"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".
Bài viết Những khám phá bất ngờ và thú vị trong ngành Thiên văn Vô tuyến mà tôi muốn giới thiệu ở đây sẽ phần nào giúp các bạn hình dung về ngành khoa học mới mẻ này.
Bài viết dẫn nguồn từ trang web http://vietsciences.free.fr do Nhà Thiên văn học Nguyễn Quang Riệu đăng trong tạp chí Vật Lý Ngày Nay Số 1 (66) - Tháng 2/2005.
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.
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).
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.
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)