Tương lai của khoa học
hậu laser
Từnhững hình ảnh thiên văn sắc nét và tìm kiếm các sóng hấp dẫn cho đến
việc tạo ra các ngưng tụBose–Einstein và đo các tính chất của ADN, laser đã có sự
tác động hết sức to lớn trên nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học. Ở đây, sáu vị
chuyên gia hồi tưởng lại câu chuyệnlaser đã mang đến sựtiến bộnhưthếnào cho
những lĩnh vực yêu thích của họ- và tranh luận xem rồiđây laser đã mang những
lĩnh vực này đi tớiđâu nữa.
Ảnh: Hank Morgan/Science Photo Library
Thiên văn học
Claire Max
Claire Max là nhà thiên văn học và là giám đốc Trung tâm Quang học Thích
nghi tại trường Đại học California, Santa Cruz, Mĩ.
Chúng ta ai cũng biết rằng các nhiễu loạn trong khí quyển làm cho các ngôi
sao nhấp nháy, nhưng nó còn làm mờ đi nghiêm trọng đối với các ảnh chụp thiên
văn. Newton đã nhận ra điều này tận hồi năm 1730, khi ông viết trong quyển
Opticks rằng “Không khí mà qua đó chúng ta nhìn lên các Ngôi sao, luôn luôn bị
Rung động... Phương thức chữa duy nhất là Không khí trong trẻo nhất và tĩnh lặng
nhất, thí dụnhưkhông khí người ta có thểtìm thấy trên đỉnh những Ngọn núi cao
nhất trên nhất tầng mây”.
Trên lí thuyết, các kính thiên văn có đường kính càng lớn sẽcó thểphân giải
những chi tiết càng nhỏtrong các ảnh chụp thiên văn. Nhưng sựnhòe ảnh do nhiễu
loạn khí quyển gay gắtđến mức ngay cảnhững chiếc kính thiên văn mặtđất lớn
nhất ngày nay (đường kính 8 – 10 m) cũng chẳng trông rõ hơn bao nhiêu so với
các kính thiên văn 20 cm dùng trong vườn nhà mà nhiều nhà thiên văn nghiệp dư
sửdụng trong những buổi tối cuối tuần.
Để khắc phục tình hình này, các nhà thiên vănđã chuyển sang quang học
thích nghi, một kĩthuậtđoảnh chộp nhanh của nhiễu loạn khí quyển rồi sau đó
hiệu chỉnh cho sựbiến dạng quang thu được sửdụng một cái gương có khảnăng
biến dạng đặc biệt (thường là một cái gương nhỏ đặt phía sau gương chính của
kính thiên văn). Vì sựnhiễu loạn trong khí quyển thay đổi liên tục theo thời gian,
nên những phép đo và hiệu chỉnh này phảiđược thực hiện hàng trăm lần mỗi giây.
Những hệquang học thích nghi ban đầu sửdụng ánh sáng phát ra những
một ngôi sao sáng để đo sựnhiễu loạn. Tuy nhiên, đa sốcác vật thểthiên văn muốn
nghiên cứu không có những ngôi sao sáng ở đủ gần, vì thếsựbao quát bầu trời của
quang học thích nghi khá hạn chế. Sau đó, vào đầu những năm 1980, các nhà thiên
văn nhận ra rằng họcó thểsửdụng một laser để tạo ra một “ngôi sao” nhân tạo
thay thếcho ngôi sao tựnhiên. Sựsáng suốt này đã mởrộng đáng kểphạm vi bao
quát của các hệquang thích nghi, vì các laser có thểchiếu vào hướng của bất kì
mục tiêu quan sát nào trên bầu trời. Trogn 5 năm qua, những hệquang thích nghi
“ngôi sao dẫn hướng” bằng laser này đã thật sựmang lại thành quả,đến mức mỗi
chiếc kính thiên văn chính 8 – 10 m ngày nay đều chưng diện hệthống đèn hiệu
laser của riêng nó.
Các laser dùng trong những đèn hiệu này có công suất trung bình đáng nể
chừng 5 – 15 W (mộtđèn trỏlaser tiêu biểu, trái lại, có công suất chưa tới 1 mW).
Thật vậy, các dựluật liên bang yêu cầu các đài thiên văn Mĩphải tắtđèn laser của
họkhi có máy bay đang tiếnđến gần; các đài thiên văn cũng phảiđệ trình các kế
hoạch quan sát của họvới Bộchỉhuy Vũtrụ để tránh va chạm với những tài sản vũ
trụnhạy cảm.
Hai loại laser đang chiếmưu thế. Thứnhất là một hệchếtạo theo đơnđặt
hàng phát ra vạch cộng hưởng vàng 589 nm của sodium trung hòa, tạo ra một ngôi
sao dẫn hướng ở độ cao khoảng 95 km bằng cách kích thích các nguyên tửsodium
có mặt tựnhiên trong khí quyển tầng trên củatrái đất. Loại thứhai phát ra bước
sóng màu lục hoặc thậm chí bước sóng cực tím và sửdụng sựtán xạRayleigh của
các phân tửvà hạt bụi trong khí quyểnđể tạo ra một ngôi sao dẫn hướng ở độ cao
15-20 km. Ưuđiểm của laser xanh và laser tửngoại là chúng có sẵn trên thịtrường,
khiến chúng rẻtiền hơn là dùng các hệquang thích nghi khai thác ánh sáng màu
vàng.
Nhờquang học thích nghi ngôi sao dẫn hướng bằng laser, các kính thiên văn
8-10 m ngày nay đã có độ phân giải không gian tốt hơnởnhững bước sóng quan
sát hồng ngoại so với Kính thiên văn vũtrụHubble, đơn giản là vì kích cỡlớn của
những chiếc gương của chúng. Những chiếc kính thiên văn khổng lồ đã đề xuất, thí
dụnhưKính thiên văn Ba mươi mét, Kính thiên văn Magellan Lớn, và Kính thiên
văn Cực Lớn châu Âu, đều có kếhoạch sửdụng nhiều ngôi sao dẫn hướng bằng
laser đồng thời. Điều này sẽcho phép các nhà thiên vănđo, và hiệu chỉnh, sựnhiễu
loạn khí quyển trong toàn bộcột không khí 3D phía trên kính thiên văn. Những hệ
laser bội này sẽsửdụng các kĩthuật xạquang – tương tựnhưkĩthuật dùng trong
máy quét xạquang trụcđã lập trình hóa của kĩthuật chụpảnh y khoa – để tái dựng
lạiđặc trưng nhiễu loạn, cho phép sựhiệu chỉnh quang thích nghi trên trường nhìn
rộng hơn nhiều so với cái chúng ta có thểngày nay.