6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.7.3 Sử dụng trong quan sát thiên văn
Thiên văn học là việc nghiên cứu khoa học các vật thể vũ trụ (như sao, hành tinh, sao chổi, tinh vân, quần tinh, thiên hà) và các hiện tượng có nguồn gốc bên ngoài khí quyển Trái Đất (như bức xạ nền vũ trụ). Nó nghiên cứu sự phát triển, tính chất vật lý, hoá học, khí tượng học, và chuyển động của các vật thể vũ trụ, cũng như sự hình thành và phát triển của vũ trụ.
Thiên văn học là một trong những ngành khoa học cổ nhất. Các nhà thiên văn học của những nền văn minh đầu tiên đã tiến hành những cuộc quan sát có phương pháp bầu trời đêm, và các dụng cụ thiên văn học đã được tìm thấy từ những giai đoạn còn sớm hơn nữa. Tuy nhiên, sự xuất hiện của kính viễn vọng là thời điểm thiên văn học bắt đầu bước vào giai đoạn khoa học hiện đại. Về lịch sử, thiên văn học từng gồm cả các ngành đo sao, hoa tiêu thiên văn, quan sát thiên văn, làm lịch, và thậm chí cả chiêm tinh học, nhưng ngành thiên văn học chuyên môn hiện đại ngày nay thường chỉ có nghĩa là vật lý học thiên thể.
Từ thế kỷ 20, lĩnh vực thiên văn học chuyên nghiệp được chia thành các nhánh quan sát và lý thuyết. Thiên văn học quan sát chú trọng tới việc thu thập và phân tích dữ liệu, sử dụng các nguyên tắc cơ bản của vật lý. Thiên văn học lý thuyết định hướng theo sự phát triển các mô hình máy tính hay mô hình phân tích để miêu tả các vật thể và hiện tượng thiên văn. Hai lĩnh vực bổ sung lẫn cho nhau, thiên văn học lý thuyết tìm cách giải thích các kết quả quan sát, và việc quan sát lại thường được dùng để xác nhận các kết quả lý thuyết.
Năm 2009 đã được Liên hiệp quốc coi là Năm Thiên văn học Quốc tế (IYA2009). Mục tiêu là tăng cường nhận thức và sự tham gia của mọi người vào thiên văn học.
Nhiều đài thiên văn lớn trên thế giới chiếu một chùm tia laser lên bầu trời để đo sự nhiễu loạn khí quyển. Mới đây, kính thiên văn Nam Gemini đã kiểm tra một hệ thống năm laser, theo tường thuật của Kelly Beatty trên tạp chí “Sky and Telescope”.
Nhiều đài thiên văn lớn đều có – hoặc đang phát triển – các hệ thống sử dụng các laser công suất mạnh để chiếu những chùm sáng định vị lên cao trong khí quyển. Những chùm sáng này sẽ đảm đương vai trò là ngôi sao chỉ dẫn nhân tạo cho các hệ thống quang thích ứng nhằm khắc phục “tầm nhìn” dưới lí tưởng (sự nhiễu loạn khí quyển). Khi mọi thứ hoạt động suôn sẻ, các mục tiêu thiên thể có thể được ghi lại hết sức rõ ràng.
Đa số các đài thiên văn sử dụng một đèn phát laser để giới hạn tầm nhìn qua kính thiên văn có thể thao tác với hệ thống quang thích ứng. Thường thì mục tiêu là những vật thể riêng biệt như các sao đôi ở gần nhau hay các đám sao đông đúc. Nhưng một phát triển mới tại đài thiên văn Nam Gemini (ảnh) ở cao trên vùng núi Andes thuộc Chile hứa hẹn mở rộng độ phân giải cao của hệ thống quang thích ứng đến những vùng nhìn rộng hơn nhiều.
Hình 3.10: Ảnh Đài thiên văn Gemini/AURA
Các nhà nghiên cứu đã chiếu thử nghiệm một laser tạo ra một “chòm sao” gồm 5 ngôi sao ở sát nhau trên bầu trời Cerro Pachón. Với công suất phát là 50 W – mạnh hơn 1000 lần so với một đèn laser cầm tay tiêu biểu – laser trên được điều chỉnh sang chế độ phát xạ ánh sáng vàng đậm của các nguyên tử sodium ở bước sóng 589 nm. Sau khi phân tách thành 5 chùm tia rời nhau, ánh sáng laser chiếu sáng các nguyên tử sodium có mặt tự nhiên trong một lớp trong tầng giữa khí quyển, ở cao độ chừng 90 km. Những nguyên tử đó khi ấy phát huỳnh quang ở cùng bước sóng trên tạo ra năm ngôi sao nhân tạo, mỗi ngôi sao có bề ngang chừng 1 giây cung tại các góc và vùng chính giữa chừng 1 phút cung vuông.
Nam Gemini là cơ sở đầu tiên sử dụng kĩ thuật đa chùm tia này với một laser sodium. Nhà lãnh đạo dự án Celine d'Orgeville giải thích rằng hệ thống Quang Thích ứng Đa Liên hợp (MCAO) của Gemini sẽ cho phép đài thiên văn có khẩu độ 8,1m ghi lại những hình ảnh cực kì sắc sảo trong vùng nhìn lên tới 2 phút cung ngang [1/15 bề rộng biểu kiến của Mặt Trăng]. Trong năm tới, các nhà thiên văn hi vọng bắt đầu sử dụng hệ thống MCAO để nghiên cứu các vật thể đa dạng, từ những ngôi sao mới ra đời cho đến các thiên hà xa xôi.
Ít nhất có hai cơ sở khác hiện đang theo đuổi các hệ thống quang thích ứng sử dụng nhiều ngôi sao chỉ dẫn. Vào năm 2007, kính thiên văn rất lớn của Đài thiên văn Nam châu Âu đã kiểm tra một hệ thống sử dụng các ngôi sao chỉ dẫn tự nhiên, nhưng việc sử dụng nó bị hạn chế do khó tìm được những vùng ngắm thiên văn thích hợp. Cũng trong năm đó, Đài thiên văn MMT ở Arizona (ảnh) đã kiểm tra một hệ thống sử dụng một laser màu lục công suất lớn để tạo nhiều ngôi sao nhân tạo, sử dụng sự tán xạ Rayleigh trong khí quyển tầng thấp.
Từ những hình ảnh thiên văn sắc nét và tìm kiếm các sóng hấp dẫn cho đến việc tạo ra các ngưng tụ Bose–Einstein và đo các tính chất của ADN, laser đã có sự tác động hết sức to lớn trên nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học.
Chúng ta ai cũng biết rằng các nhiễu loạn trong khí quyển làm cho các ngôi sao nhấp nháy, nhưng nó còn làm mờ đi nghiêm trọng đối với các ảnh chụp thiên văn. Newton đã nhận ra điều này tận hồi năm 1730, khi ông viết trong quyển Opticks rằng “Không khí mà qua đó chúng ta nhìn lên các ngôi sao, luôn luôn bị rung động... Phương thức chữa duy nhất là không khí trong trẻo nhất và tĩnh lặng nhất, thí dụ như không khí người ta có thể tìm thấy trên đỉnh những ngọn núi cao nhất trên tầng mây”.
Trên lí thuyết, các kính thiên văn có đường kính càng lớn sẽ có thể phân giải những chi tiết càng nhỏ trong các ảnh chụp thiên văn. Nhưng sự nhòe ảnh do nhiễu loạn khí quyển lớn đến mức ngay cả những chiếc kính thiên văn mặt đất lớn nhất ngày nay (đường kính 8 – 10 m) cũng chẳng trông rõ hơn bao nhiêu so với các kính thiên văn đường kính 20 cm mà nhiều nhà thiên văn nghiệp dư sử dụng.
Để khắc phục tình hình này, các nhà thiên văn đã chuyển sang quang học thích nghi, một kĩ thuật đo ảnh chộp nhanh của nhiễu loạn khí quyển rồi sau đó hiệu chỉnh cho sự biến dạng quang thu được sử dụng một cái gương có khả năng biến dạng đặc biệt (thường là một cái gương nhỏ đặt phía sau gương chính của kính thiên văn). Vì sự nhiễu loạn trong khí quyển thay đổi liên tục theo thời gian, nên những phép đo và hiệu chỉnh này phải được thực hiện hàng trăm lần mỗi giây.
Những hệ quang học thích nghi ban đầu sử dụng ánh sáng phát ra những một ngôi sao sáng để đo sự nhiễu loạn. Tuy nhiên, đa số các vật thể thiên văn muốn nghiên cứu không có những ngôi sao sáng ở đủ gần, vì thế sự bao quát bầu trời của quang học thích nghi khá hạn chế. Sau đó, vào đầu những năm 1980, các nhà thiên văn nhận ra rằng họ có thể sử dụng một laser để tạo ra một “ngôi sao” nhân tạo thay thế cho ngôi sao tự nhiên. Sự sáng suốt này đã mở rộng đáng kể phạm vi bao quát của các hệ quang thích nghi, vì các laser có thể chiếu vào hướng của bất kì mục tiêu quan sát nào trên bầu trời. Trong thời gian qua, những hệ quang thích nghi “ngôi sao dẫn hướng” bằng laser này đã thật sự mang lại thành quả, đến mức mỗi chiếc kính thiên văn chính 8 – 10 m ngày nay đều có hệ thống đèn hiệu laser của riêng nó.
Các laser dùng trong những đèn hiệu này có công suất trung bình chừng 5 – 15 W (một đèn trỏ laser tiêu biểu, trái lại, có công suất chưa tới 1 mW). Thật vậy, các dự luật liên bang yêu cầu các đài thiên văn Mỹ phải tắt đèn laser của họ khi có máy bay đang tiến đến gần; các đài thiên văn cũng phải đệ trình các kế hoạch quan sát của họ với Bộ chỉ huy Vũ trụ để tránh va chạm với những tài sản vũ trụ nhạy cảm.
Hai loại laser đang chiếm ưu thế. Thứ nhất là một hệ chế tạo theo đơn đặt hàng phát ra vạch cộng hưởng vàng 589 nm của sodium trung hòa, tạo ra một ngôi sao dẫn hướng ở độ cao khoảng 95 km bằng cách kích thích các nguyên tử sodium có mặt tự nhiên trong khí quyển tầng trên của Trái Đất. Loại thứ hai phát ra bước sóng màu lục hoặc thậm chí
bước sóng cực tím và sử dụng sự tán xạ Rayleigh của các phân tử và hạt bụi trong khí quyển để tạo ra một ngôi sao dẫn hướng ở độ cao 15-20 km. Ưu điểm của laser xanh và laser tử ngoại là chúng có sẵn trên thị trường, khiến chúng rẻ tiền hơn là dùng các hệ quang thích nghi khai thác ánh sáng màu vàng.
Nhờ quang học thích nghi ngôi sao dẫn hướng bằng laser, các kính thiên văn 8-10 m ngày nay đã có độ phân giải không gian tốt hơn ở những bước sóng quan sát hồng ngoại so với kính thiên văn vũ trụ Hubble, đơn giản là vì kích cỡ lớn của những chiếc gương của chúng. Những chiếc kính thiên văn khổng lồ đã lắp đặt, thí dụ như kính thiên văn ba mươi mét, kính thiên văn Magellan lớn, và kính thiên văn cực Lớn châu Âu, đều có kế hoạch sử dụng nhiều ngôi sao dẫn hướng bằng laser đồng thời. Điều này sẽ cho phép các nhà thiên văn đo và hiệu chỉnh sự nhiễu loạn khí quyển trong toàn bộ cột không khí 3D phía trên kính thiên văn. Những hệ laser bội này sẽ sử dụng các kĩ thuật xạ quang – tương tự như kĩ thuật dùng trong máy quét xạ quang trục đã lập trình hóa của kĩ thuật chụp ảnh y khoa – để tái dựng lại đặc trưng nhiễu loạn, cho phép sự hiệu chỉnh quang thích nghi trên trường nhìn rộng hơn nhiều so với kính thiên văn trước đây.
3.7.4 Tăng tốc cuộc săn lùng người ngoài trái đất.
Các nhà thiên văn học Mỹ đang mở rộng cuộc tìm kiếm tín hiệu phát đi từ những nền văn minh ngoài trái đất (SETI) bằng một hệ thống dò ánh sáng mới nhất, có thể nhận biết những xung laser cực ngắn và cực mạnh. Theo ông Frank Drake, Chủ tịch Học viện SETI (Mỹ), đây có thể là "cuộc săn lùng nền văn minh ngoài trái đất quy mô nhất từ trước đến nay".
Năm 1960, Drake là người đầu tiên chủ trương tìm kiếm SETI bằng cách kết nối các ăng ten thành một hệ thống đa kênh có thể tiếp nhận các tín hiệu radio. Tuy nhiên, lần này thì khác. Drake và đồng nghiệp "sẽ tìm kiếm những xung laser cực ngắn và cực mạnh từ các hành tinh khác chứ không phải các tín hiệu radio".
Hệ thống dò ánh sáng mới được thiết kế và lắp ráp bởi các nhà nghiên cứu California, gồm 3 máy dò laser ghép lại. Các nhà khoa học hy vọng nó chỉ thông báo sai nhiều nhất một lần trong năm.
Hiện nay, nhóm khoa học này đã dò khoảng 300 hệ thống sao rời rạc và một số ít nhóm sao. Trong những năm tới, họ dự định sẽ quan sát ít nhất một hệ sao mỗi tuần.
3.7.5 Mỹ phát triển vũ khí laser chống tên lửa và pháo.
Quân đội Mỹ vừa thử nghiệm thành công loại vũ khí tầm ngắn có tên "laser năng lượng cao chiến thuật di động" tại bang New Mexico. Ngay sau khi bắn ra, quả đạn pháo sẽ bị radar cùng thiết bị tầm nhiệt hồng ngoại bám đuôi, rồi bị tia laser đốt nóng khiến nó phát nổ trước khi đến đích.
Trong những lần thử nghiệm dùng laser chiến thuật trước, quân đội Mỹ đã bắn hạ 25 tên lửa Katyushas một cách dễ dàng. Tuy nhiên, đạn pháo khó tìm diệt vì nó tỏa nhiệt ít hơn.
Trông giống như một chiếc đèn pha, "laser năng lượng cao chiến thuật di động" là một trong rất nhiều thiết bị laser mà Lầu Năm Góc đang phát triển cho mục đích phòng thủ. Từ năm 2007, loại vũ khí chuyển động với tốc độ ánh sáng này có thể được sử dụng để đánh chặn đạn pháo, đạn cối, tên lửa đạn đạo tầm ngắn, tên lửa hành trình, vũ khí không đối đất, trực thăng và phi cơ cỡ nhỏ.
Kể từ năm 1996, quân đội Mỹ, Bộ Quốc phòng Israel và công ty TRW đã đổ 250 triệu USD vào việc chế tạo laser chiến thuật. Israel muốn phá hủy tên lửa Katyusha mà du kích Hezbollah ở Libăng phóng ra từ vùng biên giới. Các quan chức của Mỹ và Israel hy vọng rằng TRW sẽ thu nhỏ kích thước của loại vũ khí mới để có thể gắn nó trên xe tải.
Quân đội Mỹ cũng đang thực hiện dự án trị giá 3,7 tỷ USD - gắn máy phát laser trên máy bay Boeing 747 để triệt hạ tên lửa đạn đạo một cách nhanh chóng.
3.7.6 Dùng tia laser để chống sét.
Các nhà khoa học Mỹ mới đây giới thiệu công nghệ chùm tia laser mới có thể tạo ra mưa nhân tạo và hỗ trợ kiểm soát thời tiết. Công nghệ kiểm soát thời tiết hoạt động dựa trên hệ thống hai chùm laser tổng hợp. Chùm laser trung tâm năng lượng cao nằm ở vị trí trung tâm, được bao quanh bởi chùm tia thứ hai. Chùm tia thứ hai hoạt động như bộ phận tiếp nhiên liệu, có chức năng hỗ trợ năng lượng và đảm bảo tính chính xác cho chùm laser trung tâm ở các khoảng cách xa.
a) Sét là gì ?
Sét hay tia sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và đất hay giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu đôi khi còn xuất hiện trong các trận phun trào núi lửa hay bão bụi (cát). Khi phóng điện trong khí quyển tia sét có thể di chuyển với tốc độ 36.000 km/h vì sét là sự di chuyển của các ion nhưng hình ảnh của sét là do dòng plasma phát sáng tạo ra nên có thể thấy nó trước khi nghe tiếng động vì tiếng động chỉ di chuyển với tốc độ 1.230 km/h trong điều kiện bình thường của không khí còn ánh sáng đi được 299.792.458 m/s. Sét đạt tới nhiệt độ 30.000 °C gấp 20 lần nhiệt độ cần thiết để biến cát silica thành thủy tinh (chỉ cần 1330 °C để làm nóng chảy SiO2), những viên đá được tạo ra bởi sét đánh vào cát gọi là fulgurite (thường nó có dạng hình ống do sét di chuyển vào lòng đất). Có khoảng 16 triệu cơn dông mỗi năm.
a) Thảm họa từ sét
Có vẻ như xác suất bị sét đánh trúng trở nên cao hơn thường lệ, ít nhất là tại một số vùng trên thế giới. Số người chết vì bị sét đánh thậm chí còn cao hơn các thiên tai khác như lụt lội, lở đất và hạn hán. Nhà khí tượng học Ron Holle của Công ty Vaisala (Phần Lan) cho biết các trường hợp tử vong do sét không chỉ gia tăng ở Uganda mà xuất hiện trên toàn châu lục đen.“Trong 10 năm qua, chúng tôi phát hiện tại Malawi, Swaziland, Zimbabwe và một phần Nam Phi có tỷ lệ sét đánh chết người gia tăng so với tại Mỹ cách đây 100 năm”, theo chuyên gia Holle.
Hình 3.11: Sét đánh tượng Nữ thần Tự do tại Mỹ - (Ảnh: Livejournal.com)
Ngoài châu Phi, một loạt các chuyên gia khí tượng ở châu Á và Nam Mỹ cũng báo cáo tình trạng tương tự trong khu vực của mình. Bên cạnh Uganda, vùng Đông Nam Á cũng thường xuyên đón bão sét các sự cố có liên quan đến sét trên thực tế đang tăng, kéo theo đó là những vụ chết người hoặc bị thương nghiêm trọng. Tuy nhiên, những nước như Campuchia, Thái Lan thiếu chuyên gia về lĩnh vực này, nên vấn đề trên vẫn không được lưu ý đến. Những vụ sét đánh chết người cũng xảy ra ở Nam Á và Mỹ La tinh. Bão lớn kèm theo sấm sét thường xảy ra ở vùng cận nhiệt đới, nơi tập trung hầu hết các quốc