Thiên văn học vô hình

6

I. Shklovsky

Thiên văn học
vô hình

Việc chúng ta có thể nhìn thấy các ngôi sao xuyên qua độ dày khổng lồ của bầu khí quyển trái đất chỉ đơn giản là một phép lạ! Rốt cuộc, trên mỗi centimet vuông bề mặt hành tinh của chúng ta có một kg vật chất trong khí quyển - một sự thật thậm chí còn được Ostap Bender biết đến…
Đây là một lông mày thực sự. Tại sao nó chỉ hấp thụ 15-20% bức xạ rơi từ không gian? Nhưng—dừng lại! Cần phải báo trước: chúng ta đang nói về bức xạ nhìn thấy được.

Ánh sáng mà mắt chúng ta nhìn thấy là một dải rất hẹp trên thang bức xạ điện từ, bị giới hạn ở bước sóng 8·10⁻⁷ m (tia đỏ) và 4·10⁻⁷ m (tia phi lê). Theo hướng bước sóng, dải này tiếp giáp với một dải sóng hồng ngoại rộng, kéo dài xấp xỉ bước sóng 10⁻⁴ m. Xa hơn nữa, có một vùng sóng vô tuyến khổng lồ từ sóng dưới milimet đến sóng nhiều km.
Theo hướng sóng ngắn từ dải ánh sáng khả kiến ​​có sóng cực tím có chiều dài lên tới 10⁻⁸ m, tia RENTgen thậm chí còn ngắn hơn và cuối cùng là tia gamma ngắn nhất.

Độ trong suốt đáng kinh ngạc của lớp áo giáp dày của bầu khí quyển trái đất liên quan chủ yếu đến các tia nhìn thấy được. Ngoài ra, bầu khí quyển của trái đất cũng thích hợp với sóng vô tuyến có chiều dài từ 1 cm đến 15-20 mét. Ngoài ra còn có các “cửa sổ trong suốt” riêng biệt trong vùng hồng ngoại của quang phổ. Bầu khí quyển của trái đất hấp thụ hoàn toàn tất cả các loại bức xạ điện từ khác.

Để cản trở việc bầu khí quyển của trái đất được tiên tri cho các tia nhìn thấy được, theo quan điểm của các định luật chung

10

Viện Vật lý vô tuyến điện Serpukhov của Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô.

phần tối của quang phổ, phần này “di chuyển” đến đó từ phần tử ngoại ở xa. Những vạch này chưa bao giờ được quan sát thấy ở bất kỳ vật thể thiên văn nào khác (sao, tinh vân) (phần cực tím của quang phổ bị khí quyển hấp thụ hoàn toàn). Hơn nữa, hóa ra tốc độ di chuyển của một thiên hà như vậy là gần 250.000 km/s, tức là bằng 0,8 tốc độ ánh sáng trong chân không!

Đã được quan sát trong nhiều năm nay, sự dịch chuyển đỏ của vũ trụ học hiện đại, bắt đầu từ nhà vật lý và toán học thay thế chúng ta A. A. Friedman, tuyên bố sự phân bố thực sự của Vũ trụ. Theo thời gian, khoảng cách giữa các thiên hà ngày càng tăng, do đó quy mô của Vũ trụ cũng ngày càng lớn. Quan sát một chuẩn tinh có λ/λ₀=4, chúng ta dường như đang nhìn vào quá khứ xa xôi của Vũ trụ, khi kích thước của nó nhỏ hơn kích thước hiện tại 4 lần và mật độ vật chất trung bình lớn hơn 64 lần. Chà, còn gì bằng nữa?

Cho đến nay, các chuẩn tinh có λ/λ₀ lớn hơn 4,6 vẫn chưa được phát hiện. Rất có thể là không có gì cả, hoặc rất ít. Điều này có nghĩa là các thiên hà (và do đó là hạt nhân của chúng) được hình thành ở một giai đoạn nhất định trong quá trình phát triển của Vũ trụ, khi quy mô của nó nhỏ hơn 4-5 lần so với hiện tại. Ngay cả trong thời đại trước đó cũng không có thiên hà. Chuyện gì đã xảy ra thế? Hóa ra có một loại khí và một trạng thái hóa học khá đơn giản - hỗn hợp hydro và heli. Khi chất khí này giãn nở, gắn liền với sự giãn nở của Vũ trụ, nó giảm mật độ và nguội đi. Điều này có nghĩa là khi “tuổi” của Vũ trụ là vài triệu năm, nhiệt độ của chất khí chứa đầy nó lên tới vài nghìn độ. Ở nhiệt độ này, khí này đã bị khử một phần, tức là nó là plasma.

Một đặc điểm quan trọng của Vũ trụ trong giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa là nó chứa một lượng bức xạ khổng lồ. Thành phần quang phổ của bức xạ này giống như thành phần quang phổ của vật thể bị nung nóng đến nhiệt độ tương ứng. Mật độ năng lượng của bức xạ này (năng lượng trên một đơn vị thể tích) lớn hơn hàng trăm triệu lần mật độ năng lượng nhiệt của chất khí (vì vật chất trong Vũ trụ khi đó vẫn có mật độ tương đối thấp). Lượng năng lượng bức xạ ở trạng thái cân bằng với các nguyên tử khí đã hấp thụ và phát ra chúng. Điều này có nghĩa là số lượng tử được hấp thụ bởi các nguyên tử bằng số lượng tử do chúng phát ra (đồng thời). Vì lý do này, nhiệt độ của vật chất và bức xạ là như nhau. Nhưng điều này chỉ có thể kéo dài quá lâu.

Do Vũ trụ giãn nở, mật độ khí giảm nhanh và đây là nguyên nhân khiến quá trình trao đổi năng lượng giữa bức xạ và khí diễn ra ngày càng chậm. Cuối cùng, những quá trình này trở nên chậm đến mức bức xạ lấp đầy Vũ trụ mất đi mọi thứ cùng với chất khí. Điều này sẽ xảy ra ngay khi vũ trụ có tuổi vài triệu năm và kích thước của nó nhỏ hơn kích thước hoàn hảo khoảng một nghìn lần. Khi Vũ trụ tiếp tục giãn nở, mật độ bức xạ

11

Nhiệt độ lấp đầy Vũ trụ giảm nhanh chóng do nhiệt độ của nó thay đổi tỷ lệ với kích thước của nó. Và bây giờ, kể từ thời điểm “tách” bức xạ khỏi vật chất, Vũ trụ đã tăng kích thước của nó lên hơn một nghìn lần, chúng ta dự đoán nhiệt độ của bức xạ lấp đầy nó sẽ vào khoảng vài độ.

Thành tựu lớn nhất của thiên văn vô tuyến là việc phát hiện ra bức xạ này lấp đầy toàn bộ Vũ trụ, hay được gọi là “bức xạ tái phát”. Nó cho thấy môi trường của các loài động vật và thực vật sống trên Trái đất gặp phải “sự lỗi thời sống” - đại diện của hệ động vật và thực vật ở trạng thái xa xưa của Vũ trụ, khi không có các thiên hà và ngôi sao trong đó mà chỉ có khí nóng và bức xạ tràn ngập toàn thế giới. Phát hiện này được thực hiện cách đây 12 năm. Hóa ra là trên các sóng vô tuyến ở phạm vi centimet và milimet, mọi thứ không nhận được như nhau ở mọi hướng. Thành phần quang phổ của bức xạ này tương ứng với một vật thể bị nung nóng đến nhiệt độ 2,7 độ Kelvin. Cường độ tối đa xảy ra ở bước sóng khoảng một milimet. Ý nghĩa của khám phá này chủ yếu nằm ở chỗ phải có thể nghiên cứu Vũ trụ khi nó “trẻ hơn” gấp mười nghìn lần so với hiện tại và hoàn toàn khác với hiện tại. Vũ trụ có một lịch sử; dưới tác động của những nguyên nhân bên trong, nó không ngừng phát triển và tất nhiên ngày càng phức tạp hơn. Hiện tại, Vũ trụ vô cùng phong phú và phức tạp hơn so với thời kỳ riêng biệt đó. Ví dụ, vào thời điểm đó chất này chưa có trạng thái hóa học phong phú như bây giờ. Các nguyên tố khác ngoài hydro và gel hình thành bên trong các ngôi sao muộn hơn nhiều. Cũng không nên quên rằng sự sống trong Vũ trụ chỉ có thể phát sinh sau khi hình thành các nguyên tố nặng.

Thật nghịch lý khi bây giờ chúng ta biết về thời đại đó, tách biệt khỏi chúng ta, khi bức xạ “tái phát” được hình thành, lớn hơn nhiều so với các điều kiện quyết định sự hình thành của Hệ Mặt trời của chúng ta và đặc biệt là Trái đất, mặc dù sự kiện quan trọng này sẽ không xảy ra cách đây rất lâu: chỉ “một số” năm tỷ năm trước, khi kích thước của Vũ trụ chỉ bằng một nửa kích thước ngày nay. Đây là một ví dụ điển hình về việc khoa học phát triển không đồng đều, rằng sự tiến bộ về kiến ​​thức của chúng ta đến từ việc “khám phá” những điều chưa biết.

Một trong những lĩnh vực quan trọng nhất của thiên văn vô tuyến có thể được gọi là “thiên văn”. Chúng ta đang nói về việc nghiên cứu các vạch quang phổ khác nhau, các bước sóng của chúng nằm trong phạm vi vô tuyến. Thông thường, những đường này được quan sát thấy ở một số khu vực nhất định của môi trường giữa các vì sao có độ tinh khiết cao, nghiên cứu tổng hợp về nó đã trở nên đặc biệt quan trọng trong những năm gần đây. Đường vô tuyến “nổi tiếng” nhất có bước sóng 21 cm và thuộc về hydro. Vì hydro là nguyên tố phổ biến nhất trong Vũ trụ nên việc nghiên cứu đường này cung cấp những thông tin rất có giá trị áp dụng cho toàn bộ hệ sao của chúng ta - Thiên hà. Nghiên cứu đường này có thể tiết lộ nhiệt độ của môi trường giữa các vì sao, mật độ của nó và bản chất chuyển động của các đám mây khí giữa các vì sao.

Cùng với các nguyên tử, khí liên sao còn chứa các phân tử. Nhiều người trong số họ phát ra các đường vô tuyến được quan sát thành công. Điều bất ngờ là việc phát hiện ra trong không gian giữa các vì sao các phân tử phức tạp, đa nguyên tử, chẳng hạn như axit formic, rượu etylic và metyl cùng một số phân tử khác. Việc nghiên cứu các đường vô tuyến từ phân tử mở ra nghiên cứu về trạng thái đồng vị của vật chất trong Vũ trụ. Bằng cách này, deuterium giữa các vì sao lần đầu tiên được phát hiện - hydro nặng, có đường truyền vô tuyến có bước sóng khoảng 92 cm. Hóa ra là trong môi trường giữa các vì sao, cứ một trăm nghìn nguyên tử hydro trong đám mây thì có một nguyên tử hydro nặng.

12

Phát hiện này có một số hậu quả khá bất ngờ. Thực tế là các hành động không thể hình thành ở độ sâu của các ngôi sao. Ở nhiệt độ khá “vừa phải” vài triệu độ, các phản ứng hạt nhân xảy ra, dẫn đến sự phá hủy hoạt động của hạt nhân. Vì vậy, cũng giống như hydro thông thường, nó phải có nguồn gốc “tàn dư”. Hóa ra các phản ứng hạt nhân trong đó hành động được tổng hợp phải diễn ra khi nhiệt độ của Vũ trụ lên tới vài tỷ độ và tuổi của nó chỉ khoảng 10 phút! Đây là nơi mà “con mắt” của đài viễn thông vô tuyến có thể nhìn thấy…

Một vị trí đặc biệt trong quang phổ vô tuyến không gian được chiếm giữ bởi việc nghiên cứu các vạch của phân tử hydroxyl OH, bước sóng của chúng (chỉ có bốn) là khoảng 18 cm. Thực tế là ở làn sóng này, khá bất ngờ, người ta đã phát hiện ra những nguồn rất nhỏ, thường nằm trong các tinh vân khí. Hóa ra những nguồn này hoạt động theo nguyên lý giống như tia laser – máy phát lượng tử của sóng điện từ trong dải quang phổ nhìn thấy được. Đối với sóng vô tuyến, nguồn còn được gọi là maser. Ngoài ra, các nguồn rất sáng trong các vạch hơi nước H₂O có bước sóng 1,35 cm, có cùng bản chất, được phát hiện ở gần như cùng một vị trí trên bầu trời. Vì vậy, hóa ra thiên nhiên đã sử dụng trong điều kiện tự nhiên một thiết bị mà ở thời đại chúng ta, nó là biểu tượng của cuộc cách mạng khoa học và công nghệ mà nhân loại đã trải qua! Điều gây tò mò nhất là những nguồn tuyệt vời này nằm rất gần với khu vực của Thiên hà, nơi mà theo tất cả dữ liệu, quá trình hình thành các ngôi sao trẻ từ môi trường khí giữa các vì sao vẫn còn phần lớn bí ẩn. Vì vậy, kỹ thuật vô tuyến, khá bất ngờ, hóa ra lại là một phương tiện hữu hiệu để nghiên cứu vấn đề cổ điển lâu đời này.

Khi liệt kê những thành tựu nổi bật của thiên văn vô tuyến trong 10-15 năm qua, người ta không thể im lặng trước phát hiện khiến nhân loại phấn khích cách đây 10 năm. Chúng ta đang nói về việc phát hiện ra pulsar. Loại nguồn vô tuyến hoàn toàn bất thường này được đặc trưng bởi tính tuần hoàn nghiêm ngặt của tín hiệu vô tuyến. Khoảng thời gian ngắn nhất được biết đến là gần 1/30 giây, dài nhất là khoảng 4 giây. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các sao xung quay rất nhanh sao neutron và chu kỳ quay trùng với chu kỳ quan sát được của các xung vô tuyến. Sao neutron là gì? Hãy tưởng tượng Mặt trời của chúng ta lăn xuống kích thước khoảng 10 km. Vì bán kính của Mặt trời gần 700.000 km và mật độ trung bình của nó là 1,4 g/cm³, mật độ trung bình của một quả bóng 10 km - một ngôi sao neutron - sẽ gần bằng 10¹⁵ g/cm³. Đây là một giá trị lớn đến bất ngờ, gần bằng mật độ chất của hạt nhân nguyên tử.

Sao neutron, là điểm kết thúc tự nhiên của quá trình tiến hóa của một số sao, đã được dự đoán về mặt lý thuyết hơn 40 năm trước. Những ngôi sao này (với một ngoại lệ quan trọng) không thể được phát hiện bằng tia quang học. Chỉ có những phương pháp thiên văn học vô tuyến tiên tiến mới giúp chúng ta ngày nay có thể khám phá ra các sao neutron - giấc mơ của hai thế hệ nhà vật lý và thiên văn học trên khắp thế giới. Đây là một trong những khám phá vĩ đại nhất về thiên văn học và vật lý của thế kỷ 20, giàu thành tựu nổi bật của khoa học.