Thiên văn không quang học với khám phá bí mật vũ trụ

Kể từ nửa sau thế kỷ XX thiên văn không quang học được tạo ra, phát triển mở rộng khả năng nhận thức những quá trình nguyên tử và hạt nhân xảy ra trong lòng sao, khả năng khám phá những bí mật sâu trong vũ trụ tới tận biên giới vũ trụ. Thiên văn không quang học dựa trên những phương tiện hiện đại đặt trên mặt đất, trên vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ để phát hiện ghi các bức xạ điện từ trên dải sóng vô tuyến, hồng ngoại, tử ngoại, rơnghen và bức xạ gamma phóng ra từ các đối tượng vũ trụ.

Thiên văn không quang học có xuất xứ lịch sử xa xăm hào hùng khi James Clerk Maxwell(1831 - 1879) ở Cambridge (Anh) đột phá đặt một dấu mốc phát minh ra lý thuyết trường điện từ bằng toán học trừu tượng, khởi đầu bằng công trình “ Về các đường sức Faraday” (1857) với 56 trang thuần tuý toán học rất khó hiểu. Phát minh ra cái gọi là dòng điện dịch (Displacement Current)tồn tại trong không gian, nơi không có hạt điện tích nào chuyển động, đo được bằng đạo hàm theo thời gian của vectơ cảm ứng điện từ. Cuối cùng hoàn thành “ Luận văn về điện và từ” - Học thuyết mới về điện từ và ánh sáng. Điều muốn nói, Maxwell trở thành nhà tiên tri ở tuổi 33 tiên toán sự tồn tại sóng điện từ (bức xạ điện từ) lan truyền trong không gian tự do với vận tốc ánh sáng. Ông chỉ rõ bản chất điện từ của ánh sáng (1865) và tính được áp suất của ánh sáng.

Không một nhà học thuyết khoa học mới nào lại cuốn hút thế giới bác học đương thời như học thuyết điện từ và ánh sáng Maxwell. Boltzman L. (1844 - 1906) ở Áo dựa trên giả thuyết áp suất ánh sáng Maxwell, đã tạo ra lý thuyết định luật bức xạ nhiệt (1884). Lebedev P. N. (1866 - 1912) ở Nga làm được thí nghiệm xác nhận ánh sáng gây áp suất trên vật rắn (1899) và dành được vinh quang thế giới. Tin lạ lan truyền nhanh tới Anh làm Huân tước Kelvin cảm kích viết thư gửi Timiriazev K. A. (1843 - 1920) (thầy dạy Lebedev) rằng: “ Ngài có biết không, suốt đời tôi đã giao tranh với Maxwell không thể thừa nhận ánh sáng lại có áp suất như Maxwell tiên đoán... Nhưng thế rồi Lebedev của Ngài đã buộc tôi phải quy hàng trước những thí nghiệm khám phá tuyệt diệu của anh ta”.

Đặc biệt ở Đức, Helmholtz G. (1821 – 1894) còn giao cho Henrich Hertz (1857 - 1894) nhiệm vụ lịch sử kiểm tra xác nhận sự tồn tại sóng điện từ lan truyền mà Maxwell đã tiên đoán lý thuyết. Sau 8 năm nghiên cứu, ngày 13/12/1888 Hertz trình diễn kết quả khám phá ra sóng điện từ lan truyền vào không gian nhờ Vibrator thu phát dao động tự sáng chế tại hội nghị Viện Hàn lâm Khoa học Berlin. Cả Hội nghị hân hoan, rộn rã như ngày hội khải hoàn của học thuyết Maxwell trước chiến công bất tử của Hertz H. Tin mừng truyền xa đem lại danh tiếng thế giới cho Henrich Hertz từ đây.

Ở Nga, Popov A. C. (1859 - 1906) - người đầu tiên, theo sau Hertz, sáng chế ra máy Radio (1895) và phát tín hiệu hai chữ “ Henrich Hertz” lan truyền vào không gian... Về sau, nhà vật lý Anh Thomson j. (1856 - 1940; GTNB 1906) đã nhấn mạnh: “ Những thành tựu phát minh, khám phá ra sóng điện từ có ảnh hưởng to lớn đến văn minh nhân loại”. Nhà vật lý Đức Planck M. (1858 – 1947; GTNB 1918) khẳng định: “ Những thành tựu của Maxwell thuộc về những chiến công tuyệt vời nhất, vĩ đại nhất của tinh thần nhân loại... Những di sản tinh thần Maxwell để lại là của toàn thế giới”.

Học thuyết Maxwell đã chiếm được lòng tin và sự khâm phục của hầu hết các nhà khoa học thế kỷ XX. Còn một tiên đoán kỳ diệu của Maxwell về sự tồn tại sóng điện từ tự do nguồn gốc vũ trụ thì chưa thể xác nhận ngay được. Sóng này phải phát ra từ các đối tượng vũ trụ lan truyền trong không gian với vận tốc lan truyền của ánh sáng biểu kiến, chỉ khác ở bước sóng. Thế rồi đến năm 1931 một kỹ sư người Mỹ tên là Carl Jansky đã sáng chế ra chiếc kính thiên văn vô tuyến đầu tiên và phát hiện thấy ngay có bức xạ vô tuyến vũ trụ gửi tới; đánh dấu điểm xuất phát của thiên văn học vô tuyến (Radioastronomy) mở đầu một lĩnh vực mới thiên văn không quang học hiện đại. Một đơn vị ngoại hệ đo mật độ phổ thông lượng bức xạ điện từ được mang tên Jansky (ký hiệu Ja). Các bức xạ điện từ (sóng điện từ) vũ trụ được phản xạ theo bước sóng của bức xạ: các sóng vô tuyến có > 10 ^-2cm; sóng ánh sáng (sóng hồng ngoại có ≈ 5.10 ^-2÷ 7,4.10 ^-5cm; ánh sán biểu kiến có ≈ 7,4.10 ^-5÷ 4.10 ^-5cm; bức xạ tử ngoại tử ngoại có ≈ 4.10 ^-5÷ 10 ^-7cm); bức xạ rơnghen ≈ 2.10 ^-5÷6. 10 ^-12; bức xạ gamma có <2.10 ^–8cm.

Thiên văn vô tuyến nghiên cứu các thiên thể vũ trụ theo sự phát xạ sóng vô tuyến của chúng và xác định toạ độ nguồn bức xạ nhờ các kính thiên văn vô tuyến. Trên mặt đất có thể quan sát được trong dải bước sóng từ 1mm đến 30m (sóng ngắn hơn và dài hơn bị khí quyển hấp thụ). Từ sau chiến tranh thế giới thứ hai nhiều kính thiên văn vô tuyến được tạo ra thúc đẩy thiên văn học vô tuyến phát triển như vũ bão, vươn lên trước thiên văn học hồng ngoại và rơnghen.

Đến cuối những năm 40 thế kỷ XX các nhà thiên văn thế gới đã phát hiện, đặt tên gọi và đưa vào danh mục hàng nghìn nguồn bức xạ sóng vô tuyến rời rạc. Một trong những nguồn sóng vô tuyến mạnh nhất được phát hiện năm 1948 từ chòm sao Thiên Nga (Cygnus) ở bán cầu bắc, ký hiệu Cyg A. Đó là nguồn bức xạ sóng vô tuyến đầu tiên ngoài thiên hà chúng ta đồng nhất với đối tượng thiên văn nhìn thấy từ năm 1951. Sau đó ở bán cầu nam cũng phát hiện một dị thường bức xạ vô tuyến từ chòm sao Nhân Mã (Centaur) ký hiệu Cen A...

Ngoài những nguồn bức xạ từ các đối tượng vũ trụ, các nhà thiên văn còn phát hiện cả bức xạ vô tuyến của khí trong không gian giữa các sao. Đặc biệt phát hiện sự có mặt hydro nguyên tử phổ biến trong không gian vũ trụ qua bức xạ có bước sóng 21cm do hydro phát ra khi spin (tức momen động lượng riêng) của nó thay đổi quay đảo ngược. Từ toàn bộ các số liệu do ghi bức xạ sóng 21cm cho phép các nhà thiên văn vô tuyến lập được bản đồ phân bố hydro nguyên tử trong không gian giữa các sao, vẽ được cấu trúc xoắn ốc của thiên hà chúng ta, thấy rõ mật độ khi giữa các sao tỏ ra không đồng nhất và khí tập trung chủ yếu trong các nhánh xoắn cánh quạt của thiên hà.

Khám phá bất ngờ nhất xảy ra vào giữa năm 1967 sau khi khánh thành một kính thiên văn vô tuyến khổng lồ với anten thu hình chữ nhật diện tích 21.000m ²thuộc trường ĐHTH Cambridge nước Anh. Tại đây có các nhà khoa học: Martin Ryle (1918 – 1984) sáng chế và quan sát thiên văn vô tuyến và giáo sư Antony Hewish (sinh 1924) lãnh đạo nghiên cứu. Chỉ sau ít ngày làm việc cô sinh viên cũ giúp việc Jocelyn Bell đưa trình Giáo sư một băng ghi được các tín hiệu vô tuyến vũ trụ bước sóng 3,7m; dạng xung có nhịp đều đặn rất lạ lùng. Thoạt đầu Giáo sư Hewish cho rằng đó là tín hiệu từ nền văn minh ngoài trái đất gửi tới. Hai ông bí mật nghiên cứu quan sát suốt bốn tháng liền, nguồn phát tín hiệu đó vẫn liên tục đều đặn từ phía chòm sao Hồ Ly (Vulpecula) ở bán cầu bắc. Kết cục nguồn phát xung vô tuyến huyền bí ấy được xác định và đặt tên gọi pulsar nghĩa là chòm sao xung (pulsating star).

Các Pulsar vô tuyến đồng nhất với các sao nơtron (neutron star) tự quay nhanh, có vùng hoạt động phát bức xạ trong hình nón hẹp. Hình nón đó hướng về phía người quan sát qua mỗi khoảng thời gian bằng chu kỳ quay của sao. Nghĩa là tia bức xạ phát ra quay theo pulstar (tựa hồ một ngọn hải đăng nhấp nháy từng xung) và quét qua trái đất. Pulstar, các chữ số theo sau là toạ độ của nó trên bầu trời. Tính đến năm 1974 các nhà thiên văn học thế giới đã phát hiện tới 100 pulstar. Hewish A. cùng với Ryle M. là hai đại biều đầu tiên của thiên văn học được trao Giải thưởng Nobel (GTNB) về vật lý (1974).

Cũng trong năm 1974 các nhà thiên văn Mỹ Hulse R. (sinh 1950) và Taylor Jr. (sinh 1941) tại đài thiên văn Arecibo nhờ kính thiên văn vô tuyến parabol bằng lưới kim loại đường kính 300m lớn nhất thế giới còn phát hiện ra một pulstar rất đặc biệt ở chòm sao Thiên Ưng (Aquila) vùng xích đạo. Pulsar này tên gọi là PSR 1913 + 16 có chu kỳ 59 mili giây (tức nó quay chậm 17 vòng một giây) nhưng xung nhịp thay đổi, tăng giảm tuần hoàn. Hai nhà khoa học khẳng định rằng pulsar ấy phải là sao nơtron đồng hành của một sao nơtron khác làm thành một hệ sao đôi (binary star) quay xung quanh nhau. Trong dải Ngân Hà có nhiều hệ sao đôi, nhưng hệ sao đôi có sau đồng hành là pulsar là khám phá bất ngờ. Sau 14 năm nghiên cứu thu thập số liệu chính xác hai ông đi đến kết luận hệ sao đôi có pulsar PSR 1913 + 16. Vì thế đến năm 1993 hai ông Hulse R. và Taylor Jr. cùng được trao GTNB về thành tựu khám phá loại pulsar mở ra khả năng mới nghiên ucứ hiện tượng hấp dẫn vũ trụ trong thế kỷ XXI.

Ngoài ra, thiên văn vô tuyến từ những năm 60 thế kỷ XX đã phát hiện hàng loạt nguồn vô tuyến có vị trí chính xác cao đồng nhất với những đối tượng nhìn thấy phát ra màu xanh da trời là thường. Đó là các vật gần giống như sao gọi là Quasar (Quasistellar Object). Phổ của Quasar có độ dịch chuyển về phía đỏ (hiệu ứng Doppler) rất lớn, nghĩa là Quasar thuộc đối tượng ở xa nhất, tận biên giới vũ trụ, chuyển động rất nhanh ra xa và mở rộng thêm bán kính vũ trụ.