9- Quan sát bằng vệ tinh ISO
Từ năm 1985, tôi được mời tham gia vào đề án của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (European Space Agency, viết tắt là ESA) để phóng một vệ tinh chuyên quan sát trong vùng bước sóng hồng ngoại. Vệ tinh được đặt tên là ISO (Infrared Space Observatory, Đài Thiên văn Vũ trụ Hồng ngoại)
Hình 6: Vệ tinh ISO quan sát trong vùng sóng hồng ngoại
Những ngôi sao loại Mặt trời đang ở tuổi trung niên và những thiên hà lấp lánh đầy sao, đều phát ra ánh sáng. Còn những ngôi sao già đã hao mòn vật chất, cùng những sao sơ sinh và những thiên hà đang được hình thành chủ yếu chỉ phát bức xạ hồng ngoại. Vì khí quyển Trái đất hấp thụ bức xạ hồng ngoại, nên các nhà thiên văn phải đặt những kính thiên văn trên vệ tinh, phóng ra hẳn ngoài khí quyển để quan sát. Chúng tôi làm những mô hình lý thuyết để tiên đoán cường độ của các vạch phổ, nhằm đưa vào chương trình quan sát của vệ tinh ISO, những vạch đủ mạnh để có thể phát hiện được và có lợi ích cho các mục tiêu nghiên cứu [17]. Chúng tôi có những buổi họp thường xuyên cùng những nhà thiên văn nước ngoài để trao đổi kết quả.
Sau 10 năm chuẩn bị, vệ tinh ISO được phóng bằng một tên lửa Ariane của ESA, ngày 17 tháng 11 năm 1995. Các máy điện tử thu tín hiệu của các thiên thể phải được ướp lạnh trong một bình chứa helium lỏng để giữ thiết bị ở nhiệt độ 4K, nhằm giảm đến mức tối thiểu tiếng ồn của máy thu và tăng độ nhạy của kính. Vệ tinh ISO chứa đủ helium để hoạt động tới ngày 8 tháng 4, năm 1998. Trong số những kết quả chúng tôi thu được, đáng chú ý là trong vỏ một ngôi sao, W Hydra, có một "rừng" hàng trăm vạch phổ của phân tử H2O mà các nhà thiên văn chưa phát hiện được từ trước tới nay, vì chúng bị hấp thụ bởi khí quyển Trái đất (Hình 7).
Hình 7: Một "rừng" phổ hồng ngoại của phân tử H2O phát hiện được trong vỏ ngôi sao W Hydra. Những vạch phổ H2O được xác định bằng những mũi tên và những con số tương ứng với những mức năng lượng quay của phân tử. Đây là một trong những kết quả đầu tiên thu được bởi các nhà thiên văn, sử dụng các thiết bị đặt trên vệ tinh hồng ngoại ISO (Infrared Space Observatory) [Barlow, Nguyễn Quang Riệu và 41 cộng sự, 1996)
Bài báo công bố kết quả đầu tiên mang tên 43 tác giả, những nhà khoa học đã tham gia vào công trình nghiên cứu này [18]. Những phân tử H
2O tồn tại trong vỏ những ngôi sao đang hấp hối và đang thổi ra những luồng gió gọi là gió sao. Tốc độ gió sao lên tới hàng vạn kilomet/giờ. Nhiệt độ trong vỏ sao phụ thuộc vào hai yếu tố, cơ chế hun nóng và cơ chế làm nguội khí. Những photon tử ngoại và sự va chạm giữa những hạt bụi và khí hun nóng khí.
Những phân tử H2O phát ra nhiều vạch phổ nên là một thành phần làm nguội khí. Sự phát hiện những vạch phổ hồng ngoại H2O đã giúp các nhà thiên văn nghiên cứu được hiện tượng gió sao và quá trình cân bằng nhiệt trong môi trường xung quanh những ngôi sao.
Dùng phổ kế của vệ tinh ISO, chúng tôi cũng phát hiện được bức xạ hồng ngoại trên bước sóng 34,6 µm. Những photon 34,6 µm bơm bức xạ vô tuyến maser 1612 MHz của phân tử hydroxyle (OH). Hiện tượng maser được giải thích bằng một mô hình lý thuyết [19], [20] (Hình 8). Đây là lần đầu tiên, cơ chế bơm bức xạ maser OH được phát hiện bằng một cuộc thí nghiệm thiên văn.
Hình 8: Chu trình "bơm" bức xạ maser của phân tử OH trên tần số 1612 MHz. Các nhà thiên văn dùng phổ kế đặt trên vệ tinh ISO quan sát được trong vỏ của ngôi sao IRC 10420, một số vạch phổ hồng ngoại của phân tử OH. Những mũi tên chỉ những dịch chuyển của phân tử từ mức năng lượng này đến mức năng lượng kia, tương ứng với những vạch phổ. Những con số chỉ bước sóng của những vạch bằng đơn vị micromet. Đáng chú ý là vạch 34,63 µm (đường không liên tục thẫm nhất trong hình. Kết quả quan sát ISO xác định là photon của vạch hồng ngoại 34,63 µm bị hấp thụ bởi vỏ ngôi sao và bơm những phân tử OH lên những mức năng lượng cao. Khi rơi xuống những mức năng lượng thấp, những phân tử phát ra bức xạ maser trên tần số 1612 MHz, ở mức năng lượng quay cơ bản 2p3/2 (Sylvester, Barlow, Nguyễn Quang Riệu và cộng sự, 1997)
Phổ kế đặt trên vệ tinh ISO còn được dùng để quan sát những vạch phổ nguyên tử và phân tử phát ra bởi những thiên hà xa xôi. Ngoài thành phần khí, các nhà thiên văn còn tìm thấy những vụn đá quý như hồng ngọc, bám vào những hạt bụi.
(17] Shuji Deguchi, Nguyen Quang Rieu, Ap.J. 360, L27 (1990)
[18] M. J. Barlow, Nguyen Quang Rieu, Truong Bach, J. Cernicharo, E. Gonzalez-Alfonso, X.-W. Liu, P. Cox, R. J. Sylvester, P.E. Clegg, M. J. Griffin, B. M. Swinyard, S. J. Unger, J. P. Baluleau, E. Caux, M. Cohen, R. J. Cohen, R. J. Emery, J. Fischer, I. Furniss, W. M. Glencross, M. A. Greenhouse, C. Gry, M. Joubert, T. Lim, D. Lorenzetti, B. Nisini, A. Omont, R. Orfei, D. Péquignot, P. Saraceno, G. Serra, C.J. Skinner, H. A. Smith, H. J.. Walker, C.. Armand, M. Burgdorf, D. Ewart, A. Di Glorgio, S. Molinari, M. Price, S. Sidher, D. Texier, N. Trams, A.&A. 315, L241 (!996)
[19] R. J. Sylvester, M. J. Barlow, Nguyen Quang Rieu, X. W. Lin, C. J. Skinner, R. J. Cohen, T. Lim, P. Cox, Truong Bach, H. A. Smith, H. J. Habing, M. N. R. A. S. 291, L42 (1997)
[20] Thai Quang Tung, Dinh van Trung, Nguyen Quang Rieu, V. Bujarrabal, T. Le Bertre, E. Gérard, ÁA., 331, 317 (1998)