Thiên văn vô tuyến và những ăngten khổng lồ

Thế kỷ thứ XVII là một kỷ nguyên của thiên văn học nhờ có sự phát minh ra kính viễn vọng bởi Galilée và những thành tựu khoa học lớn của Kepler và Newton về lực hấp dẫn. Thiên văn học đã bước một bước dài từ Chiêm tinh học để trở thành một ngành khoa học tự nhiên. Vật lý học khởi đầu từ khi các nhà thiên văn học giải thích được sự chuyển động của các thiên thể. Sau họ tìm tòi nghiên cứu năng lượng Mặt trời và các ngôi sao cùng nguồn gốc của Vũ trụ.

Angten trong hệ kính vô tuyến giao thoa BIMA của Đại học Berkeley (California, USA). Trên nền trời là vùng trung tâm của Ngân hà (Ảnh: vietsciences)

Thiên văn vô tuyến cùng những ăngten để thu tín hiệu phát ra bởi các thiên thể trên những điều kiện lý hóa trong một thiên thể, không những ta phải quan sát bức xạ khả biến mà còn phải thu bức xạ trong vùng bước sóng khác của  phổ điện từ, như các tia X, tử ngoại, hồng ngoại và vô tuyến. Mỗi loại bức xạ phát ra do một cơ chế vật lý cá biệt. Chẳng hạn, quan sát bức xạ khả kiến để nghiên cứu sao và khí iôn hóa trong những thiên hà. Thành phần bụi chỉ phát ra bức xạ hồng ngoại. Phân tử trong những đám mây đen trong môi trường giữa các sao phát ra bức xạ vô tuyến. Bức xạ phông vũ trụ 2,7K mạnh nhất trên giữa các sao phát ra bức xạ vô tuyến của Mặt trời không làm nhiễu xạ của các thiên thể. Hơn nữa, bức xạ vô tuyến của Mặt trời không làm nhiễu xạ của các Thiên thể. Bức xạ phát trên những bước sóng vô tuyến centimét không bị cản trở bởi nước mưa, nên công việc quan sát không phụ thuộc vào thời tiết.

Năm 1932, ông Jansky làm việc tại Công ty điện thoại Mỹ Bell tình cờ phát hiện ra bức xạ vô tuyến đầu tiên từ Vũ trụ tới. Đó là bức xạ phát ra bời dải Ngân hà. Sau chiến tranh thế giới thứ hai, ngành thiên văn vô tuyến bắt đầu phát triển nhờ kỹ thuật chế tạo ra những ăngten radar và máy thu tín hiệu vô tuyến. Cường độ bức xạ vô tuyến thu được từ các Thiên thể vào kính viễn vọng chỉ khoảng một phần triệu nghìn tỷ (10^-18) W, cực nhỏ so với cường độ một bóng đèn 60W thường dùng. Cho nên những ăngten dùng trong ngành vật lý thiên văn phải rất lớn và bộ phận thu tín hiệu phải thật nhạy để "hứng" từng hạt phôtôn. Những nhà thiên văn đã thu được những nguồn bức xạ vô tuyến của Hệ Mặt trời, các vì sao, tinh vân trong Ngân hà, các thiên hà và chuẩn sao (quasar) xa lắc.

Nhờ những phương tiện quan sát bước sóng vô tuyến mà đã có những phát hiện bất ngờ như punxa, một loại sao quay và phát xạ như một hải đăng. Một thành tựu lớn của thiên văn vô tuyến phát hiện năm 1965 là bức xạ phông Vũ trụ. Đó là một yếu tố quan trọng củng cố thuyết vụ nổ lớn tạo ra Vũ trụ. Vài năm sau, các nhà thiên văn vô tuyến đã tìm thấy trong dải Ngân hà nhiều phân tử trong đó có cả phân tử hữu cơ phức tạp. Nhưng phân tử hữu cơ này là những mẫu của axit amin trong chất đạm (protein), chất đặc trưng của sự sống. Sự phát hiện ra phân tử trong Vũ trụ là một sự kiện quyết định trong công việc nghiên cứu các đám mây đen và đặc không quan sát thấy từ trước.

Kính viễn vọng dùng trong ngành thiên văn vô tuyến là ăngten như radar có thể theo dõi Thiên thể quay trên vòm trời. Tín hiệu phát ra từ các Thiên thể thu được trong kính viễn vọng vô tuyến tương tự như tiếng ồn nghe thấy trong máy thu thanh. Ta phải chế ra những máy thu và máy khuyếch đại tín hiệu dùng điốt siêu dẫn có rất ít tiếng ồn để làm nổi bật tín hiệu của Thiên thể. Các bộ phận thu tín hiệu phải để trong một bình ướp lạnh bằng khí Hêli để giảm tiếng ồn do thiết bị phát ra. Số liệu được xử lý bằng máy tính và tín hiệu vô tuyến chuyển thành hình ảnh vẽ trên màn hình. Muốn cho ảnh Thiên thể hiện rõ trên màn hình, nhà thiên văn phải "chụp ảnh" Thiên thể thật lâu bằng cách theo dõi Thiên thể hàng giờ. Máy tính còn được dùng để điều khiển kính viễn vọng tự động quay tới hướng ngắm.

Hệ thống ăngten VLA (Ảnh: public)

Bức xạ vô tuyến có bước sóng ngắn, bước sóng milimet, bị hấp thụ bởi hơi nước trong khí quyển. Những kính viễn vọng milimet thường đặt trên núi cao tại những địa điểm khô như những kính quan sát trong lĩnh vực khả kiến. Sự quan sát trên những bước sóng dài, sóng centimet và mét thường bị ảnh hưởng của nhiễu xạ nhân tạo như radar và những hệ thống truyền hình qua các vệ tinh. Những đài thiên văn vô tuyến thường đặt ở địa điểm hẻo lánh xa trung tâm công nghiệp. Một Ủy ban Quốc tế được thành lập và dành riêng một số vùng sóng trong phố điện từ cho các nhà thiên văn vô tuyến. Những vùng phổ này có nhiều vạch phân tử mà các nhà thiên văn học thường quan sát. Trên nguyên tắc không ai được phát những bước sóng trong vùng phổ bất khả xâm phạm này. Song, thực tế vẫn có nhiễu xạ một phần quyết định của Ủy ban Quốc tế không được tôn trọng hoàn toàn, một phần vì các máy thu bức xạ Vũ trụ ngày càng nhạy.

Kính viễn vọng vô tuyến có đường kính rất lớn từ 10-300m. Hiện nay có khoảng 40 kính viễn vọng vô tuyến trên thế giới. Vì mặt ăngten không cần mịn như mặt gương của các viễn kính dùng trong vùng sóng khả biến nên ăngten lớn dễ làm hơn mặt gương lớn. Hơn nữa, giới hạn phân giải (khả năng phân tách những chi tiết nhỏ) trên bước sóng vô tuyến kém hơn trên bước sóng khả kiến. Nếu ta muốn có giới hạn phân giải của vô tuyến viễn kính tương tự như giới hạn phân giải của một gương 10m trong vùng khả biến, thì kích thước ăngten phải lớn 10km. Với kỹ thuật hiện đại, ta không thể chế tạo được một ăngten khổng lồ như vậy. Tuy nhiên, ta có thể đạt được giới hạn phân giải tốt như một ăngten khổng lồ 10km bằng cách dùng 2 ăngten nhỏ đặt cách xa nhau 10km và hoạt động tương quan với nhau theo phương pháp này là trộn tín hiệu thu được từ mỗi ăngten với nhau. Theo những định luật quang học thì sự trộn tín hiệu làm tăng khả năng phân giải của viễn kính.

Trên thực tế, một dãy ăngten thường được sử dụng để gia tăng thêm cả độ nhạy của hệ thống giao thoa. Hệ thống ăngten VLA (Very Lara Array) gồm có 27 ăngten, mỗi ăngten có đường kính 25m, đặt tại tiểu bang Mexico - Hoa Kỳ hoạt động trên những bước sóng cm và mm. Những ăngten của hệ thống VLA được xếp đặt theo quỹ đạo hình chữ Y. Khoảng cách tối đa giữa những ăngten khoảng 35km. Hệ thống giao thoa của VLA có giới hạn phân giải tương đương với một ăngten có đường kính 35km và có khả năng phân tách được những chi tiết nhỏ bằng ngọn nến cách xa ít nhất 4km. Khoảng cách giữa những ăngten càng xa bao nhiêu thì chi tiết của Thiên thể càng rõ bấy nhiêu. Mỗi năm có hơn 500 nhà vật lý thiên văn trên khắp thế giới sử dụng ăngten VLA. Hiện nay có một mạng lưới giao thoa quốc tế dùng khoảng một chục ăngten cách xa nhau hàng nghìn km, đặt trên các lục địa để có những gới hạn phân giải thật nhỏ. Có những đề án của Nga, Nhật và cộng đồng châu Âu dự định phóng những ăngten quay trên quỹ đạo quanh Trái đất để tăng khoảng cách giữa những ăngten dùng quan sát những thiên hà và các chòm sao xa lắc có kích thước góc cực nhỏ. những hệ thống giao thoa này có khả năng phân tích những chi tiết nhỏ bằng một ngọn nến đặt trên Mặt trăng.

Hệ thống ăngten VLA (Ảnh: astro.nmsu.edu)