Những khám phá bất ngờ và thú vị trong ngành Thiên văn Vô tuyến
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 mắtthường 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 -6m). Phổ điện từ trải dài từ những bước sóng cực ngắn, femtomet (10 -15m) cuả tia gamma, picomet ( 10 -12m ) cuả tia X, qua bức xạ hồng ngoại và khả kiến micromet, rồi đến bức xạ vô tuyến trên những bước sóng dài (10 -3m – 10 3m ). 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 -26watt/met 2/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. |
3-Quasar và Pulsar, những thiên thể kỳ lạ
 |
| Hình 2: Bức xạ synchrotron vô tuyến thu được bởi Nguyễn Quang Riệu và Anders Winnberg trên bước sóng 18 cm phát ra từ thiên hà vô tuyến 3C 111, cách xa Trái đất 6 trăm triệu năm 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 plasmagồm 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 pháttừ mộtloại 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.
 |
| 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/cm 3). 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 (≥ 10 6hạt hydrogen/cm 3), 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.
 |
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.
 |
| 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. |
7-Bức xạ Maser kỳ diệu trong Vũ trụ
 |
| 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 đãđược 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 thúcgi ục 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)
