[hoangphuc174]

Hệ thống quảng cáo SangNhuong.com

5- Nghiên cứu những bức xạ Maser trong Vũ trụ

Đầu năm 1970 , nước Pháp có một chương trình cộng tác với Liên Xô trong lĩnh vực thiên văn vô tuyến. Tại Đài Thiên văn Paris-Meudon, tôi được cử là người trách nhiệm cho chương trình khoa học, sử dụng kính thiên văn Nançay để nghiên cứu bức xạ maser phát trên bước sóng 18 cm bởi những phân tử OH (hydroxyle) trong vỏ những ngôi sao. Phía Liên Xô là những nhà khoa học của viện Sternberg ở Moscow.

Hồi đó, Liên Xô phóng được những vệ tinh và tàu vũ trụ có trọng tải lớn. Chúng tôi có dự án dùng tên lửa của Liên Xô phóng lên Mặt trăng một kính thiên văn vô tuyến, hoạt động cùng với kính vô tuyến Nançay thành một hệ kính giao thoa. Nếu thực hiện được mục tiêu, độ phân giải của hệ giao thoa l/D (l là bước sóng = 18 cm, D là khoảng cách của Mặt trăng=384000 km) sẽ cao hơn ít nhất 30 lần độ phân giải thực hiện được bằng những hệ kính vô tuyến giao thoa lớn nhất đặt trên Mặt đất.

Độ phân giải của kính thiên văn là khoảng cách biểu kiến (khoảng cách góc) giữa hai điểm trên bầu trời mà kính có thể phân biệt được. Độ phân giải càng cao (tức là có giá trị càng nhỏ) thì kính càng có hiệu năng tốt và thích hợp cho sự quan sát những ngôi sao xa xôi phát ra tia maser. Vì lý do kỹ thuật, cuộc thí nghiệm có tính tiên phong này không được thực hiện. Tuy nhiên, dùng những kết quả quan sát bằng kính Nançay cùng những mô hình lý thuyết, chúng tôi đã phát hiện được một số nguồn bức xạ maser trong Ngân Hà [4], [5] và nghiên cứu được những điều kiện lý hóa của môi trường xung quanh những ngôi sao [6]

Kính thiên văn vô tuyến 100 met đường kính của Viện Max-Planck (Đức) đặt tại Effelsberg gần thành phố Bonn

Năm 1973, tôi sang nghiên cứu tại viện Max-Planck (ở thành phố Bonn, hồi đó còn là thủ đô của Cộng Hòa Liên Bang Đức). Trong hai năm cộng tác với những nhà khoa học từ các nước khác tới, tôi sử dụng kính thiên văn vô tuyến của viện Max-Planck, đặt tại Effelsberg ở một vùng đồi núi, cách Bonn 40 km. Kính Effelsberg là loại kính vô tuyến cỡ lớn, 100 m đường kính, hoạt động trên những bước sóng centimet, có khả năng quay như một radar khổng lồ để theo dõi trong hàng giờ, những thiên thể chuyển động trên bầu trời. Do đó, kính Effelsberg thu được nhiều photon vô tuyến phát ra từ các thiên hà xa xôi. Chúng tôi dùng kính Effelsberg và phát hiện được một nguồn bức xạ maser của phân tử hydroxyle (OH), phát ra từ trung tâm thiên hà Messier 82, cách Trái đất 10 triệu năm ánh sáng (Hình 1). Đây là lần đầu tiên một bức xạ maser rất mạnh được phát hiện trên bầu trời Bắc Bán cầu, trong một thiên hà khác, ở hẳn bên ngoài Thiên Hà của chúng ta [7]

Hình 1: Phổ của phân tử OH phát ra bởi thiên hà Messier 82 trên tần số 1667 MHz (bước sóng 18 centimet). Bức xạ maser xuất hiện dưới dạng một đỉnh rất hẹp (phía bên trái) trong phổ. Trục tung là cường độ của bức xạ. Trục hoành là tần số, thường được quy ra thành tốc độ xuyên tâm theo công thức Doppler

v = c.Dn/n

(V là tốc độ xuyên tâm, c là tốc độ ánh sáng, n là tần số, Dn/n là độ dịch chuyển của vạch phổ so với tần số nghỉ). Các nhà thiên văn dùng kính vô tuyến thiên văn Effelsberg có đường kính 100m của viện Max-Planck (Đức) để phát hiện ra bức xạ maser này) (Nguyễn Quang Riệu và cộng sự, 1976)

Hình 2:

Hình bên trái (a): Thông thuờng thì phân tử (biểu thị bằng những vòng tròn) nằm ở những mức năng lượng thấp. Số phân tử càng thưa thớt khi càng lên những mức năng lượng cao.

Hình bên phải (b): Nguyên tắc của hiệu ứng khuếch đại maser trong một đám khí phân tử là bơm những phân tử từ những mức năng luợng thấp (những vòng tròn màu xám) lên những mưc năng lượng cao (mũi tên lên) Khi đó nếu có một bức xạ (mũi tên quăn) rọi vào đám khí thì những phân tử vừa được bơm lên đều đổ xô xuống những mức năng lượng dưới và đồng thời phát ra một vạch bức xạ maser rất mạnh (mũi tên xuống) đặc trưng của đám khí phân tử. Bức xạ maser có thể mạnh bằng hàng tỉ lần bức xạ bức xạ rọi vào đám mây

Những bức xạ maser xuất phát từ môi trường xung quanh những ngôi sao còn non, đang được hình thành và những ngôi sao đang hấp hối, hoặc đã nổ tung.

Môi trường này là nơi tập trung của khí và bụi. Bức xạ hồng ngoại của sao và bụi kích thích các phân tử trong vỏ sao lên những mức năng lượng cao. Sau đó, các phân tử lại rơi xuống mức năng lượng cơ bản (thấp nhất). Một số phân tử đọng trên những mức năng lượng trung gian, theo quy tắc chọn lọc của cơ học lượng tử (Hình 2). Đây là quá trình "đảo ngược mật độ phân tử," những phân tử ở các năng lượng thấp được "bơm" lên những mức năng lượng cao. Sự phân bố phân tử trên các mức năng lượng không còn tuân theo định luật Boltzmann (theo định luật này thì số phân tử ở những mức năng lượng cao ít hơn số phân tử ở những mức năng lượng thấp) nên đám khí phân tử không ở trạng thái "cân bằng nhiệt động" (thermodynamic equilibrium).

Sau khi các phân tử tập trung ở những mức trung gian rơi xuống những mức năng lượng thấp hơn thì phát ra một bức xạ rất mạnh, bức xạ maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Cơ chế "bơm" phân tử lên những mức năng lượng cao cũng tương tự như cơ chế bơm laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) trong phòng thí nghiệm. Những photon, chủ yếu là photon hồng ngoại phát ra bởi những ngôi sao và những hạt bụi, hay sự va chạm giữa những phân tử và hydrogen đều tham gia vào cơ chế bơm các phân tử. Những vạch maser mạnh nhất phát ra từ những thiên thể là những vạch maser oxyd silic (SiO), hơi nước (H2O), hydroxyle (OH) : (Bảng 1)

Bảng 1 Một số phân tử phát hiện được trong dải Ngân Hà

Những đám khí chứa những chất hóa học này có khả năng khuếch đại tới 10^14 lần tín hiệu vô tuyến sau khi truyền qua đám khí. Lý do là vì cường độ của tín hiệu ra (output signal), I, tăng theo hàm mũ với hệ số khuếch đại G:




I0 là cường độ của tín hiệu vào (input signal). Hệ số G phụ thuộc vào điều kiện lý hóa và đồng thời tỷ lệ với kích thước của đám khí phân tử. Đám khí maser rộng hàng trăm triệu km nên tỉ số I/Io rất lớn, trong khi laser trong phòng thí nghiệm có kích thước rất hạn chế. Điều kiện lý hóa trong môi trường gần những ngôi sao cũng rất thích hợp để bơm phân tử. Tuy nhiên, những phân tử này chỉ được bơm lên những mức năng lượng quay (rotational excited state) nằm trong mức năng lượng dao động cơ bản (vibrational ground state). Những mức năng lượng này tương đối thấp nên những vạch maser chỉ phát ra trên bước sóng vô tuyến centimet và milimet. Quan sát bức xạ maser là một phương tiện để "chẩn đoán" những điều kiện lý hóa như nhiệt độ, mật độ và thành phần vật liệu trong ngôi sao và môi trường xung quanh [8].

[2] R. Lauqué, J. Lequeux, Nguyen Quang Rieu, Nature Phys. Sc. 239, 119 (1972)
[3] R. Lauqué, J. Lequeux, Nguyen Quang Rieu, Nature Phys. Sc. 241, 94 (1973)
[4] Nguyen Quang Rieu, R. Fillit, M. Gheudin, A.&A. 14, 154 (1971)
[5] R. Fillit, M. Gheudm, Nguyen Quang Rieu, M. Paschenko, V, Slysh, A.&A. 21, 317 (1972)
[6] Nguyen Quang Rieu, A. Winnberg, J. Guibert, J.R.D. Lépine, L. E.. B.. Johansson, W.M. Goss, A.&A. 46, 413 (1976)
(7] Nguyen Quang Rieu, U. Mebold, A. Winnberg, J. Guibert, R. Booth, A.&A. 52, 467 (1976)
[8] Nguyen Quang Rieu, V. Bujarrebal, H. Olofsson, L. E. B. Johansson, B.E. Turner, Ap.J. 286, 276 (1984)