Vũtrụkhông nhìn thấy
(1)
Michael Rowan-Robinson
Khi chúng ta nhìn vào bầu trờiđêm trong sáng, chúng ta thấy chỉmột phần
của cái mà vũtrụchứa trong nó: chủyếu là các ngôi sao trong thiên hà của chúng
ta phát sáng trong dải bước sóng khảkiến hẹp từ390 đến 750 nm.
Các kính thiên văn quang họcđã mởrộng tầm nhìn đó đến những thiên hà xa
xôi, nhưng chỉtrong thếkỉqua hay chừng khoảng thời gian ấy, khi chúng ta bắt
đầu quan sát một ngưỡng rộng những bước sóng điện từkhông nhìn thấy, thì vở
kịch tổng thểcủa vũtrụmớiđược vén màn bí ẩn.
Bức xạkhông nhìn thấyđầu tiên được phát hiện ra là nằm trong vùng hồng
ngoại, ởnhững bước sóng từ750 nm đến 1 mm. Nó được phát hiện ra vào năm
1800 khi nhà thiên văn học na Anh William Herschel sửdụng một lăng kính để
phân tách ánh sáng mặt trời và nhìn thấy mực thủy ngân của một nhiệt kế đặt
ngoài đầuđỏ của quang phổbắtđầu dâng lên.
Thiên văn học hồng ngoại ra đời vào thập niên 1960. Nó nghiên cứu các vật
thểtrong vũtrụ ở những nhiệtđộ từ10 đến 100 kelvin: các tiểu hành tinh, sao
chổi, bụi giữa các sao, những ngôi sao mới chào đời và các thiên hà.
Môi trường giữa các sao của cặpđôi thiên hà Anten chỉphát ra phổhồng
ngoại – nó trông tốiđen tại bước sóng ánh sáng mà mắt chúng ta có thểnhìn thấy.
(Ảnh: NASA/ESA/HHT/STSCI/AURA)
Từbụiđến bụi
Nguồn phát đáng kểnhất của ánh sáng hồng ngoạiđi tớitrái đấtlà môi
trường giữa các sao. Hỗn hợp khí và bụi này tràn khắp không gian giữa các sao
trong các thiên hà và có nhiệtđộ từ10 đến 50 kelvin. Nó chỉphát xạtrong vùng
hồng ngoại, và làm lu mờánh sáng nhìn thấy phát ra từnhững ngôi sao ởxa, làm
đỏ hóa màu sắc của chúng.
Ảnh chụp trực tiếpđầu tiên của bụi giữa các sao xuất hiện vào năm 1983 với
Vệtinh Thiên văn học Hồng ngoại (IRAS), một chiếc kính thiên văn vũtrụdo Mĩ,
Hà Lan và Anh quốc tài trợ.Đó là một thời khắcđáng nhớtrong lịch sửthiên văn
học. Việc quan sát bụi giữa các sao cho phép chúng ta nhìn thoáng qua chu kì trọn
vẹn của cuộc sống và cái chết của ngôi sao, cảsựhình thành của những ngôi sao và
hệhành tinh mới từbụi – thỉnh thoảng trong những đợt dữdội nhưkhi các thiên
hà xa xôi va chạm nhau – từlâu trước khi những ngôi sao này trởnên khảkiến
trước các kính thiên văn quang học. Một thí dụtiêu biểu là cặp thiên hà đang ló
dạng tên gọi là Anten, cách chúng ta khoảng 45 triệu năm ánh sáng: những vùng
hồng ngoại sáng nhất của chúng là tốiđen ởnhững bước sóng nhìn thấy.
Các quan sát hồng ngoại còn cho biết những ngôi sao đang qua đời tống ra
các đám mây bụi và khí, làm đầy thêm môi trường giữa các sao. Bụiđó chủyếu là
silicate và carbon vô định hình – cát và bồhóng. Sựsản sinh chất bụi này là thiết
yếu cho sựtồn tại của chúng ta: mỗi nguyên tửcarbon trong cơthểchúng ta được
tạo ra trong lõi của một ngôi sao, nó được giải phóng ra khi ngôi sao qua đời, và
trôi giạt trong môi trường giữa các sao trước khi bịhút vào hệmặt trờicủa chúng
ta.
Những thếgiới khác
Kính thiên văn vũtrụhồng ngoại chuyên dụng đầu tiên, IRAS, tìm thấy các
đĩa bụi cùng những mảnh vỡkhác xung quanh một sốngôi sao sáng, mang lại
phương pháp tìm kiếm các hệhành tinh. Các khảo sát hồng ngoại kểtừ đó đã phát
hiện ra nhiềuđĩa mảnh vỡvà các hành tinh đang trong quá trình hình thành.
Các hành tinh ngoài hệmặt trờihình thành trọn vẹn nhấtđã được các kính
thiên văn quang học phát hiện ra hoặc qua sựbiến thiên nhỏcủa vận tốc ngôi sao
khi hành tinh quay xung quanh nó, hoặc sựgiảmđi rất ít độ sáng của ngôi sao khi
hành tinh đi qua phía trước ngôi sao. Các thiết bịhồng ngoại, nhưKính thiên văn
vũtrụSpitzer, có vai trò bổsung quan trọng. Chúng tìm kiếm “Mộc tinh nóng”,
những hành tinh nặng quỹ đạo gần, khi chúng đi qua phía trước ngôi sao chủ.
Một thiết bịhồng ngoại trên Kính thiên văn Rất Lớn củaĐài thiên văn Nam
châu Âu là thiết bị đầu tiên cung cấp mộtảnh chụp trực tiếp của một hành tinh
ngoài hệmặt trời. Vật thểnày, đang quay xung quanh một ngôi sao lùn nâu, nặng
hơn Mộc tinh đến năm lần.
Các nguồn gốc thiên hà
Vì các quan sát hồng ngoại do thám các ngôi sao khi chúng hình thành và qua
đời, nên chúng ta có thểsửdụng để nhìn ngược vềthời gian, tìm hiểu xem các ngôi
sao và thiên hà đã hình thành nhưthếnào trong lịch sửvũtrụgần nhưxa đến tận
thời Big Bang.
Khi Tàu khảo sát Bức xạnền Vũtrụ(COBE) của NASA, sứmệnh vũtrụphóng
lên quỹ đạo vào năm 1999, đođược toàn bộbức xạnềnởcác bước sóng milimet
và dưới milimet, nó tìm thấy một sự đóng góp mạnh mẽtừnhững thiên hà ởxa.
Hóa ra hơn một nửa năng lượng phát ra bởi những ngôi sao xa xôi ởcác bước sóng
quang học và tửngoại bịhấp thụbởi bụi giữa các sao và phát xạtrởlại trong vùng
hồng ngoại trước khi nó đi tới chúng ta, mang lại cơsởhồng ngoại cho kiến thức
vũtrụcủa chúng ta.
Bức xạhồng ngoại còn quan trọng trong việc tìm hiểu xem các thiên hà đầu
tiên nhấtđã phát sinh nhưthếnào. Vũtrụhiệnđang giãn nở, nghĩalàđa sốcác
thiên hà đang lùi ra xa chúng ta và bức xạmà chúng phát ra chịu sựdịch chuyển
Doppler sang những bước sóng dài hơn. “Sựlệch đỏ” này có nghĩa là ánh sáng khả
kiến phát ra từcác thiên hà xa xôi nhấtđã biết, phát ra trong những tỉnămđầu
tiên sau Big Bang, bịkéo giãn sang những bước sóng hồng ngoại khi nó đi tới chỗ
chúng ta.
Thiết bịsao: Herschel
Đa sốbước sóng hồng ngoại bịhấp thụbởi nước và carbon dioxide trong khí
quyển, với chỉmột vài “cửa sổ” phổhồng ngoại hẹpđi tớiđược mặtđất. Do đó, các
kính thiên văn hồng ngoại phảiđược lắpđặt trên đỉnh núi, hoặc tốt hơn là trong
không gian.
Nhà vô địch hiện nay trong vương quốc hồng ngoại là kính thiên văn
Herschel của Cơquan Vũtrụchâu Âu, nó bắtđầu hoạtđộng vào năm 2009. Nó là
chiếc kính thiên văn lớn nhất từng đượcđưa lên quỹ đạo, và nó mang theo một
quang phổkếcùng hai camera bao quát các bước sóng từ70 đến 500 micromet.
Toàn bộthiết bịnày phảiđược làm lạnh xuống nhiệtđộ gần không độ tuyệtđốiđể
ngăn sựphát xạhồng ngoại riêng của kính ảnh hưởng đến các phép đo.
Trong khi dữliệu mà kính Herschel thu thậpđang trong quá trình phân tích,
thì chiếc kính thiên văn này vẫn tiếp tục cung cấp một sốhình ảnh ngoạn mục của
các đám mây bụi dạng sợi mảnh giữa các sao trong đó các ngôi sao có thể đang
hình thành, cũng như ảnh của các thiên hà với những lượng lớn bất ngờcủa khí
bụi rất lạnh mà những nghiên cứu trướcđâyđã bỏqua.