Đề tài Thiên văn vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM TP.HCM KHOA VẬT LÝ  Tiểu luận môn Phương Pháp Nghiên Cứu Khoa Học Tên đề tài: Giáo viên hướng dẫn: Thầy Lê Văn Hoàng Nhóm thực hiện: Nguyễn Công Danh Võ Thị Hoa Nguyễn Thị Phương Thảo (29/01) Lâm Hoàng Minh Tuấn Nguyễn Thành Trung Lớp Lý 3 Chính Qui TPHCM, Tháng 5 Năm 2009 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC MỤC LỤC Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN ....................................................... 6 1.1. James Clerk Maxwell (1831-1879)................................................................6 1.2. Heinrich Hertz (1857-1894) ..........................................................................7 1.3. Thomas Alva Edison (1847-1931).................................................................8 1.4. Sir Oliver J. Lodge (1851-1940)..................................................................11 1.5. Wilsing and Scheiner (1896) .......................................................................12 1.6. Charles Nordman (1900) .............................................................................13 1.7. Max Planck (1858-1947).............................................................................14 1.8. Oliver Heaviside (1850-1925) .....................................................................16 1.9. Guglielmo Marconi (1874-1937).................................................................17 Chương 2: THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LÀ GÌ? ...................................................... 18 2.1. Sơ lược về Bức xạ điện từ: ..........................................................................18 2.1.1. Nguồn gốc: .................................................................................................. 18 2.1.2. Lưỡng tính sóng – hạt của bức xạ điện từ: ................................................ 19 Phương trình Maxwell:......................................................................................... 26 Năng lượng và xung lượng:.................................................................................. 31 2.1.3. Phổ điện từ & Các đặc trưng cơ bản: ........................................................ 36 2.1.4. Các loại bức xạ điện từ:.............................................................................. 40 2.2. Bức xạ vũ trụ và ngành thiên văn vật lý: ..................................................... 51 2.2.1. Sơ lược về bức xạ vũ trụ: ........................................................................... 51 2.2.2. Ngành thiên văn vật lý: .............................................................................. 57 2.3. Bức xạ vô tuyến và thiên văn vô tuyến: ....................................................... 62 3 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Chương 3: KÍNH THIÊN VĂN VÔ TUYẾN ........................................................ 64 3.1. Sơ lược về kính thiên văn vô tuyến: ............................................................ 64 3.2. Đo đạc thiên văn vô tuyến: ..........................................................................70 3.2.1. Sơ lược cấu tạo và hoạt động của kính thiên văn vô tuyến:..................... 70 3.2.2. Công thức đo đạc vô tuyến: ....................................................................... 76 Chương 4: GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG THIÊN VĂN VÔ TUYẾN .................................................................................................79 4.1. Sự phát hiện bức xạ phông vũ trụ, vết tích của Big Bang:............................ 79 4.1.1. Lược sử:....................................................................................................... 79 4.1.2. Ý nghĩa việc tìm ra bức xạ phong nền viba của vụ trụ:............................ 79 4.1.3. Phương pháp nghiên cứu:........................................................................... 80 4.2. Vạch phổ cuả nguyên tử trung hòa Hydrogen trên bước sóng 21 centimet:..83 4.2.1. Lược sử:....................................................................................................... 83 4.2.2. Ý nghĩa nghiên cứu bức xạ Hyđro:............................................................ 83 4.2.3. Cơ chế phát xạ: ........................................................................................... 84 4.3. Bức xạ "synchrotron" phát ra từ các thiên hà............................................... 86 4.3.1. Lược sử nghiên cứu nguồn bức xạ synchrotron trong Thiên Hà : ........... 86 4.3.2. Mục đích nghiên cứu : ................................................................................ 86 4.3.3. Cơ chế bức xạ synchrontron phi nhiệt :..................................................... 87 4.3.4. Tần số của bức xạ synchrotron : ................................................................ 89 4.3.5. Cường độ bức xạ :....................................................................................... 89 4.4. Nghiên cứu những bức xạ Maser trong Vũ trụ............................................90 4.4.1. Lược sử nghiên cứu: ................................................................................... 90 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 4.4.2. Mục đích nghiên cứu: ................................................................................. 92 4.4.3. Cơ chế bức xạ maser: Quá trình đảo ngược mật độ phân tử.................... 92 4.4.4. Tần số bức xạ maser: .................................................................................. 94 4.4.5. Nguồn bức xạ maser: .................................................................................. 94 4.5. Săn tìm acid amin: ..................................................................................... 97 4.5.1. Lược sử nghiên cứu : .................................................................................. 97 4.5.2. Mục đích nghiên cứu : ................................................................................ 98 4.5.3. Kết quả nghiên cứu:.................................................................................... 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 104 5 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LỜI NÓI ĐẦU Các bạn đang cầm trên tay cuốn tiểu luận “Thiên văn vô tuyến” nhân dịp thực hành Phương pháp nghiên cứu khoa học của nhóm chúng tôi. Xin có đôi dòng bày tỏ những cảm xúc hãnh diện của chúng tôi về thành quả này! Đó là cả một quá trình nỗ lực đầy nhiệt huyết của nhóm thực hiện. Từ ý tưởng ban đầu, nghiên cứu về bức xạ điện từ trong thiên văn, nhóm đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu sau cùng là thiên văn vô tuyến. Ngành thiên văn vật lý thế giới đang trên đà phát triển với rất nhiều triển vọng. Trong đó, thiên văn vô tuyến có một giá trị và vai trò rất lớn đối với tống thể sự phát triển đó. Qua quá trình thực hiện đề tài, nhóm không những được rèn luyện phương pháp nghiên cứu khoa học với những kinh nghiệm đáng kể mà còn được mở rộng vốn kiến thức thiên văn vốn là khoa học lí thú và luôn mới lạ. Tiểu luận này cung cấp những kiến thức rất sơ đẳng và phổ quát từ nhiều nguồn tài liệu giúp người đọc hiểu biết tổng quan về bức xạ điện từ, bức xạ vũ trụ, ngành thiên văn vật lý, thiên văn vô thuyến, kính thiên văn vô tuyến với cách thức hoạt động và giới thiệu một số công trình nghiên cứu trong thiên văn vô tuyến như bức xạ nền vi sóng vũ trụ, bức xạ Maser, Synchrotron… Đặc biệt, tuy có phần hạn chế nhưng cũng là một ưu điểm của tiểu luận này là những thông tin phong phú được dịch thuật và chọn lọc từ những nguồn tài liệu tiếng Anh trên internet. Đây cũng chính là một kinh nghiệm đáng khích lệ trong quá trình làm việc của nhóm. Do hạn chế về hiểu biết cũng như trình độ ngoại ngữ nên trong khi thực hiện tiểu luận này không tránh khỏi sai sót, nhóm chúng tôi rất mong người đọc thông cảm và nhiệt tình đóng góp ý kiến để lần thực hiện sau nếu có thể dược tốt hơn. Chân thành cảm ơn! Nhóm thực hiện 6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 1: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Tiên đoán của Maxwell về sóng điện từ và chứng minh của Hertz về sự tồn tại thực của chúng đã dẫn đường cho nhiều nhà khoa học nghiên cứu về những thiên thể như mặt trời và các vì sao có khả năng phát ra sóng vô tuyến. Các nhà khoa học sau đây đã đặt cơ sở cho sự khám phá về sau của thiên văn vô tuyến. 1.1. James Clerk Maxwell (1831-1879) Trong những năm 1860 và 1870 James Clerk Maxwell đã phát triển lý thuyết về năng lượng điện và năng lượng từ, và ông đã tóm tắt trong 4 phương trình nổi tiếng của mình (hình 1.1). Những phương trình này tóm lược tất cả những khám phá về điện và từ trong những thí nghiệm đã được làm trước đó vài trăm năm bởi Faraday, Volta và nhiều người khác. 7 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 1.1. Phương trình Maxwell Họ chỉ ra rằng điện và từ là hai mặt của cùng một năng lượng. Những phương trình cũng dự báo rằng có một dạng bức xạ mà người ta gọi nó là bức xạ điện từ. Maxwell nhận ra rằng ánh sáng là một dạng của bức xạ điện từ. Những phương trình này dự báo rằng bức xạ điện từ có thể tồn tại ở bất kì bước sóng nào. Những màu sắc khác nhau của ánh sáng có bước sóng ngắn hơn một phần ngàn mm. 1.2. Heinrich Hertz (1857-1894) Năm 1888, Heinrich Hertz đã xây dựng một bộ máy có thể phát và nhận sóng điện từ ở khoảng cách chừng 5m (hình 1.2). Ông đã sử dụng một cuộn dây điện để phát ra một tia điện có điện áp cao giữa 2 điện cực đóng vai trò như một vật phát. Máy dò là một cuộn dây kim loại có một khe hở nhỏ. Một tia điện tại vật phát sản sinh ra những sóng điện từ đi tới máy dò, tạo ra một tia điện trong khe hở. Ông chỉ ra rằng những sóng này được làm cho dao động theo một hướng và chúng có thể cản trở lẫn nhau, giống như lý thuyết đã dự báo trước. 8 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 1.2. Bộ máy thu phát sóng điện từ của của Hertz năm 1888 Hertz đã thành công trong việc tự tạo ra và thực hiện thành công thí nghiệm với sóng điện từ vào năm 1887, tám năm sau khi Maxwell qua đời. Hertz đã tạo ra, thu nhận được, và còn đo được bước sóng (gần 1m) của bức xạ, ngày nay được phân vào nhóm tần số vô tuyến. David Hughes, một nhà khoa học sinh quán London, người là giáo sư âm nhạc trong buổi đầu sự nghiệp của mình, có lẽ mới thực sự là nhà nghiên cứu đầu tiên thành công trong việc truyền sóng vô tuyến (năm 1879), nhưng sau khi thuyết phục Hội Hoàng gia không thành, ông quyết định không công bố nghiên cứu của mình, và cũng không ai biết đến mãi cho tới nhiều năm sau này. 1.3. Thomas Alva Edison (1847-1931) Một lần nữa Hertz đã chứng minh sự tồn tại của bức xạ điện từ, nhiều nhà khoa học đã nghĩ đến khả năng thu nhận những bức xạ này từ những thiên thể trên bầu trời. 9 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Edison dường như là người đầu tiên được ghi trong sổ sách đã đưa ra thí nghiệm để phát hiện ra sóng vô tuyến từ mặt trời. Bằng chứng của điều này là một lá thư đã được gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly, người làm việc trong phòng thí nghiệm của Edison (hình 1.3). Nó miêu tả cách làm một máy dò bởi một vài sợi dây cáp cuốn quanh một khối kim loại. Không có tài liệu nào cho thấy thí nghiệm này đã được công bố. Tuy nhiên, dù nhận thức muộn, bộ máy được đưa ra có thể là do vô tình và có thể chỉ nhận ra được những bước sóng rất dài. Tầng điện ly có thể ngăn chặn những sóng dài này chiếu tới bề mặt trái đất. (Sự dự báo về một lớp phản xạ ở phần trên của khí quyển, tầng điện ly, đã được đưa ra bởi Kennelly và Heaviside năm 1902). 10 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Hình 1.3. Thư gửi đến Lick Observatory năm 1890 bởi Kennelly (Letter reproduced from "The Evolution of Radio Astronomy", by J.S.Hey, Science History Publications, 1973. See also: C.D.Shane, Pub.Astron. Soc. Pacific 70,303, 1958) ...bày trí của Edison là ghép trên các cực bao quanh phần lõi quặng một cáp gồm 7 dây kim loại cách điện cẩn thận với các đầu cáp sẽ được nối với máy điện thoại hoặc các dụng cụ thí nghiệm khác. Sau đó có khả năng các tạp âm lớn trong khí quyển Mặt trời làm nhiễu loạn cả dòng năng lượng điện từ thông thường mà chúng ta nhận lẫn sự phân bố bình thường của lực từ trên hành tinh này… 11 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 1.4. Sir Oliver J. Lodge (1851-1940) Lodge đã tạo nên rất nhiều sự đổi mới trong buổi đầu của kỹ thuật bức xạ khi phát minh ra một máy dò bức xạ tốt hơn, giới thiệu cách sử dụng những bảng mạch đã được điều chỉnh và phát minh ra loa. Khoảng năm 1897- 1900, Lodge đã thử dò sóng bức xạ từ mặt trời. Hình 1.4. Đây là bài viết mô tả về thí nghiệm của Lodge. (Letter reproduced from "Classics in Radio Astronomy", by W.T.Sullivan, Reidel, 1982. Original in Lodge: "Signalling across space without wires", The Electrician Publ.Co., London, 1900) “ Vết của ánh sáng” – Lodge đề cập đến một dụng cụ đo điện có tính phản xạ. Thí nghiệm này nhạy với bức xạ của bước sóng khoảng centimer, cái mà có thể …Tôi đã cố gắng thu lấy bức xạ sóng dài từ Mặt trời, lọc những sóng thường được biết đến nhiều bởi một bảng đen hoặc bề mặt tối thích hợp khác. Tôi đã không thành công, vì cô-hê-rơ nhạy cảm ở gần phía ngoài kho chứa không được bảo vệ bởi các bức tường dày…quá nhiều nguồn nhiễu loạn trên mặt đất ở trong thành phố… 12 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC xuyên qua tầng điện ly. Khi đó bộ máy của ông hoàn toàn không đủ nhạy để nhận ra mặt trời. Trong bất cứ trường hợp nào, đã có quá nhiều nguồn bức xạ giao thoa trong Liverpool để thí nghiệm đi đến thành công. 1.5. Wilsing and Scheiner (1896) Johannes Wilsing (1856-1943) và Julius Scheiner (1858-1913) là những nhà thiên văn vật lý học, những người đầu tiên xuất sắc để tường thuật và công bố những nỗ lực của họ trong việc bắt bức xạ vô tuyến từ mặt trời (Ann.Phys.Chem.59,782, 1896, ở Đức). Hình 1.5. Mô hình của Wilsing and Scheiner năm 1896. Mô hình thí nghiệm của họ ở hình 1.5 là từ “ thiên văn học sóng vô tuyến cổ điển” của W.T. Sullivan, Reidel, 1982. Họ tiến hành thí nghiệm trong 8 ngày và không thể bắt được bất cứ tín hiệu nào phát ra từ mặt trời. Họ nghĩ rằng nguyên nhân có lẽ là do sóng vô tuyến bị hấp thụ trong khí quyển ( và họ đã sai). 13 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 1.6. Charles Nordman (1900) Charles Nordman, một sinh viên người Pháp, lý giải rằng nếu sóng vô tuyến bị hấp thụ bởi khí quyển, như Wilsing và Scheiner nghĩ, thì giải pháp là làm thí nghiệm ở độ cao lớn hơn. Ông đặt một ăngten bằng thanh kim loại dài trên một dòng sông băng ở Mont Blanc, độ cao khoảng 3100m (khoảng 10,000 ft). Hình 1.6. Thí nghiệm của Nordman (Thí nghiệm của Nordman đã được công bố trong Comptes Rendus Acad.Sci., vol.134, page 273, 1902. Tái bản tiếng Anh trong “Thiên văn học sóng vô tuyến cổ điển” của W.T. Sullivan, Reidel, 1982). Bây giờ chúng ta biết rằng nếu được tiến hành đúng cách thì ăngten có thể nhạy với sự xuất hiện sóng vô tuyến tần số thấp từ mặt trời và có khả năng bắt đựợc chúng. Những sự xuất hiện này thường xảy ra hầu hết ở những điểm cực viễn thuộc Hệ Mặt Trời, nhưng không may là mặt trời ở tại điểm cực cận vào năm 1900. Một lần nữa nỗ lực trong việc tìm kiếm sóng vô tuyến mặt trời không thành công, mọi 14 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC thí nghiệm chựng lại và phải chờ đến bước phát triển thuần lý thuyết của Planck và Heaviside. 1.7. Max Planck (1858-1947) Chuyện kể rằng, khi Max Planck là một sinh viên ở trường đại học Munich, người hướng dẫn của ông khuyên ông không nên đi sâu vào chuyên ngành Vật Lý vì tất cả các vấn đề của vật lý đã được giải quyết cả rồi. May mắn sao ông không nghe theo lời khuyên đó. Sau đó ông đã tìm ra được một vấn đề chưa được giải quyết, cụ thể là sự giải thích mang tính lý thuyết của “ vật thể đen”, còn gọi là những đường cong bức xạ nhiệt. Khi những vật thể có khối lượng rất lớn bị đốt nóng tới nhiệt độ cao thì chúng sẽ bức xạ năng lượng và đồ thị của cường độ bức xạ đối với bước sóng đi theo một đường cong như hình minh họa. Nhiệt độ càng cao, bước sóng tại đỉnh của đường cong càng ngắn. 15 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN Hình 1.7. Đồ thị cường độ bức xạ của vật thể bị đốt nóng Planck đã thành công trong việc lý giải nguồn gốc của đường cong bức xạ nhiệt từ một thuyết về sự hấp thụ và sự phát ra bức của vật chất. Lý thuyết cho rằng năng lượng phải được phát ra hoặc hấp thụ từng lượng nhỏ hay lượng tử năng lượng. Đây là một phát hiện mang tính quyết định trong vật lý và lý giải tất cả các hiện tượng điện- từ. Quang phổ của ánh sáng từ mặt trời rất giống với một đường cong bức xạ nhiệt. Nếu áp dụng lý thuyết của Planck để dự báo lượng bức xạ có thể nhận được từ Mặt trời trong vùng vô tuyến của quang phổ (bước sóng từ 10 đến 100cm), bức xạ có thể rất yếu, quá yếu để có thể được dò thấy bởi bất cứ máy dò nào có được ở năm 1900. 16 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 1.8. Oliver Heaviside (1850-1925) Heaviside và Kennelly, năm 1902, đã dự báo rằng đáng lẽ phải có một lớp ion hóa ở tầng trên của khí quyển nơi sẽ phản xạ sóng vô tuyến. Họ lưu ý rằng điều đó có thể hữu ích cho sự truyền đạt tín hiệu ở khoảng cách lớn, cho phép những tín hiệu vô tuyến truyền đi trong những phần không gian của trái đất bằng cách bật ra khỏi đáy của lớp không khí này. Sự tồn tại của lớp không khí, ngày nay được biết đến như là tầng điện ly, đã được chứng minh vào những năm 1920. Nếu sóng vô tuyến bật lên khỏi tầng điện ly thì khi đó nó cũng phải bật ra bên ngoài. Vì thế bất cứ sóng vô tuyến nào bên ngoài trái đất cũng không thể đi xuyên qua để đến mặt đất, chúng có lẽ bật trở lại vào không gian. Những dự báo của Heaviside kết hợp với thuyết bức xạ của Planck đã làm chán nản những cố gắng xa hơn trong việc dò sóng vô tuyến từ mặt trời và những vật thể khác trên bầu trời. Cho dù vì bất cứ lý do nào, đã không có thêm sự nỗ lực nào trong suốt 30 năm sau đó cho đến khi có một khám phá tình cờ của Jansky vào năm 1932. Sau đó người ta đã hiểu ra rằng sự phản xạ ở tầng điện ly phụ thuộc nhiều vào tần số (hay bước sóng). Nó phản xạ hầu hết bức xạ nhỏ hơn khoảng 20MHz. Nhưng tầng điện ly không phải là một rào cản đối với tần số trên 50 MHz. Thiên văn học sóng vô tuyến phải chờ sự phát triển của những máy dò sóng vô tuyến tần số cao. 17 THIÊN VĂN VÔ TUYẾN 1.9. Guglielmo Marconi (1874-1937) Marconi đã cải thiện thiết kế của máy phát và nhận sóng vô tuyến và phát triển những hệ thống trên thực tế đầu tiên cho việc truyền thông tin trên sóng vô tuyến ở khoảng cách lớn. Năm 1901, ông là người đầu tiên đã gửi và nhận những tín hiệu vượt đại dương, từ Newfoundland tới Cornwall. Kết quả của những cố gắng mang tính mở đường của ông, dịch vụ thương mại máy điện thoại radio trở nên sẵn có trong những năm sau đó. Trong thập niên 1930 công ty Bell Telephone đã không ngừng cải thiện dịch vụ điện thoại vượt Đại Tây Dương của mình khi họ đã ủy nhiệm cho Karl Jansky nghiên cứu những nguồn sóng vô tuyến tĩnh, dẫn đến những khám phá của ông về sóng vô tuyến từ dải ngân hà. 18 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 2: THIÊN VĂN VÔ TUYẾN LÀ GÌ? 2.1. Sơ lược về Bức xạ điện từ: 2.1.1. Nguồn gốc: Nguyên tử là nguồn phát ra mọi bức xạ điện từ, dù là loại nhìn thấy hay không nhìn thấy. Các dạng bức xạ năng lượng cao, như sóng gamma và tia X, sinh ra do những sự kiện xảy ra làm phá vỡ trạng thái cân bằng hạt nhân của nguyên tử. Bức xạ có năng lượng thấp, như ánh sáng cực tím, khả kiến và hồng ngoại, cũng như sóng vô tuyến và vi ba, phát ra từ những đám mây electron bao quanh hạt nhân hoặc do tương tác của một nguyên tử với nguyên tử khác. Những dạng bức xạ này xảy ra do thực tế các electron chuyển động trong những quỹ đạo xung quanh hạt nhân nguyên tử sắp xếp vào những mức năng lượng khác nhau trong hàm phân bố xác suất của chúng (hình 2.1). Nhiều electron có thể hấp thụ thêm năng lượng từ nguồn bức xạ điện