Dấu ấn của thuyết lượng tử trong nghiên cứu vũ trụ

Những bức xạ trong vũ trụ

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 nay. Những công trình của Max Planck và của Albert Einstein đã mở đường cho sự nghiên cứu những bức xạ vũ trụ. Về mặt kỹ thuật, kính thiên văn quang học và kính thiên văn vô tuyến ngày càng lớn, có độ phân giải cao, cùng những thiết bị thu tín hiệu chế tạo ra từ những vật liệu bán dẫn và siêu dẫn, cũng làm cho ngành thiên văn phát triển rất nhiều trong những thập niên gần đây. Các nhà thiên văn 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. Bức xạ điện từ lan truyền trong không gian như những làn sóng trải dài từ những bước sóng cực ngắn của tia gamma, tia X và tia tử ngoại đến bước sóng khả kiến và những bước sóng cực dài hồng ngoại và vô tuyến. Vì bức xạ có tính chất lưỡng tính sóng-hạt nên các nhà vật lý dùng khái niệm sóng để mô tả hiện tượng giao thoa trong quang học và khái niệm hạt để giải thích hiệu ứng quang điện hay quá trình hấp thụ và phát bức xạ.

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 và phát ra bức xạ nhiệt. Tinh vân là những đám khí bị ion hoá (plasma) trong đó có electron chuyển động tự do. Khi electron trong tinh vân va chạm và tương tác với những hạt ion cũng phát ra bức xạ nhiệt. Các nhà thiên văn quan sát bức xạ nhiệt để đo nhiệt độ của các thiên thể. Tàn dư của những ngôi sao đã nổ (sao siêu mới) là những đám khí tương đối loãng trong đó electron được gia tốc trong từ trường và chuyển động theo những đường lực với tốc độ cao xấp xỉ bằng tốc độ ánh sáng. Loại thiên thể này phát ra bức xạ phi-nhiệt mạnh hơn bức xạ nhiệt rất nhiều. Bức xạ phi-nhiệt trong vũ trụ giống những bức xạ quan sát trong những máy gia tốc “synchrotron”. Quan sát bức xạ phi-nhiệt là để tìm hiểu cơ chế gia tốc các hạt vật chất trong các thiên thể và để ước tính từ trường và năng lượng của electron. Thiên thể trong vũ trụ phát ra bức xạ nhiệt và bức xạ phi-nhiệt trên những dải tần số rộng.

Vật đen là một vật lý tưởng có khả năng hấp thụ hoàn toàn các năng lượng điện từ. Khi được nung nóng, vật đen phát ra bức xạ nhiệt. Khoảng trống đen kịt và kín mít bên trong cái lò than có thể được coi là một vật đen. Bức xạ phông vũ trụ, tàn dư của Big Bang, phát ra trên bước sóng vi ba (sóng vô tuyến) và hiện tràn ngập toàn bộ vũ trụ, cũng là bức xạ vật đen. Planck là nhà vật lý đã đưa ra ý kiến độc đáo để lượng tử hóa năng lượng của vật chất nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa kết quả lý thuyết và kết quả quan sát liên quan đến vấn đề năng lượng của vật đen. Einstein khái quát hoá giả thuyết của Planck để lượng tử hoá bức xạ với mục đích giải thích cơ chế phát những vạch phổ nguyên tử và phân tử. Công trình của Einstein đã dẫn đến sự phát hiện bức xạ cảm ứng (stimulated emission) và sự phát minh những máy maser và laser phát ra những tia xạ có cường độ lớn dùng trong công nghiệp trên bước sóng vi ba và quang học.

Thảm hoạ Rayleigh-Jeans

Cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đã đem lại một kỷ nguyên mới cho ngành vật lý. Các nhà vật lý ở thế kỷ 19 dùng lý thuyết nhiệt động học và vật lý thống kê cùng với giả thuyết năng lượng được phân bố đều giữa các hướng chuyển động tự do trong không gian (degree of freedom) để xác định phổ của bức xạ vật đen ở trạng thái cân bằng nhiệt (trạng thái nhiệt độ đồng đều và không thay đổi). Dựa trên những lý thuyết cổ điển này, Lord John William Rayleigh và James Jeans tìm thấy một công thức rất đơn giản để tính cường độ của bức xạ vật đen. Theo công thức Rayleigh-Jeans, độ sáng của vật đen không tùy thuộc vào bản chất của vật thể, nhưng có điều kỳ lạ là ở bất cứ nhiệt độ T nào, độ sáng B_n cũng tăng rất nhanh với tần số n theo luật bình phương (B_n = 2kTn²/c², k là hằng số Boltzmann và c là tốc độ ánh sáng). Có nghĩa là một vật đen như cái lò dùng để nung nấu phải phát ra những bức xạ rất mạnh ở những tần số cao, đặc biệt trên vùng sóng tử ngoại và sóng X. Như ta biết, trên thực tế lò này không phát ra tia tử ngoại và tia X độc hại và không gây ra thảm hoạ cho người dùng. Theo công thức Rayleigh-Jeans, toàn bộ năng lượng của vật đen (tức là tích phân của hàm B_n theo tần số) cũng là vô tận! Phương pháp tính cường độ của bức xạ vật đen bằng những lý luận của ngành vật lý cổ điển đã dẫn đến những kết quả tỏ ra là không hợp lý. Công thức Rayleigh-Jeans đã gây ra chấn động làm một số nhà khoa học ở đầu thế kỷ 20 phải gọi đó là “thảm hoạ tử ngoại” hay “thảm hoạ Rayleigh-Jeans”.

Nhiều nhà vật lý nổi tiếng hồi đó như Josef Stefan, Ludwig Boltzmann và Wilhelm Wien tìm cách giải quyết mâu thuẫn giữa lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến vấn đề bức xạ vật đen. Vào đầu thế kỷ 20, tuy Max Planck chưa biết nguyên nhân sâu sắc của vấn đề này trên phương diện vật lý, nhưng muốn tìm ra một công thức toán học có khả năng tính được những đường cong để khớp với đường cong của phổ vật đen mà các nhà vật lý đã quan sát được từ trước bằng phương pháp thực nghiệm. Sau khi đã tìm thấy những đường cong của vật đen bằng công thức toán học, Max Planck nảy ra ý kiến cho rằng năng lượng của những hạt dao động, như những electron trong nguyên tử, không chỉ đơn giản tỷ lệ với nhiệt độ mà phải bị lượng tử hoá. Năng lượng E của hạt biến đổi theo từng mức lượng tử hn (h là hằng số Planck, và n là tần số của bức xạ). Xác suất P(E) để có năng lượng E phải tỷ lệ với exp(-E/kT). Độ sáng của vật đen tính theo lý thuyết lượng tử là: B_n = (2hn³/c²)/[exp (hn/kT) – 1)].

Công thức này mang tên công thức Planck cho thấy, dù ở tần số cao đến đâu thì mẫu số vẫn tăng rất nhanh so với tử số, làm hàm B_nphải giảm xuống ở vùng tần số cao nên tránh được thảm hoạ tử ngoại. Ở miền tần số thấp như miền sóng vi ba (sóng vô tuyến xentimet và những bước sóng dài hơn) hn/kT rất nhỏ nên công thức Planck và công thức Rayleigh-Jeans đều dẫn đến những kết quả tương tự như nhau. Công thức Planck cho thấy nhiệt độ của vật đen càng cao thì vật đen càng sáng. Theo công thức Wien, cực đại của bức xạ xảy ra ở tần số n_max ~ 3kT/h, làm cho đỉnh của những đường cong Planck dịch chuyển về phía tần số cao khi nhiệt độ tăng lên.

Tuy những ngôi sao đều có khí quyển bao bọc xung quanh nhưng vẫn được coi là những vật đen trên một mức độ nào đó. Các nhà thiên văn dùng định luật Planck và định luật Wien và dựa trên độ sáng và màu của những ngôi sao để sắp xếp sao thành từng loại. Ngôi sao nào nóng thì sáng và có màu xanh lam, còn những ngôi sao nguội hơn lại mờ hơn và có màu đỏ (tần số thấp hơn tần số màu xanh). Bề mặt mặt trời nóng khoảng 6000 độ Kelvin nên Mặt trời là một ngôi sao màu vàng.

Bức xạ phông vũ trụ tàn dư của Big Bang

Vũ trụ nguyên thủy là một môi trường plasma rất nóng trong đó photon (hạt ánh sáng) va chạm liên tục với electron nên không di chuyển được dễ dàng. Trong 400 000 năm đầu sau khi vũ trụ được khai sinh từ Big Bang, hiện tượng tán xạ này làm vũ trụ mờ đục và phát ra bức xạ nhiệt. Phổ của bức xạ vũ trụ là phổ của một vật đen. Sau khi nhiệt độ giảm xuống chỉ còn khoảng 3000 Kelvin, electron tái hợp được với proton để tạo ra hydro trung hoà. Khi đó trong vũ trụ không còn nhiều electron nên photon di chuyển tự do và vũ trụ trở nên trong sáng. Vật chất không còn có tác động đối với photon, nên bức xạ vũ trụ vẫn giữ được đặc tính của một vật đen. Vũ trụ tiếp tục dãn nở không ngừng, nhưng phổ bức xạ phông vũ trụ vẫn được mô tả bằng định luật Planck, tuy ở nhiệt độ ngày càng thấp. Phổ của bức xạ phông vũ trụ hiện nay rất khớp với đường cong Planck của một vật đen ở nhiệt độ 2,726 Kelvin. Bức xạ phông phát ra mạnh nhất trên bước sóng vô tuyến ~ 1,9 milimet (tần số ~ 160 Gigahertz).

Sự phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ không những là một bằng chứng củng cố thuyết Big Bang mà còn giúp các nhà thiên văn nghiên cứu cấu trúc của vũ trụ trên quy mô rộng. Khi quan sát về hướng những chùm thiên hà, họ nhận thấy đường cong Planck biểu diễn phổ của bức xạ phông vũ trụ có chút ít sai trệch so với đường cong của vật đen ở nhiệt độ 2,726 Kelvin. Lý do là vì môi trường giữa những thiên hà trong những chùm thiên hà có khí bị ion hoá và nóng tới hàng trăm triệu độ nên electron có năng lượng cao và phát ra bức xạ X. Trong quá trình va chạm với photon, electron năng lượng cao chuyển năng lượng cho photon (biệt ngữ vật lý là “hiệu ứng Compton ngược”). Electron của chùm thiên hà tương tác với photon của bức xạ phông vũ trụ qua hiệu ứng Compton ngược và làm tăng năng lượng photon của bức xạ phông. Do đó, ở hướng những chùm thiên hà, đường cong của phổ bức xạ phông vũ trụ thay đổi chút ít. Hiện tượng này được tiên đoán bởi hai nhà vật lý Sunyaev (Ouzbekistan) và Zeldovich (Nga) nên gọi là “hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich” (viết tắt là “hiệu ứng SZ”). Sự quan sát hiệu ứng SZ là một trong những phương tiện để phát hiện những chùm thiên hà xa xôi và để xác định hằng số Hubble, dẫn đến sự ước tính tuổi của vũ trụ. Kính thiên văn dùng để quan sát hiệu ứng SZ và để phát hiện bức xạ yếu ớt của những chùm thiên hà cần có độ phân giải cao.

Sự tương tác giữa bức xạ và vật chất

Theo quan niệm của Planck, vật chất bị lượng tử hoá và được coi như những hạt dao động điều hoà (harmonic oscillator) để phát ra bức xạ. Năng lượng của hạt được lượng tử hoá trên những mức cách nhau đều. Bohr nhận định là những mức năng lượng của những hệ nguyên tử không nhất thiết phải cách nhau đều. Sau này các nhà vật lý xác định là khoảng cách của những mức năng lượng của phân tử cũng không được phân bố đều trên thang năng lượng. Einstein không những dựa trên giả thuyết vật chất bị lượng tử hoá của Planck, mà còn cho rằng bức xạ cũng là những hạt lượng tử có năng lượng hn. Công trình của Einstein lượng tử hoá bức xạ đã mở đường cho công việc nghiên cứu quá trình tương tác giữa bức xạ và vật chất như được trình bầy sau đây.

Những tinh vân trong vũ trụ là những đám khí trong đó nguyên tử thay đổi năng lượng để phát ra bức xạ. Khi đám khí ở trạng thái cân bằng nhiệt, nguyên tử được phân bố trên thang năng lượng theo định luật Boltzmann. Ở những mức năng lượng E càng cao thì “dân số” (nguyên tử) n càng thưa thớt theo luật hàm mũ: n ~ exp (-E/kT). Theo Einstein, khi một bức xạ có tần số thích hợp chiếu vào nguyên tử thì nguyên tử hấp thụ photon của bức xạ để nhảy từ mức năng lượng thấp l lên mức năng lượng cao m. Cường độ của bức xạ càng mạnh thì xác suất của hiện tượng hấp thụ càng cao và tỷ lệ với một hằng số gọi là B_lm. Ngược lại, nguyên tử phát ra photon khi chuyển từ mức năng lượng cao m xuống mức năng lượng thấp l. Trong trường hợp này, Einstein đề xuất hai cơ chế phát bức xạ khác nhau. Cơ chế thứ nhất là nguyên tử có khả năng chuyển hoàn toàn ngẫu nhiên từ mức năng lượng cao m xuống mức năng lượng thấp l với xác suất A_ml mà không cần có một nguồn bức xạ nào chiếu vào. Qua quá trình này, nguyên tử phát ra “bức xạ tự phát” (spontaneous emission). Cơ chế thứ hai là nếu có một bức xạ có tần số n thích ứng với hiệu số năng lượng ở mức m và l, (E_m – E_l = hn), chiếu vào thì đám khí nguyên tử phát ra “bức xạ cảm ứng” (stimulated emission). Suất photon phát ra tỷ lệ với cường độ của bức xạ theo hệ số B_mltương ứng với hai mức m và l. Bức xạ tự phát và bức xạ cảm ứng phát ra dưới dạng những vạch phổ có tần số tương ứng với sự chuyển mức giữa mức m và mức l. Những hệ số A_ml , B_lm, và B_{ml ,} gọi là hệ số Einstein, không phải là những hằng số phổ biến mà lại tùy thuộc vào những mức năng lượng l , m và vào đặc điểm của từng nguyên tử. Trong một đám khí nguyên tử ở trạng thái cân bằng nhiệt, suất nguyên tử chuyển lên mức trên phải bằng suất nguyên tử chuyển xuống mức dưới. Einstein dựa trên giả thuyết này và đồng thời áp dụng công thức Planck để tìm thấy những hệ thức giữa những hệ số A_ml , B_lm, và B_ml. Muốn tính được giá trị của những hệ số Einstein tương ứng với từng vạch phổ, các nhà vật lý phải dùng thêm cả những định luật của vật lý nguyên tử. Những hệ số Einstein được dùng trong phương trình cân bằng thống kê để tính phổ của những bức xạ nguyên tử và phân tử.

Trong vũ trụ những đám khí trong tinh vân thường ở trạng thái cân bằng nhiệt. Các nhà thiên văn quan sát những vạch phổ nguyên tử và phân tử để xác định điều kiện lý-hóa trong những thiên thể, như nhiệt độ và mật độ. Hydro trung hoà là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ. Nguyên tử hydro phát ra một vạch phổ trên bước sóng vô tuyến 21 xentimet. Xác suất tự phát A_ml của nguyên tử hydro rất thấp (A_ml ~ 3.10^-15/giây) nên nguyên tử tồn tại trên mức năng lượng cao m trong một thời gian t_ml dài tới 11 triệu năm (t_ml ~ 1/A_ml). Có nghĩa là cứ 11 triệu năm mới có một photon vô tuyến của nguyên tử hydro tự nhiên phát ra trên bước sóng 21 xentimet ! Nhờ có sự va chạm với electron làm nguyên tử chuyển mức năng lượng nhanh hơn, nên chu kỳ phát photon rút cục giảm xuống 400 năm, tuy vẫn còn dài. Tuy nhiên bức xạ 21 xentimet của nguyên tử trung hoà hydro vẫn là bức xạ mạnh nhất trong vũ trụ, bởi vì hydro là thành phần vật chất phổ biến nhất, có mật độ cao nhất. Vạch phổ 21 xentimet của hydro đã được dùng để phát hiện cấu trúc xoắn ốc của Ngân hà và để quan sát những thiên hà xa xôi.

Những tia laser và maser trong vũ trụ

Cơ chế phát bức xạ cảm ứng mà Einstein đề xuất đã dẫn đến những áp dụng để sản xuất những máy laser và maser trong công nghiệp. Công trình của Einstein cũng tỏ ra rất cần thiết trong công việc nghiên cứu hiện tượng laser và maser trong vũ trụ. Như đã trình bầy trong chương trước, thông thường những đám khí tồn tại ở trạng thái “cân bằng nhiệt” trong đó nguyên tử đọng ở những mức năng lượng thấp theo định luật Boltzmann. Tuy nhiên đám khí có thể chuyển sang trạng thái “không cân bằng nhiệt” nếu có một cơ chế “bơm” nguyên tử lên những mức năng lượng cao. Khi đó sự phân bố nguyên tử không còn tuân theo định luật Boltzmann. Thậm chí sau khi được bơm, dân số nguyên tử ở những mức năng lượng cao có khả năng vượt hơn hẳn dân số nguyên tử ở̉ những mức năng lượng thấp. Hiện tượng “đảo ngược dân số” tạo ra tình trạng có rất nhiều nguyên tử tập trung ở những mức năng lượng cao, chẳng hạn ở mức m. Khi một bức xạ có tần số n = (E_m – E_l)/h chiếu vào thì không còn nhiều nguyên tử ở mức năng lượng thấp l để hấp thụ bức xạ. Trái lại, bức xạ khởi động một quá trình tương tự như một loại “phản ứng dây chuyền”, làm những nguyên tử tập trung ở mức năng lượng cao m đột nhiên đổ xô xuống mức năng lượng dưới l và thi nhau phát bức xạ. Quá trình này tạo ra một tia laser rất mạnh. Các nhà vật lý sử dụng nhiều “thủ thuật” để bơm dân số nguyên tử lên những mức năng lượng cao. Chẳng hạn họ dùng một tia ánh sáng để bơm nguyên tử lên những mức năng lượng rất cao. Từ đây nguyên tử dần dần tự rơi xuống những mức năng lượng dưới qua cơ chế tự phát bức xạ và tạm đọng lại ở một mức năng lượng m nào đó, gọi là mức nửa bền vững (metastable state). Khi đó chỉ cần một bức xạ có tần số thích hợp chiếu vào là nguyên tử đổ xuống một mức năng lượng thấp hơn và tạo ra bức xạ laser. Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) phát ra những tia xạ trên lĩnh vực sóng khả kiến, tử ngoại (ultraviolet) và hồng ngoại (infrared). Còn maser (Microwave amplification by stimulated emission of radiation) hoạt động theo nguyên tắc của laser nhưng trên miền sóng vi ba (vô tuyến).

Các nhà thiên văn phát hiện là trong vũ trụ cũng có những đám khí phát bức xạ maser. Maser thiên nhiên xuất phát từ những phân tử trong những tinh vân của dải Ngân hà. Tinh vân là những đám khí nguyên tử và phân tử có cả bụi và những ngôi sao sáng trưng. Phân tử là một tập hợp nguyên tử trong đó những nguyên tử có thể coi là gắn với nhau bằng những lò xo vô hình. Khi phân tử dao động hoặc quay xung quanh những trục của phân tử thì phát ra những bức xạ trên bước sóng hồng ngoại và vô tuyến. Phân tử trong tinh vân được bơm lên những mức năng lượng cao bởi photon của những ngôi sao và của bụi để phát ra bức xạ maser. Vào thập niên 1960, các nhà thiên văn của Đại học Berkeley quan sát được trên bước sóng 18 xentimet một bức xạ phát ra từ hướng Tinh vân Lạp Hộ (Orion Nebula). Vạch phổ của bức xạ rất hẹp nhưng lại cực kỳ sáng làm các nhà thiên văn ngạc nhiên đến nỗi họ phải cho đó là bức xạ của một chất “Huyền bí” (Mysterium) nào đó! Sau những tính toán cơ học lượng tử và những kết quả đo đạc quang phổ, họ kết luận là vạch bức xạ “Huyền bí” thực sự chính là một vạch phổ maser của phân tử “hydroxyl” OH quen thuộc. Ngoài phân tử OH còn có phân tử nước H₂O và phân tử “silicon monoxide” SiO cũng phát ra những bức xạ maser vô tuyến rất mạnh. 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). Cường độ của những bức xạ maser vũ trụ tăng theo hàm mũ với kích thước của đám khí phân tử. Những đám khí trong vũ trụ lớn hàng trăm triệu kilomet, tương đương với kích thước của hệ mặt trời nên phát ra bức xạ maser rất mạnh. Trong vũ trụ, một bức xạ vô tuyến sau khi truyền qua đám khí maser có khả năng được khuếch đại đến hàng tỷ lần. Những laser và maser nhân tạo đương nhiên là có kích thước khiêm tốn hơn nhiều. Để tăng cường hiệu suất của quá trình bơm laser nhân tạo, một hệ thống gương được dùng để phản chiếu bức xạ cảm ứng nhằm kích thích liên tục laser. Muốn nghiên cứu hiện tượng maser trong vũ trụ, các nhà thiên văn phải lập ra những mô hình lý thuyết để giải phương trình truyền bức xạ trong đám khí phân tử, kết hợp với phương trình cân bằng thống kê trong đó xuất hiện những hệ số Einstein.

Hình 1

Hình 1: Thiên hà Messier 82 có hình dạng một điếu xì gà ở cách trái đất 12 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Đại Hùng. Trung tâm thiên hà Messier 82 là một môi trường rất xáo động, phun ra nhiều khí và bụi. Đây cũng là nơi mà sự sản sinh ra hàng nghìn ngôi sao có khả năng bùng lên từng đợt (Hình NASA-ESA).

Hình 2: Một bức xạ maser của phân tử hydroxyl OH (thể hiện bằng vạch phổ rất hẹp có đỉnh cao nhìn thấy ở phía bên trái trong phổ) được phát hiện trên bước sóng 18 xentimet (tần số 1667 Megahertz) ở vùng trung tâm thiên hà Messier 82 {Nguyen Quang Rieu (Observatoire de Paris-Meudon), Ulrich Mebold và Anders Winnberg (Max Planck Institut, Bonn), Jean Guibert (Observatoire de Paris-Meudon) và Roy Booth (University of Manchester) công bố trong tạp chí Astronomy and Astrophysics, vol. 52, p. 467, 1976}.

Hình 2

Bức xạ maser trong thiên hà Messier 82 là một trong hai bức xạ maser rất mạnh được phát hiện đầu tiên ở hẳn bên ngoài dải Ngân hà. Kính thiên văn vô tuyến lớn 100 met của viện “Max Planck Institut für Radioastronomie, Bonn” đã được dùng để phát hiện ra bức xạ maser này. Miền phổ rất rộng trũng xuống (phía bên phải trong phổ) được tạo ra bởi những đám khí hydroxyl trong thiên hà, nhưng vì những đám khí này không phải là maser nên không phát mà lại hấp thụ bức xạ (cường độ âm). Trục tung biểu diễ̃n cường độ của bức xạ và trục hoành biểu diễn tốc độ của những đám khí trong thiên hà.

Trong những năm gần đây, tia laser còn được chiếu lên bầu trời để tạo ra những ngôi sao nhân tạo. Các nhà thiên văn quan sát ngôi sao laser như một ngôi sao chuẩn để điều chỉnh liên tục kính thiên văn nhằm loại trừ sự hỗn loạn của khí quyển có khả năng làm nhiễu hình của thiên thể. Tia laser kích thích những nguyên tử natri trong khí quyển và tạo ra một điểm sáng màu vàng trông như một ngôi sao. Các nhà thiên văn chỉ cần “bật” ngôi sao laser mỗi khi họ cần dùng ở bất cứ thời điểm nào và ở vị trí nào trên bầu trời để điều chỉnh thiết bị trong khi họ quan sát các thiên thể. Những kính thiên văn cỡ lớn sẽ được trang bị bằng thiết bị hiện đại này, hiện nay được coi là thiết bị cần thiết để chụp được hình của những thiên thể với độ sắc nét cao.

Tôn vinh các nhà khoa học

Khí quyển trái đất chỉ để bức xạ khả kiến (ánh sáng), hồng ngoại gần và vô tuyến đột nhập từ vũ trụ vào bề mặt trái đất. Còn những bức xạ khác trong phổ điện từ như bức xạ gamma, bức xạ X, bức xạ tử ngoại và hồng ngoại xa đều bị khí quyển trái đất hấp thụ. Muốn quan sát những miền sóng bị hấp thụ, các nhà thiên văn phải phóng kính thiên văn ra ngoài tầng khí quyển trái đất. Họ thường lấy tên các nhà bác học nổi tiếng để đặt cho các vệ tinh phóng kính thiên văn lên không gian. Tên của Einstein đã được đặt cho vệ tinh nhân tạo phóng năm 1978 để quan sát vũ trụ trên miền sóng X. Kính của vệ tinh Einstein được dùng để nghiên cứu những thiên thể phát ra những bức xạ có năng lượng cao, như pulsar và tàn dư của những vụ sao nổ cùng những chùm thiên hà. Một vệ tinh khác cũng hoạt động trên bước sóng X được phóng năm 1999 và được đặt tên là Chandra để tôn vinh nhà thiên văn vật lý Chandrasekhar (Ấn độ), người đã đề xuất lý thuyết giải thích quá trình hình thành những thiên thể siêu đặc như sao lùn trắng, sao neutron và lỗ đen. Trong số những kết quả đáng ghi nhớ mà vệ tinh Chandra đã đạt được, phải kể sự phát hiện một lỗ đen khổng lồ nặng gấp 2,5 triệu lần mặt trời và nằm ngay trong trung tâm Ngân hà.

Cơ quan Không gian Vũ trụ Châu Âu (European Space Agency) chuẩn bị phóng một vệ tinh đặt tên là Planck để quan sát bức xạ phông vũ trụ. Năm 1989, vệ tinh COBE đã phát hiện là bức xạ phông vũ trụ không đồng đều và phổ bức xạ là phổ một vật đen. Biên độ thăng giáng nhiệt độ, tuy cực kỳ nhỏ, nhưng thể hiện một vũ trụ nguyên thủy lổn nhổn vật chất, mầm mống của những thiên hà quan sát thấy ngày nay. Planck là vệ tinh thế hệ thứ ba, sau COBE và WMAP, có độ nhạy chưa từng đạt được từ trước tới nay. Vệ tinh Planck nhạy bằng khoảng một nghìn lần vệ tinh COBE và phổ kế trên vệ tinh Planck phủ một miền sóng rất rộng, từ sóng hồng ngoại tới sóng vô tuyến. Mục tiêu chính của vệ tinh Planck là quan sát chi tiết bức xạ của vũ trụ nguyên thủy để cung cấp những số liệu cần thiết cho những mô hình lý thuyết mô tả quá trình tiến hoá của vũ trụ. Hiện nay tại nước Đức đã có hàng chục viện nghiên cứu khoa học cũng mang tên nhà bác học Max Planck.

Nguyễn Quang Riệu

Thư mục

M. Elitzur : Astronomical Masers (Kluwer Academic Publishers1992)

R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands: The Feynman Lectures on Physics (California Institute of

Technology, Addison-Wesley Publishing Company, 1977).

Kenneth R. Lang: Astrophysical Formulae (Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1980)

Nguyen Quang Rieu: Circumstellar Radio Molecular lines (The M-Type Stars; Monograph Series

on Nonthermal Phenomena in Stellar Atmospheres, CNRS – NASA, p. 209, 1986)

C.H. Townes, A.L. Schawlow: Microwave Spectroscopy (McGraw-Hill Book Company, 1955)