Thiên văn vô tuyến và các ứng dụng trong nghiên cứu vũ trụ

Sơ lược về Bức xạ điện từ

• Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ
• Phổ điện từ & Các đặc trưng cơ bản
• Các loại bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng gọi là Sóng điện từ có thể được hình dung như một tổ hợp các trường dao động điện E và một từ trường B vuông góc với nhau, dao động cùng pha theo dạng sóng sin toán học và chuyển động với vận tốc không đổi trong môi trường nhất định, truyền đi theo hướng vuông góc với hướng dao động của. Tính đâm xuyên cao qua nhiều vật liệu, như các mô mềm của động vật của các sóng uy mãnh này, cùng với khả năng phơi sáng nhũ tương nhiếp ảnh của chúng, đã đưa đến việc ứng dụng rộng rãi tia X trong y học, để nghiên cứu cấu trúc cơ thể người, và trong một số trường hợp khác, là phương tiện để chữa bệnh hoặc phẫu thuật.

Bức xạ vũ trụ và ngành thiên văn vật lý

• Sơ lược về bức xạ vũ trụ

Do đó ánh sáng từ các ngôi sao đến với chúng ta không mang lại những hình ảnh hoàn toàn trung thực về ngôi sao đó, thậm chí rất nhiều ngôi sao, thiên hà mà ánh sáng của chúng không thể đến được với chúng ta do trên đường đi, bước sóng của chúng đã dài ra trở thành các sóng hồng ngoại hay vô tuyến. Cũng vậy, tầng khí quyển Trái đất ngăn chặn hầu hết các bức xạ cực tím nên Thiên văn cực tím sử dụng kính thiên văn vũ trụ Hubble thu nhận bức xạ cực tím, hình ảnh ghi nhận được các nhà khoa học xử lí bằng cách phân tách màu sắc ánh sáng hoặc giảm cường độ bức xạ để có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Thiên văn hồng ngoại có nhiều lợi thế vì những vật thể không đủ nóng để phát ra ánh sáng khả kiến hay cực tím vẫn có thể phát ra bức xạ hồng ngoại và bức xạ hồng ngoại thì có khả năng xuyên qua môi trường bụi khí giữa các sao hay ngân hà tốt hơn những bức xạ có bước sóng ngắn hơn.

Bức xạ vô tuyến và thiên văn vô tuyến

Mọi thông tin dữ liệu từ các đài thiên văn vũ trụ ở ngoài không gian được gửi theo sóng vô tuyến truyền về mặt đất và được ghi nhận bởi các kính thiên văn vô tuyến định vị trên mặt đất. Như đã trình bày ở trên, các thông tin mà thiên văn vô tuyến thu nhận ngoài thông tin trực tiếp từ các sóng vô tuyến do các thiên thể phát ra còn có thông tin từ các sóng vô tuyến được tuyền từ các trạm thiên văn vũ trụ thông qua kĩ thuật vô tuyến điện tử gửi về mặt đất cũng được thu nhận và phân tích bởi các kính thiên văn vô tuyến. Vì các sóng vô tuyến xuyên qua mây bụi, các nhà khoa học sử dụng kĩ thuật thiên văn vô tuyến để nghiên cứu các vùng không thể quan sát bằng ánh sáng nhìn thấy, như là môi trường bao phủ bởi đám mây bụi khí – nơi các sao và các hành tinh được sinh ra, và trung tâm Dải ngân hà Milky Way của chúng ta.

Sơ lược về kính thiên văn vô tuyến

Đây là kính thiên văn lớn nhất và nhạy nhất thế giới, nó từng được sử dụng làm công cụ chính trong việc tìm kiếm các tín hiệu về sự sống ngoài Trái Đất trong quá trình thực hiện dự án SETI (Search for the Extraterrestial Intelligence – tìm kiếm trí tuệ ngoài Trái Đất). Phát hiện NH3 HC7N (là những phân tử đóng vai trò quan trọng trong quá trình hóa học trong vỏ những ngôi sao. Những phân tử hydrogen để tạo ra trạng thái cân bằng nhiệt, nên NH3 được coi là những nhiệt kế để đo nhiệt độ trong môi trường xung quanh sao) bằng kính thiên văn vô tuyến có đường kính 100m đặt tại. Các nhà khoa học hứa hẹn: “Chỉ trong 24 năm, kính ATA sẽ thu được khối lượng thông tin khổng lồ gấp hàng nghìn lần so với những thông tin mà các kính thiên văn khác của SETI (Viện tìm kiếm sự sống ngoài trái đất) thu được trong 45 năm qua”.

Đo đạc thiên văn vô tuyến

• Sơ lược cấu tạo và hoạt động của kính thiên văn vô tuyến

Circular track: vành đai bao quanh làm quay kính thên văn vô tuyến theo phương nằm ngang để hướng kính về phía khu vực cần khảo rát trên bầu trời. Cách làm việc của một ăng ten thiên văn vô tuyến (hình 3.7): bức xạ truyền theo một hướng xác định (D và B) từ bầu trời tới bề mặt parabol của kính thiên văn (C và A) và được phản xạ trở lại tập trung tại tiêu điểm (F). Tín hiệu truyền theo một dây cáp đến bộ phận điều khiển nơi mà tín hiệu được khuếch đại lần nữa và chuyển đổi sang một định dạng đơn giản hơn, được ghi nhận trong máy tính và cho ra hình ảnh.

Ý nghĩa việc tìm ra bức xạ phong nền viba của vụ trụ

Ngày nay các nhà thiên văn đang tìm cách nghiên cứu phông nền viba để tìm ra lời giải đáp cho nguồn gốc cũng như sự tồn tại của vũ trụ trong tương lai.

Phương pháp nghiên cứu

Peebles lưu ý rằng nếu trong mấy phút ngắn ngủi đầu tiên của vũ trụ đã không có một phông bức xạ mạnh mẽ thì các phản ứng nhiệt hạch đã xảy ra nhanh chóng đến mức làm một tỷ lệ lớn khí hyđrô có mặt lúc đó đã bị “nấu nướng” thành những nguyên tố nặng hơn, trái với sự kiện là khoảng ba phần tư vũ trụ hiện nay lại là hyđrô. Sự “nấu nướng” hạt nhân nhanh này chỉ có thể được cản lại nếu vũ trụ đã chứa đầy một bức xạ có một nhiệt độ tương đương rất lớn ở những bước sóng rất ngắn, có thể làm nổ được các hạt nhân cũng nhanh như chúng được tạo nên. Chúng ta sẽ thấy rằng bức xạ đó đã còn lại sau quá trình giãn nở của vũ trụ sau đó, nhưng nhiệt độ tương đương của nó tiếp tục giảm trong khi vũ trụ giãn nở và giảm tỷ lệ nghịch với kích thước vũ trụ, vũ trụ hiện nay chứa đầy bức xạ.

Ý nghĩa nghiên cứu bức xạ Hyđro

Những cỏnh tay xoắn ốc của thiờn hà NGC 6946 hiện ra rất rừ trong hỡnh (Quan sỏt bởi Franỗois Viallefond).

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). Ngược với bức xạ của vật đen và bức xạ nhiệt của khí bị ion hoá, trong trường hợp bức xạ phi nhiệt chúng ta không thể không thể xác định một cách trực tiếp nhiệt độ môi trường qua cường độ bức xạ quan sát được. Khi một electron chuyển động trong từ trường với vận tốc tương đối tính (gần với vận tốc ánh sáng), quỹ đạo của nó là một đường xoắn ốc có trục song song với phương từ trường H (hình vẽ).

Nghiên cứu những bức xạ Maser trong Vũ trụ 1. Lược sử nghiên cứu

Sau này các nhà thiên văn còn phát hiện được trong những thiên hà xa xôi những bức xạ maser OH và H2O mạnh gấp hàng nghìn tới hàng triệu lần những maser quan sát được từ trước trong dải Ngân hà (xem Hình). Tại Đài Thiên văn Paris-Meudon, tôi được cử là người trỏch nhiệm cho chương trỡnh khoa học, sử dụng kớnh thiờn văn Nanỗay để nghiờn cứu bức xạ maser phát trên bước sóng 18 cm bởi những phân tử OH (hydroxyle) trong vỏ những ngôi sao. Năm 1973, các nhà thiên văn tại viện Max-Planck dùng kính Effelsberg thu được nhiều photon vô tuyến phát ra từ các thiên hà xa xôi 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).

Săn tìm acid amin

• Kết quả nghiên cứu

Các nhà thiên văn vô tuyến dùng kính thiên văn vô tuyến 30 met đường kính của Viện Thiên văn Pháp-Đức IRAM (Institut de Radio Astronomie Millimétrique) đặt trên đỉnh dãy núi Sierra Nevada ở vùng Andalusia (Tây Ban Nha), một trong những kính lớn hoạt động trên những bước sóng milimet để quan sát phân tử glycin. Năm 1985 và 1986, Nguyễn Quang Riệu sang Đại học Berkeley (California) để cộng tác và sử dụng hệ giao thoa BIMA (của Đại học Berkeley, Illinois và Maryland) quan sát một số phân tử và tìm hiểu được cơ chế hóa học cấu tạo ra những phân tử trong vỏ những ngôi sao. SO+ Ion monoxyde de soufre SO2 Anhydride sulfureux SiO Monoxyde de silicium HCS+ Ion thioformylium SiS Monosulfure de silicium SiC2 Dicarbure de silicium SiC Carbure de silicium C2O Dicarbure d'oxygène SiN Nitrure de silicium C2S Dicarbure de soufre PN Nitrure de phosphore.