Những khám phá bất ngờ và thú vị trong ngành Thiên văn Vô tuyến

Vietsciences-Gs Nguyễn Quang Riệu       04/03/2005  

 

  1. Những khám phá đầu tiên

  2. Sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ, vết tích của Big Bang

  3. Quasar và Pulsar, những thiên thể kỳ lạ

  4. Vạch phổ cuả nguyên tử trung hòa hydrogen trên bước sóng 21 centimet

  5. Những bức xạ phân tử

  6. Săn tìm acid amin

  7. Bức xạ Maser kỳ diệu trong Vũ trụ

 

1- Những khám phá đầu tiên

Mỗi khi đề cập đến vấn đề quan sát Vũ trụ ta thường nghĩ ngay tới những vì sao lóng lánh nhìn thấy bằng mắt trần trên bầu trời ban đêm. Muốn khám phá sâu trong Vũ trụ để phát hiện những thiên hà xa xăm, các nhà thiên văn phải dùng những kính thiên văn lớn để “hứng” được nhiều photon phát ra từ những thiên thể. Ánh sáng cuả những thiên thể thu được trong kính thiên văn rất yếu, chỉ tương đương với ánh sáng cuả một ngọn nến đặt trên Mặt trăng và nhìn từ Trái đất. Lĩnh vực phổ ánh sáng chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong phổ điện từ, từ 0,4 tới 0,8 micromet (10-6 m). Phổ điện từ trải dài từ những bước sóng cực ngắn, femtomet  (10-15 m) cuả tia gamma, picomet ( 10-12 m ) cuả tia X, qua bức xạ hồng ngoại và khả kiến micromet, rồi đến bức xạ vô tuyến trên những bước sóng dài (10-3 m – 103 m ). Tính chất và miền sóng cuả bức xạ phụ thuộc vào nhiệt độ và thành phần vật chất cuả thiên thể. Do đó, quan sát nhiều miền trong phổ điện từ là điều cần thiết cho sự tìm hiểu điều kiện lý-hoá trong Vũ trụ. Dưới đây, tôi xin trình bầy một cách định tính một số hiện tượng vật lý trong ngành thiên văn vô tuyến để nhiều độc giả ngoại đạo tiếp cận được với ngành khoa học này.  

Thiên văn vô tuyến là một ngành khoa học mới mẻ, bắt nguồn từ những phát hiện bất ngờ trong lĩnh vực vô tuyến viễn thông. Năm 1932, một nhà vật lý người Mỹ, Karl Jansky,  nghiên cứu tại hãng Bell Laboratories (New Jersey) thu được trong angten trên bước sóng 15 met một bức xạ vô tuyến  phát ra từ một hướng cố định trên bầu trời. Ông cho rằng đây không phải là một bức xạ nhiễu nhân tạo và khẳng định được hướng cuả bức xạ, trùng khớp với vị trí cuả dải Ngân Hà. Ông là nhà khoa học đầu tiên tình cờ phát hiện ra bức xạ vô tuyến phát từ Vũ trụ. Công trình cuả Jansky là tiền thân của ngành thiên văn vô tuyến, một ngành thiên văn sau này đã đem lại nhiều cống hiến quí giá cho sự nghiên cứu Vũ trụ. Jansky mất năm 1950 ở tuổi 44, tuy ông không được giải Nobel, nhưng tên ông đã được dùng, như Ampère, Hertz, Coulomb, để đặt cho đơn vị thông lượng vô tuyến ( 1 Jansky = 10-26 watt/met2/Hertz).

Trong Chiến tranh thế giới thứ  hai, kỹ thuật angten radar được phát triển để phát hiện tàu thủy, máy bay và tên lửa của địch. Tuy nhiên, trong thời gian chiến tranh quyết liệt vào tháng hai năm 1942, nhiều chiến hạm Đức đi lại được trên biển Manche (giữa Pháp và Anh) mà không bị phát hiện bởi những radar đồng minh. Các chuyên gia nhận thấy radar thường bị nhiễu mỗi khi hướng về phía Mặt trời. Mặt khác các nhà thiên văn tại đài Thiên văn Greenwich  (Anh) nhận thấy những ngày radar bị nhiễu là những ngày có những sự bùng nổ trên Mặt trời. Do chiến tranh, sự phát hiện bức xạ vô tuyến của Mặt trời tạm bị lãng quên.

Sau khi chiến tranh kết thúc,  vào năm 1949, các nhà thiên văn bắt đầu triển khai kế hoạch dùng thiết bị vô tuyến để phục vụ ngành thiên văn. Họ dùng những mạng lưới angten lưỡng cực đơn giản “Yagi” (loại angten TV) và làm những máy thu để quan sát những nguồn bức xạ vô tuyến phát ra bởi các thiên hà và tàn dư cuả những sao siêu mới. Mặt trời, “ngôi sao” gần Trái đất nhất, nên phát ra bức xạ vô tuyến rất mạnh. Những kính thiên văn vô tuyến gồm hàng chục angten nhỏ hoạt động tương quan với nhau theo nguyên tắc “giao thoa”, được dùng để tăng độ phân giải của kính. Bức xạ của Mặt trời trong thời kỳ hoạt động tối thiểu, “Mặt trời tĩnh”,  là bức xạ nhiệt phát ra bởi khí quyển xung quanh Mặt trời. Sự chuyển động hỗn độn cuả electron tạo ra bức xạ nhiệt. Sử dụng kỹ thuật vô tuyến, các nhà thiên văn thăm dò được từng lớp khí quyển cuả Mặt trời. Từ bề mặt cuả Mặt trời lên tới những lớp ở độ cao trong tầng khí quyển (vành nhật hoa), nhiệt độ tăng từ 6000 Kelvin đến hàng triệu Kelvin. Những hạt ion có năng lượng cao phun ra từ Mặt trời trong thời gian hoạt động tối đa truyền tới tận Trái đất và có khả năng gây ra nhiễu xạ có ảnh hưởng đến vấn đề vô tuyến viễn thông.

 

2- Sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ, vết tích của Big Bang

Hình 1: Kính thiên văn vô tuyến hình kèn mà hai nhà thiên văn Penzias và Wilson dùng và phát hiện bất ngờ bức xạ phông vũ trụ, tàn dư của Big Bang.

Hình 1: Kính thiên văn vô tuyến hình kèn mà hai nhà thiên văn Penzias và Wilson dùng và phát hiện bất ngờ bức xạ phông vũ trụ, tàn dư của Big Bang.

Sự phát hiện bất ngờ bức xạ “phông  vũ trụ”, tàn dư cuả vụ nổ Big Bang, là một sự kiện vô cùng quan trọng trong lịch sử thiên văn. Một lần nữa một thành tựu thiên văn lớn lại được hai nhà vật lý người Mỹ, Penzias và Wilson, của công ty Bell Laboratories thực hiện  và công bố năm 1965. Penzias và Wilson dùng kính thiên văn vô tuyến và máy thu rất nhậy để đo thông lượng cuả các nguồn bức xạ vô tuyến trên bước sóng 7 centimet (Hình 1). Trong quá trình đo đạc họ băn khoăn khi đã tìm thấy một bức xạ dư thừa đến từ tứ phía trên bầu trời mà họ cho là nhiễu xạ. Nhiệt độ của bức xạ dư thừa họ đo được là 3,5 + 1,0 Kelvin. Sau khi lau chùi cẩn thận thiết bị, bức xạ dư thừa vẫn còn đó. Penzias và Wilson đành phải liên hệ với những nhà vật lý lý thuyết Dicke, Gamow và cộng sự để hỏi ý kiến. Những nhà vật lý lý thuyết này trước đây đã tiên đoán rằng Vũ trụ ban đầu phải là Big Bang và nóng ít nhất 10 tỉ Kelvin và đã nguội dần. Phổ của Vũ trụ là phổ nhiệt, loại bức xạ “vật đen” và tồn tại cho tới ngày nay. Tàn dư của Big Bang là một “biển bức xạ vật đen”, nhiệt độ hiện nay được tiên đoán khoảng 10 Kelvin, lan tràn cả bầu trời. Tuy nhiên hồi đó Penzias và Wilson vẫn tin ở một mô hình Vũ trụ “trạng thái ổn định” cuả Fred Hoyle và vẫn còn xa lạ với mô hình Big Bang. Tuy giá trị 10 Kelvin tiên đoán bằng lý thuyết Big Bang lớn hơn giá trị 3 Kelvin đo được bởi Penzias và Wilson, nhưng các nhà khoa học đều chấp nhận sự chênh lệch giữa hai gíá trị và đồng ý là bức xạ mà Penzias và Wilson đã đo được, chính là bức xạ tàn dư cuả Big Bang. Năm 1978, Penzias và Wilson được trao giải Nobel nhờ sự  phát hiện bất ngờ  bức xạ phông vũ trụ 3 Kelvin, một trong những bằng chứng củng cố thuyết Big Bang. Sau này những quan sát mới nhất bằng vệ tinh và khinh khí cầu có độ phân giải cao, xác định nhiệt độ bức xạ phông vũ trụ bằng 2,7251 + 0,0002 Kelvin. Kết quả quan sát và mô hình lý thuyết còn cho biết Vũ trụ chỉ chứa 27 phần trăm vật chất 73 phần trăm còn lại là năng lượng. Đa số vật chất lại là “vật chất tối”  không nhìn thấy mà bản chất vẫn còn chưa được xác định. Chỉ có 4 phần trăm vật chất là những nguyên tử thông thường phát ra ánh sáng và bức xạ mà các nhà thiên văn nhìn thấy và quan sát được.

 

3- Quasar và Pulsar, những thiên thể kỳ lạ

Quasar là loại thiên thể sáng nhất trong Vũ trụ, nhưng vì ở hẳn bên ngoài Ngân Hà và rất xa trong Vũ trụ, nên chỉ hiện ra rất mờ trên bầu trời. Quasar có kích thước biểu kiến rất nhỏ, nên trông gíống hàng tỉ ngôi sao trong Ngân Hà. Do đó phát hiện quasar bằng kính thiên văn quang học rất khó, nên quá trình nhận ra quasar phải dựa trên bức xạ vô tuyến. Quasar phát ra bức xạ vô tuyến mạnh bằng hàng nghìn lần bức xạ cuả những thiên hà. Vào những năm đầu của thập niên 1960, các nhà thiên văn tình cờ phát hiện thấy là loại thiên thể này ở những vị trí tận cùng trong Vũ trụ mà lại có kích thước cực kỳ nhỏ so với kích thước của những thiên hà. Thiên thể được đặt tên là quasar “quasi stellar object” (vật thể gần như là sao). Quasar chứa những hạt vật chất có năng lượng cao và có từ trường tương đối lớn nên phát ra bức xạ synchrotron rất mạnh. (Bức xạ synchrotron giống bức xạ phát hiện bởi các nhà vật lý trong những máy gia tốc synchrotron). Các nhà thiên văn cho rằng chính nhân của quasar là một lỗ đen cung cấp cho quasar năng lượng. Quasar phóng ra những đám khí electron có tốc độ đo được lớn hơn cả tốc độ ánh sáng c ! Nghịch lý chuyển động siêu ánh sáng cuả quasar được giải quyết như là một ảo ảnh quang học. Tốc độ đo được không phải là tốc độ thật sự v cuả những đám khí electron, mà là thành phần của vectơ tốc độ v chiếu xuống mặt phẳng của bầu trời: v = v/[1-(v2/c2)]1/2. Theo công thức này, nếu tốc độ đám khí v bằng 0,995c, tốc độ biểu kiến v  phải lớn bằng 10 lần tốc độ ánh sáng ! Những đám khí electron phun ra bởi quasar chuyển động trong không gian vũ trụ với tốc độ tương đối tính, tuy lớn gần bằng, song vẫn nhỏ hơn tốc độ ánh sáng “c” (Hình 2).

Hình 2:  Bức xạ synchrotron vô tuyến thu được bởi Nguyễn Quang Riệu và Anders Winnberg trên bước sóng 18 centimet phát ra từ thiên hà vô tuyến 3C 111, cách xa Trái đất 6 trăm triệu năm ánh sáng. Thiên hà “bắn” ra, từ trung tâm, những đám khí electron tương đối tính với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng.

Hình 2:  Bức xạ synchrotron vô tuyến thu được bởi Nguyễn Quang Riệu và Anders Winnberg trên bước sóng 18 centimet phát ra từ thiên hà vô tuyến 3C 111, cách xa Trái đất 6 trăm triệu năm ánh sáng. Thiên hà “bắn” ra, từ trung tâm, những đám khí electron tương đối tính với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng.

 

Quasar là những thiên thể ở rất xa trong Vũ trụ và phát ra bức xạ vô tuyến synchrotron rất mạnh, nên được các nhà thiên văn quan sát để nghiên cứu những vùng xa xăm của Vũ trụ, khi Vũ trụ hãy còn non trẻ. 

Mặt trời phun ra một luồng gió gọi là “gió mặt trời”, tạo ra một tầng plasma gồm những hạt electron và ion có năng lượng cao bao quanh Trái đất. Gió mặt trời không đồng đều và chụm lại thành từng cụm hạt. Khi quan sát, từ Trái đất, bức xạ vô tuyến cuả những thiên thể qua màn plasma không đồng đều, bức xạ yếu đi khi bị những cụm plasma che lấp, xong trở lại bình thường khi những cụm plasma đi ra khỏi bề mặt thiên thể. Hiện tượng này tương tự như hiện tượng “sao nhấp nháy” do màn khí quyển không đồng đều cuả Trái đất làm độ sáng cuả những ngôi sao thay đổi hỗn độn với chu kỳ rất ngắn, khoảng 1/10 giây đồng hồ. Trong lĩnh vực vô tuyến, màn gió mặt trời còn làm các nguồn bức xạ hiện ra không sắc nét, nên các nhà thiên văn vô tuyến không đo được chính xác kích thước cuả các thiên thể. Năm 1967, nhóm các nhà thiên văn tại Cambridge (Anh) bắt đầu nghiên cứu tác động cuả gió mặt trời đối với những kết quả quan sát vô tuyến, nhằm  xác định kích thước cuả các nguồn bức xạ trên bước sóng 3,7 met. Kính thiên văn vô tuyến  là một hệ thống giao thoa gồm những angten lưỡng cực do chính các nhà thiên văn và sinh viên tại đại học Cambridge tự làm. Họ bất ngờ thu được những xung vô tuyến với những chu kỳ rất đều trên dưới một giây đồng hồ. Thọat đầu, họ tưởng đó là hiện tượng sao nhấp nháy, hoặc tín hiệu nhiễu radarr và vô tuyến viễn thông, hay là do một nền văn minh nào đó trong Vũ trụ phát ra nhằm liên lạc với con người trên Trái đất. Sau khi quan sát và kiểm tra kỹ lưỡng tính chất và hướng cuả tín hiệu trên bầu trời, họ khẳng định là những bức xạ xung xuất phát từ một loại thiên thể, tàn dư cuả những sao siêu mới. Sau khi tiêu thụ hết nhiên liệu hạt nhân, các sao siêu nặng nổ tan, lõi ngôi sao bị nén đến mức vật chất bị biến dạng trở thành neutron. Ngôi sao neutron vừa quay nhanh vừa phát ra những xung bức xạ vô tuyến, nên các nhà thiên văn gọi là “pulsar”  (pulsating star). Một loại pulsar có chu kỳ rất ngắn, vài mili giây ( 1/1000 giây), tuy tự quay với tốc độ lớn khủng khiếp (khoảng 650 vòng mỗi giây), nhưng có chu kỳ quay chính xác hơn cả những đồng hồ nguyên tử.    

 

4- Vạch phổ cuả nguyên tử trung hòa hydrogen trên bước sóng 21 centimet

Do sự dãn nở liên tục cuả Vũ trụ, các thiên hà ngày càng lùi xa nhau, thiên hà càng ở xa càng có tốc độ lùi lớn và bức xạ cuả chúng dịch chuyển về phía đỏ (∆λ là độ gia tăng cuả bước sóng λ). Áp dụng định luật Doppler (∆λ /λ = v/c) và định luật Hubble (v = H x d ; H là hằng số Hubble), các nhà thiên văn đo được tốc độ lùi “v” và ước lượng được khoảng cách “d” cuả các thiên thể. Bởi vì tín hiệu vô tuyến truyền được rất xa mà ít bị hấp thụ bởi bụi trong Ngân Hà, nên sự đo đạc khoảng cách trên những bước sóng vô tuyến rất được phổ biến. Quang phổ học đã giúp các nhà thiên văn đo được tốc độ và phân tích được thành phần hóa học trong khí quyển cuả các thiên thể. Trong Vũ trụ hydrogen là nguyên tố có số lượng cao nhất. Từ năm 1944, nhà thiên văn Hà Lan, Van de Hulst, đã tiên đoán bằng lý thuyết là nguyên tử hydrogen trung hoà phát ra một vạch phổ vô tuyến trên bước sóng 21 centimet. Phải đợi đến năm 1952, các nhà thiên văn vô tuyến Mỹ, Hà Lan và Úc sử dụng những kính thiên văn vô tuyến đáp ứng với yêu cầu, mới quan sát thấy vạch hydrogen 21 centimet.

Vạch phổ vô tuyến 21 centimet cuả nguyên tử trung hoà hydrogen được tạo ra từ sự chuyển giữa hai mức năng lượng ở sát cạnh nhau nằm trong trạng thái năng lượng cơ bản. Mức năng lượng cao  tương ứng với trạng thái “spin” cuả electron và proton song song với nhau, mức năng lượng thấp tương ứng với trạng thái “spin” đối song. Khi spin chuyển từ trạng thái “song song” xuống trạng thái “đối song” thì nguyên tử hydrogen phát ra photon. Vì sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức rất nhỏ nên photon có năng lượng thấp và phát trên lĩnh vực vô tuyến (λ = 21 centimet, tần số ν = 1420,4 megahertz). Sự chuyển dịch tự nhiên cuả mỗi nguyên tử hydrogen từ trạng thái spin song song sang trạng thái đối song rất hiếm, vì chỉ xẩy ra một lần trong 11 triệu năm ! Nhưng vì hydrogen là nguyên tố có số lượng rất lớn, nên hydrogen hay va chạm với nhau và với electron, làm tăng cường sự chuyển dịch từ trạng thái spin nọ sang trạng thái spin kia, để  phát ra vạch phổ 21 centimet mạnh nhất và phổ biến nhất so với các vạch phổ của các nguyên tố khác. Hệ mặt trời nằm trong một thiên hà  (Ngân Hà) nên ánh sáng khó truyền tới vì bị hấp thụ bởi bụi và khí trong Ngân Hà. Các nhà thiên văn trên Trái đất dường như bị chìm đắm trong đám sương mù dày đặc. Nhờ sự quan sát vạch hydrogen 21 centimet trên bước sóng vô tuyến, ít bị hấp thụ bởi bụi và khí, mà các nhà thiên văn đã phát hiện được cấu trúc xoắn ốc cuả Ngân Hà và xác định được là Ngân Hà cũng giống hàng tỉ thiên hà xoắn ốc khác trong Vũ trụ ( Hình 3 ).

 

Hình 3: Những cánh tay xoắn ốc của thiên hà NGC 6946 hiện ra rất rõ trong hình

Hình 3: Những cánh tay xoắn ốc của thiên hà NGC 6946 hiện ra rất rõ trong hình (Quan sát bởi François Viallefond)

5- Những bức xạ phân tử

 

Những  nguyên tử nhẹ như hydrogen và hêli được tạo ra từ khi Vũ trụ mới được vài chục giây tuổi, trong một môi trường nóng ít nhất vài tỉ độ Kelvin. Những nguyên tử nặng hơn và những phân tử được chế biến sau này trong tâm những ngôi sao rồi được phun ra môi trường xung quanh, khi ngôi sao bùng nổ. Quá trình sao nổ (sao siêu mới) làm môi trường giữa các ngôi sao trong Ngân Hà và trong các thiên hà luôn phong phú về mặt hóa học. Vật chất trong môi trường này lại được dùng để tạo ra những ngôi sao thế hệ sau. Nghiên cứu môi trường giữa các ngôi sao là vấn đề thiết yếu để tìm hiểu sự hình thành cuả sao. Môi trường giữa các ngôi sao tương đối lạnh (~100 Kelvin) và loãng (10 hạt hydrogen/centimet khối). Thành phần khí trong môi trường giữa các ngôi sao chủ yếu là nguyên tử trung hoà hydrogen, nên sự nghiên cứu môi trường này thường được dựa trên sự quan sát vạch hydrogen 21 centimet. Tuy nhiên trong Ngân Hà và các thiên hà có những đám khí rất lạnh  (~ 5-10 Kelvin)  và đặc (≥ 106 hạt hydrogen/centimet khối), nên hydrogen không tồn tại trong trạng thái nguyên tử mà lại biến thành phân tử. Do đó, các nhà thiên văn không dùng được vạch vô tuyến 21 centimet để phát hiện các đám khí phân tử. Những đám khí này có mật độ khí và bụi cao, nên là môi trường thuận lợi cho sự hình thành những ngôi sao trẻ. Các nhà thiên văn cho rằng trong đám khí không những có phân tử hydrogen mà còn có những phân tử khác. Tuy nhiên, sơ đồ mức năng lượng cuả các phân tử phức tạp hơn sơ đồ mức năng lượng cuả các nguyên tử. Bởi vì không những phân tử có thể thay đổi năng lượng do các electron thay đổi quỹ đạo như trong nguyên tử, mà phân tử còn quay và dao động. Bức xạ phổ vô tuyến cuả phân tử thường xuất phát từ những mức năng lượng quay tương đối thấp, nên dễ được “kích thích” bởi bức xạ hồng ngoại phát ra bởi những ngôi sao và bụi trong môi trường giữa các sao. Đa số phân tử trong môi trường giữa các sao phát ra những vạch phổ trên những bước sóng milimet.

Vào những năm đầu cuả thập niên 1960, bằng những phương pháp tính toán cơ học lượng tử, các nhà khoa học tiên đoán được tần số cuả những vạch phổ phân tử và dùng máy quang phổ trong phòng thí nghiệm để xác định chính xác thêm tần số. Phân tử đầu tiên được phát hiện trên bước sóng 18 centimet (tần số 1665 megahertz) bởi các nhà thiên văn của viện kỹ thuật MIT ( Mỹ ) là phân tử OH (hydroxyl), một loại “gốc” hóa học. (Gốc là phân tử trong đó có một electron tự do không được ghép thành cặp nên là một thể hóa học không bền vững). Cho tới nay các nhà thiên văn đã tìm thấy trong dải Ngân Hà  hơn một trăm phân tử, chưa kể những chất đồng vị. Những phân tử này thường tồn tại dưới dạng khí trong tâm cuả Ngân Hà và trong môi trường xung quanh những ngôi sao trẻ đang hình thành và những ngôi sao già đang hấp hối. Tâm cuả Ngân Hà chứa nhiều sao và bụi. Sao trẻ và sao già không có đủ năng lượng để phát ra ánh sáng mà chỉ phát được bức xạ hồng ngoại. Những môi trường này rất phong phú về mặt hóa học và có nhiều bức xạ hồng ngoại, hai thành tố thuận lợi cho sự kích thích những phân tử để phát ra những vạch phổ vô tuyến. Trong số những phân tử đã phát hiện được từ trước tới nay trong Ngân Hà, có nhiều phân tử thông thường như oxit cacbon, aldehit, amin, acid, cồn, rượu, muối, đường, v.v... ( xem Bảng 1).

 

 

6- Săn tìm acid amin

Sự phát hiện ra chất amin và acid trong Ngân Hà khiến các nhà thiên văn nghĩ rằng có khả năng tìm thấy acid amin, thành phần cuả chất đạm (protein). Tìm kiếm được acid amin trong Vũ trụ là một sự kiện vô cùng quan trọng, không những về mặt khoa học mà cả về mặt triết học, vì acid amin đóng vai trò trung tâm trong những vấn đề liên quan đến nguồn gốc của sự sống.  Đây là bước đầu thiết yếu trong công việc phát hiện ra sinh vật trên những hành tinh ở bên ngoài Trái đất. Ý nghĩ này cũng nảy ra trong trí óc chúng tôi.

Cùng hai đồng nghiệp tại đài Thiên văn Paris, chúng tôi dùng kính thiên văn lớn 30 met đường kính cuả Viện Thiên văn Vô tuyến Milimet cuả Cộng đồng Pháp-Đức, đặt tại một đỉnh cuả rặng núi Sierra Nevada ở miền nam Tây Ban Nha, để tìm dấu vết bức xạ phổ cuả “glycin”. Phân tử glycin có công thức hoá học NH2CH2COOH là loại acid amin đơn giản nhất trong số 20 acid amin quen biết và tồn tại dưới hai loại cấu hình không gian khác nhau, tùy theo vị trí cuả những nguyên tử hydrogen trong phân tử. Mục tiêu quan sát là tinh vân Lạp Hộ (Orion) và vùng trung tâm Ngân Hà,  hai nơi có tiếng là nôi cuả những ngôi sao trẻ và chứa nhiều phân tử. Thiết bị gồm có kính vô tuyến 30 met được trang bị máy thu đặt trong máy điều lạnh, nhằm giảm tiếng ồn và những phổ kế hoạt động trên những dải tần số trài dài từ 101 000 đến 223 000 megahertz (bước sóng  từ 3 đến 1,4 milimet). Chúng tôi phát hiện tổng cộng 334 vạch phổ trong đó có 157 vạch không nhận biết được là cuả chất hóa học nào. Về nguyên tắc chúng tôi ước tính, nếu những vạch phổ glycin đủ mạnh phải xuất hiện trong những dải tần số mà chúng tôi quan sát. Nhưng trên thực tế, các vạch phổ glycin quá yếu nên bị che bởi những vạch phổ cuả những phân tử khác (Hình 4). Chúng tôi có thể đưa ra kết luận là trong Ngân Hà, mật độ cuả phân tử glycin phải thấp hơn  ít nhất 10 tỉ lần mật độ cuả hydrogen.

Hình

Hình 4: Một miền phổ quan sát trong tinh vân Lạp Hộ bởi Françoise Combes, Nguyễn Quang Riệu và Georges Wlodarczak, sử dụng kính vô tuyến 30 met đường kính của Viện Thiên văn Vô tuyến IRAM. Nhiều vạch cuả những phân tử hữu cơ xuất hiện trong phổ, nhưng không thấy dấu vết của những vạch glycin.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7- Bức xạ Maser kỳ diệu trong Vũ trụ

Vào những năm đầu cuả thập niên 1960, một phát hiện bất ngờ đã xẩy ra khi các nhà thiên văn vô tuyến tại Đại học Berkeley quan sát thấy một vạch phổ có độ sáng cực kỳ lớn trên tần số 1665 megahertz (bước sóng λ = 18 centimet) phát từ hướng tinh vân Lạp Hộ. Họ ngạc nhiên đến nỗi phải đặt biệt danh cho vạch là vạch “Huyền bí” (Mysterium). kỳ thực, họ đã phát hiện bất ngờ được bức xạ “Maser” cuả phân tử hydroxyl OH trong Vũ trụ. Maser là chữ tắt cuả “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (Sự khuếch đại sóng vi ba do bức xạ cảm ứng). Ngoài maser OH còn có maser H2O (hơi nước) và SiO (oxit silic). Tín hiệu maser vũ trụ có thể mạnh gấp hàng tỉ lần tín hiệu cuả các phân tử khác trong dải Ngân Hà (Hình 5). Tín hiệu maser thường bị phân cực và biến đổi theo thời gian. Nôi cuả những ngôi sao đang hình thành hay vỏ những ngôi sao đang hấp hối là những môi trường chứa nhiều khí và bụi, nguồn những tia hồng ngoại dùng để “bơm” maser. Kích thước cuả maser vũ trụ là vài đơn vị thiên văn (một đơn vị thiên văn là 150 triệu kilomet), rất lớn so với kích thước cuả những maser trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu bức xạ maser cần phải làm những mô hình phức tạp để giải  phương trình truyền bức xạ trong đám khí phân tử, kết hợp với phương trình cân bằng thống kê tính sự phân phối phân tử trên những mức năng lượng. Kết quả quan sát bức xạ maser cùng mô hình lý thuyết giúp các nhà thiên văn hiểu biết điều kiện lý-hoá cuả môi trường giữa các sao trong các thiên hà.

Hình 5 : Những vạch maser trong tinh vân Lạp Hộ phát hiện bởi Alan Barrett (MIT) và cộng sự, trên bước sóng 18 centimet. Hai đường cong tương ứng với hai phân cực thẳng.

Hình 5 : Những vạch maser trong tinh vân Lạp Hộ phát hiện bởi Alan Barrett (MIT) và cộng sự, trên bước sóng 18 centimet. Hai đường cong tương ứng với hai phân cực thẳng.

Lời kết

Thiên văn vô tuyến, tuy là một ngành khoa học mới được phát triển từ nửa thế kỳ nay, nhưng đã lượm được nhiều kết quả trong lĩnh vực nghiên cứu Vũ trụ. Nghiên cứu khoa học không có nghĩa là luôn tìm thấy những kết quả mong đợi, những phát hiện bất ngờ đôi khi tỏ ra cơ bản. Trong ngành thiên văn vô tuyến, sự phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ là một bằng chứng củng cố thuyết Big Bang và đã khởi động một loạt quan sát và nghiên cứu lý thuyết làm cho công việc tìm hiểu nguồn gốc và sự tiến hoá cuả Vũ trụ tiến triển rất nhiều. Pulsar là những thiên thể có trường hấp dẫn lớn, nên đã được dùng để phát hiện sóng hấp dẫn tiên đoán bởi lý thuyết tương đối cuả Einstein. Nhờ sự phát hiện những phân tử trong môi trường giữa các ngôi sao trên những bước sóng vô tuyến mà các nhà thiên văn đã quan sát được những đám mây tối trong các thiên hà. Những đám mây này là nôi cuả những ngôi sao đang hình thành và có mật độ khí và bụi rất cao, nên hầu như tất cả các nguyên tố chỉ tồn tại dưới dạng phân tử không phát ra ánh sáng.

Phân tử còn là nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ cuả không gian vũ trụ, đặc biệt là cuả bức xạ phông vũ trụ. Hai vạch phổ của phân tử CN (cyano) trên bước sóng 2,64 và 1,32 milimet được coi là bị kích thích bởi những photon cuả phông vũ trụ và ở trạng thái “cân bằng nhiệt động” với bức xạ phông vũ trụ. Do đó, quan sát những vạch phổ CN, các nhà thiên văn đo được nhiệt độ của phông vũ trụ, khoảng trên dưới 2,7 Kelvin. Giá trị này hoàn toàn phù hợp với kết quả tìm thấy bằng phương pháp đo trực tiếp cường độ cuả phổ bức xạ phông vũ trụ, được xác định là một bức xạ vật đen ở nhiệt độ 2,7 Kelvin.

Hiện tượng độc đáo khuếch đại bằng hiệu ứng maser đã được phát hiện bất ngờ trong Vũ trụ bằng phương tiện vô tuyến. Sự phát hiện những phân tử hữu cơ trong dải Ngân Hà cũng đã thúc dục các nhà thiên văn tìm kiếm những tín hiệu vô tuyến mà các nền văn minh khác trong Vũ trụ có khả năng phát ra.

Ngoài những đề tài của Vũ trụ xa xôi, thiên văn vô tuyến còn đề cập đến những vấn đề liên quan đến môi trường của Trái Đất. Dùng kỹ thuật vô tuyến, các nhà khoa học đo được mật độ của lớp ozon, nhằm bảo tồn  tầng khí quyển cần thiết để ngăn chặn những tia tử ngoại độc hại của Mặt trời.

Và cuối cùng nhưng không kém quan trọng, cũng nhờ sự phát triển kỹ thuật trong lĩnh vực chế tạo angten, máy thu tín hiệu, máy tính và trong ngành điện tử mũi nhọn mà  ngành thiên văn vô tuyến mới giành được những thành tựu to lớn trong công cuộc chinh phục Vũ trụ.  

 

Muốn tìm hiểu thêm

Nguyen Quang Rieu : Radioastronomy (The Microwave Engineering Handbook, Vol. 3, Microwave Systems and Applications, Chapter 8, Editors Smith B-L and Carpentier M.H.;  Chapman and Hall, 1993)

François Biraud et Nguyen Quang Rieu: Radioastronomie (Les Techniques de l’Ingénieur, E 6850, 1994)

Donat G. Wentzel, Nguyễn Quang Riệu, Phạm Viết Trinh, Nguyễn Đình Noãn, Nguyễn Đình Huân: Thiên văn Vật lý – Astrophysics (Sách giáo khoa song ngữ Việt-Anh, Nhà Xuất bản Giáo dục, 2000)

Nhiều tác giả: Những con đường đến với các vì sao (Nhà Xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2003)

 

Bài của nhà thiên văn Nguyễn Quang Riệu đăng trong tạp chí Vật Lý Ngày Nay Số 1 (66) - Tháng 2/2005

 

© http://vietsciences.free.fr Nguyễn Quang Riệu