Giáo trình thiên văn, NXB Giáo dục, 1997 [3] Donat G Wentzel, Nguyễn Quang Riệu, Phạm Viết Trinh, Nguyễn Đình Nỗn, Nguyễn Đình Hn, Thiên văn Vật lí, NXB Giáo dục, Hà nội, 2000 [5] Richard Walker, Analysis and Interpretation of Astronomical Spectra ... học phép đo phổ ứng dụng thiên văn học, chọn đề tài: ? ?Ứng dụng phép đo phổ thiên văn học? ?? làm đề tài luận văn Trong khuôn khổ luận văn, hệ thống số kiến thức phổ học số phép đo phổ ứng dụng thiên. .. nghiên cứu - Hệ thống số kiến thức phổ học ứng dụng thiên văn - Phân loại phổ thiên văn, tìm hiểu phương pháp thu phổ thiên văn - Một số phép đo phổ ứng dụng thiên văn học Đối tượng phạm vi nghiên... phổ ứng dụng thiên văn học Mục đích nghiên cứu - Một số kiến thức phổ học ứng dụng thiên văn - Phân loại phương pháp thu phổ thiên văn - Một số phép đo phổ ứng dụng thiên văn học Nhiệm vụ nghiên