Vũ trụ là một phòng thí nghiệm đa dạng cung cấp cho các nhà khoa học những
số liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý-hóa, từ mức vĩ mô đến mức vi mô. Lực
hấp dẫn phổ biến của Newton chi phối sự chuyển động của các thiên thể và quá trình tiến hoá của vũ trụ trên quy mô lớn. Thuyết Big Bang - tuy vẫn còn phải được
cải tiến nhưng được đa số các nhà thiên văn chấp nhận - và những công trình về sự
tổng hợp những nguyên tố trong vũ trụ nguyên thủy và trong những ngôi sao… đều là cơ sở để giải thích những hiện tượng thiên văn quan sát thấy hiện naỵ
Những công trình của Max Planck và của Albert Einstein đã mở đường cho sự
nghiên cứu những bức xạ vũ trụ. Nhờ quan sát bằng kính thiên văn vô tuyến ngày càng lớn, có độ phân giải cao mà các nhà thiên văn thu được những bức xạ ngoài vũ
trụ, xử lý số liệu và áp dụng những định luật lý-hóa để lập ra những mô hình lý thuyết nhằm tìm hiểu cơ chế phát những bức xạ và mô tả những hiện tượng quan sát
trong vũ trụ.
2.2.1.1. Bức xạ vũ trụ là gì?
kiến và những bước sóng cực dài hồng ngoại và vô tuyến, bức xạ vũ trụ gửi tới bị
hấp thu hoặc phản xạ bởi khí quyển Trái Đất trên dải rộng của phổ điện từ.
Tia gamma, tia X và bức xạ tử ngoại bị hấp thụ bởi các nguyên tử và phân tử
trong khí quyển Trái Đất. Bức xạ hồng ngoại bị hấp thụ trong một vùng phổ rộng
bởi các phân tử nước (H2O) và đi-ô-xit các-bon (CO2). Sóng vô tuyến có bước sóng
dài bị phản xạ ngược vào Vũ trụ bởi các lớp quyển ion ở phía trên khí quyển Trái Đất. Phần trên của khí quyển Trái Đất bị ion hóa bởi bức xạ cực tím của Mặt Trờị
Trong khí quyển Trái Đất chỉ có hai cửa sổ phổ hẹp cho phép bức xạ vũ trụ truyền
qua. Đó là:
• Cửa sổ khả kiến và hồng ngoại gần, có bước sóng từ λ ~ 0,4 μm đến λ ~ 3 μm.
• Cửa sổ vô tuyến, có bước sóng từ λ ~ 1mm đến λ ~ 30m.
Về nguyên tắc, một số phần trong cửa sổ vô tuyến được bảo vệ nhằm tránh sự
nhiễu tạo bởi các ra-da và các trạm phát phóng trên mặt đất và trong không gian. Những tín hiệu vô tuyến do con người tạo ra phải được phát ngoài những phần của
cửa sổ phổ vô tuyến được dành riêng cho thiên văn vô tuyến.
Kính thiên văn quang học và kính thiên văn vô tuyến milimét thường được lắp đặt trên các núi cao, ở đó khí quyển trong suốt hơn so với lớp khí quyển ở gần mặt đất nhằm cải thiện đến mức tối đa các điều kiện quan sát. Những vùng phổ nằm
ngoài 2 cửa sổ kể trên, chỉ có thể tiếp cận được nhờ các thiết bị được lắp đặt trên các bóng thám không bay cao và trên các vệ tinh hoặc các tàu thăm dò vũ trụ ở
ngoài khí quyển Trái Đất. Các nhà thiên văn cần phải quan sát không chỉ ở các bước
sóng khả kiến mà còn cả trong vùng phổ điện từ càng rộng càng tốt nhằm nghiên cứu những điều kiện vật lý của các thiên thể.
2.2.1.2. Phổ bức xạ của các thiên thể : [Radiantion spectra of astronomical objects]
Phổ đầy đủ các bức xạ được phát ra bởi một thiên thể được gọi là phổ điện từ
hay phổ bức xạ của thiên thể.
Khi dùng phổ kế phân tích bức xạ điện từ, bức xạ bị tách thành một dãy các vạch sáng và tối chồng lên trên một nền phổ liên tục. Bức xạ liên tục trải dài từ tia
gamma, tia X và sóng cực tím qua sóng quang học và hồng ngoại tới sóng vô tuyến. Cường độ của bức xạ liên tục và độ rộng của phổ của nó phụ thuộc vào quá trình bức xạ và những điều kiện vật lý, đặc biệt là nhiệt độ, mật độ và từ trường trong
thiên thể. Sự phát xạ vạch phụ thuộc vào bản chất nguyên tử và phân tử có mặt
trong khí quyển của thiên thể.
Trong vũ trụ có vô số thiên hà, mỗi thiên hà là một tập hợp khí và bụi cùng với
những ngôi sao và hành tinh. Những thiên thể đặc có độ dày quang học (optical
depth) lớn, như những ngôi sao, những hành tinh và những đám mây chứa nhiều khí
và bụi đều tuân theo định luật của vật đen.
2.2.1.3. Quá trình phát xạ của bức xạ vũ trụ:
Là quá trình phát xạ liên tục thông qua một trong hai cơ chế: bức xạ nhiệt và bức xạ phi nhiệt.
Bức xạ nhiệt:
Bức xạ nhiệt chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát xạ, bao gồm bức xạ vật đen, bức xạ hãm trong khí bị ion hóa, bức xạ vạch quang phổ. Bất kì vật thể hay hạt
vật chất có nhiệt độ trên độ 0 tuyệt đối đều phát ra bức xạ nhiệt. Nhiệt độ của một
đổi hướng tương đương với việc gia tốc kéo theo các hạt điện tích được gia tốc, do đó chúng phát ra bức xạ điện từ với dải phổ điện từ không giống nhau tùy theo
lượng chuyển động trong vật chất liên quan trực tiếp với nhiệt độ của nó.
Vật đen là một vật thể mang tính giả thuyết là hấp thụ hoàn toàn mọi bức xạ
chiếu tới nó và không phản xạ lạị Khi nhiệt độ của vật đen không thay đổi, theo
nguyên lý cân bằng nhiệt lượng: F0 Fht F px F tq F ht F bxn
F0 là thông lượng bức xạ điện từ bắn vào vật.
Fht là phần thông lượng bức xạ điện từ bắn vào bị hấp thụ.
Fpx là phần thông lượng bức xạ điện từ bắn vào bị phản xạ (tán xạ); đối
với vật đen Fpx = 0.
Ftq là phần thông lượng bức xạ điện từ bắn vào bị truyền qua; đối với vật đen Ftq = 0.
Fbxn là thông lượng bức xạ điện từ vật bức xạ trở lại môi trường.
Vật đen định nghĩa như trên là một vật lý tưởng, không tồn tại trong thực tế, có đặc tính biến tất cả năng lượng nhận được thành năng lượng bức xạ đặc trưng
cho nhiệt độ của vật, với bất kỳ trị số nào của bước sóng. Mô hình vật đen là một
mô hình lý tưởng trong vật lý, nhưng có thể áp dụng gần đúng cho nhiều vật thể
thực tế. Các vật thể thực đôi khi được mô tả chính xác hơn bởi khái niệm vật xám. Vật thể trên thực tế gần đúng với khái niệm vật đen nhất là lỗ đen, là vật có lực hấp
dẫn mạnh đến nỗi hút gần như tất cả các vật chất (hạt hay bức xạ) nào ở gần nó.
Mọi vật thể trong vũ trụ ở trạng thái cân bằng nhiệt và năng lượng phát xạ trở
lại theo một phổ đặc trưng. Phổ đạt đỉnh cao tại một bước sóng chỉ phụ thuộc nhiệt độ vật thể. Những vật thể có nhiệt độ thấp hơn phát ra bức xạ ở bước sóng dài nhiều hơn. Những vật thể trong ảnh phát ra trong hay gần dải sáng nhìn thấy của phổ điện
từ, để một vật thể phát ra bức xạ nhiệt ở những bước sóng vô tuyến thì nó phải lạnh hơn những vật thể trên rất nhiềụ
Hình 2.22. Phổ vật đen ở 3 nhiệt độ khác nhau: 5000 K, 4000 K, và 3000 K. Sự phát nhiệt có thể nảy sinh trong một đám mấy khí, ở đó nguyên tử khí bị
ion hoá bởi các photon tử ngoại tới từ các ngôi sao hoặc do va chạm giữa các
nguyên tử. Các electron tự do chuyển động hỗn loạn trong môi trường chứa ion.
Những ion này dường như đứng yên vì khối lượng của chúng lớn hơn nhiều so với
các electron. Các electron bị đổi hướng và bị gia tốc khi đi vào miền lân cận các
ion phát bức xạ. Nhiệt độ của môi trường ion hoá phản ánh sự chuyển động nhiệt
hỗn độn của các electron.
Bức xạ phi nhiệt:
Bức xạ phi nhiệt không phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát xạ, gồm có bức xạ
synchrotron, bức xạ synchrotron hồi chuyển từ các pulsar, bức xạ cảm ứng maser trong vũ trụ. Bức xạ này được phát ra bởi một đám mây khí trong đó các electron có
năng lượng cao chuyển động nhanh (gần bằng vận tốc ánh sáng) được gia tốc một
từ trường. (sẽ đề cập đến trong chương 4 của tiểu luận này)
2.2.1.4. Năng lượng bức xạ vũ trụ:
Bức xạ từ các thiên thể được xem như là bức xạ của vật đen tuyệt đối, vì bề
mặt của chúng được bao phủ bởi một lớp khí dày trong suốt.
Công thức Plank về công suất bức xạ đơn sắc của vật đen:
Độ chói bức xạ: B (W/m2/Hz/st)
Xem xét một phần tử bề mặt ds nằm
trong bề mặt S đang phát ra bức xạ có tần số
(Hz)
Độ chói B là năng lựơng thu được trong
một giây, trên một đơn vị độ rộng của dãi sóng, qua một đơn vị diện tích và trên một đơn vị
góc khối, từ phần không gian nằm trong góc
khối dω (st) trong bầu trời nằm trong hình nón giới hạn bởi bề mặt ds (m2). Hàm sóng: 2 5 2 1 1 hc kT hc B e k = 1,38.10-23 J/K (hằng số boltzmann) h = 6,63.10-34 J.s (hằng số Plank) 2 1 1 3 hν 2 KT hν Bν = c e -
Năng lượng phát xạ toàn phần:
Định luật Stefan – Boltmann nói lên rằng năng lượng tăng rất nhanh theo nhiệt
độ: 4
T
(với 8 2 4
5, 7.10 W / m / K
)
Dựa vào công thức tính này các nhà thiên văn đo cường độ bức xạ của thiên thể ở các bước sóng khác nhau để vẽ phổ bức xạ của nó. Căn cứ vào hình dạng của
phổ, người ta có thể phân biệt các cơ chế bức xạ. Từ các quá trình bức xạ nhiệt cho phép các nhà thiên văn xác định nhiệt độ của hành tinh.