Dấu ấn của thuyết lượng tử trong nghiên cứu vũ trụ
 

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 Bn cũng tăng rất nhanh với tần số n theo luật bình phương (Bn = 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 Bn 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: Bn = (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 Bn phải 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 nmax ~ 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.

Vietsciences-Nguyễn Quang Riệu 06/02/2009
(Còn nữa...)