Con người nhận thức vũ trụ bằng ánh sáng khả kiến mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt. Tuy nhiên, có nhiều thứ trong vũ trụ hơn những gì chúng ta thấy bằng cách sử dụng ánh sáng khả kiến phát ra từ các ngôi sao, hành tinh, tinh vân và thiên hà. Những vật thể và sự kiện xảy ra trong vũ trụ cũng phát ra các dạng phóng xạ khác, bao gồm cả phát xạ vô tuyến. Những tín hiệu tự nhiên đó chiếm một phần quan trọng trong vũ trụ về cách thức và lý do tại sao các vật thể trong vũ trụ vận hành như chúng đã, đang làm.
Tech Talk: Sóng vô tuyến trong thiên văn học
Sóng vô tuyến là sóng điện từ (ánh sáng), nhưng chúng ta không thể nhìn thấy chúng. Chúng có bước sóng trong khoảng từ 1 milimé đến 100 km. Về tần số, con số này tương đương với 300 Gigahertz (một Gigahertz tương đương với một tỷ Hertz) và 3 kilohertz. Hertz (viết tắt là Hz) là đơn vị đo tần số thường được sử dụng. Một Hertz bằng một chu kỳ tần số. Vì vậy, tín hiệu 1 Hz là một chu kỳ mỗi giây. Hầu hết các vật thể vũ trụ phát ra tín hiệu ở hàng trăm đến hàng tỷ chu kỳ mỗi giây.
Mọi người thường nhầm lẫn giữa phát xạ “radio” với những thứ mà mọi người có thể nghe thấy. Điều đó phần lớn là do chúng ta sử dụng radio để liên lạc và giải trí. Nhưng, con người không “nghe” được tần số vô tuyến từ các vật thể vũ trụ. Tai của chúng ta có thể cảm nhận được tần số từ 20 Hz đến 16.000 Hz (16 KHz). Hầu hết các vật thể vũ trụ phát ra ở tần số Megahertz, cao hơn nhiều so với tai nghe. Đây là lý do tại sao thiên văn vô tuyến (cùng với tia X, tia cực tím và hồng ngoại) thường được cho là tiết lộ một vũ trụ “vô hình” mà chúng ta không thể nhìn thấy hay nghe thấy.
Nguồn phát sóng vô tuyến trong vũ trụ
Sóng vô tuyến thường được phát ra bởi các thiên thể và các hoạt động mạnh mẽ trong vũ trụ. Mặt trời là nguồn phát xạ vô tuyến gần nhất ngoài Trái đất. Sao Mộc cũng phát ra sóng vô tuyến, cũng như các sự kiện xảy ra tại Sao Thổ.
Một trong những nguồn phát xạ vô tuyến mạnh nhất ngoài hệ mặt trời và ngoài dải ngân hà Milky Way, đến từ các thiên hà hoạt động (AGN). Những thiên thể động này được cung cấp năng lượng bởi các lỗ đen siêu lớn ở lõi của chúng. Ngoài ra, nguồn động lực lỗ đen này sẽ tạo ra các tia vật chất khổng lồ phát sáng rực rỡ với lượng phát xạ vô tuyến. Chúng thường có thể vượt trội hơn toàn bộ thiên hà ở tần số vô tuyến.
Sao xung – Pulsar, hay sao neutron quay, cũng là nguồn phát sóng vô tuyến mạnh. Những thiên thể nhỏ gọn, mạnh mẽ này được tạo ra khi những ngôi sao khổng lồ chết dưới dạng siêu tân tinh. Chúng chỉ đứng thứ hai sau các hố đen về mật độ cuối cùng. Với từ trường mạnh và tốc độ quay nhanh, những thiên thể này phát ra phổ bức xạ rộng và chúng đặc biệt “sáng” trong radio. Giống như các lỗ đen siêu lớn, các tia vô tuyến mạnh mẽ được tạo ra, phát ra từ các cực từ hoặc ngôi sao neutron quay tròn.
Nhiều sao xung pulsar được gọi là “pulsar radio” vì sự phát xạ vô tuyến mạnh của chúng. Trên thực tế, dữ liệu từ Kính viễn vọng không gian tia Gamma Fermi cho thấy bằng chứng về một loại mới của sao xung xuất hiện mạnh nhất trong tia gamma thay vì radio phổ biến hơn. Quá trình sáng tạo của chúng vẫn giống nhau, nhưng lượng phát xạ của chúng cho chúng ta biết nhiều hơn về năng lượng liên quan đến từng loại thiên thể.
Bản thân tàn dư siêu tân tinh có thể là nguồn phát sóng vô tuyến đặc biệt mạnh. Tinh vân Con cua nổi tiếng với các tín hiệu vô tuyến đã cảnh báo nhà thiên văn học Jocelyn Bell về sự tồn tại của nó.
Thiên văn vô tuyến
Thiên văn vô tuyến là nghiên cứu các thiên thể và quá trình trong không gian phát ra tần số vô tuyến. Mỗi nguồn được phát hiện cho đến nay là một nguồn tự nhiên. Phát xạ được thu gom trên Trái đất bằng kính viễn vọng vô tuyến. Đây là những dụng cụ lớn, vì nó là điều cần thiết cho bộ phân dò phải lớn hơn bước sóng có thể phát hiện. Vì sóng vô tuyến có thể lớn hơn một mét (đôi khi lớn hơn nhiều), nên phạm vi thường vượt quá vài mét (đôi khi là 30 feet trở lên). Một số bước sóng có thể lớn như một ngọn núi, và vì vậy các nhà thiên văn học đã chế tạo các mảng kính viễn vọng vô tuyến mở rộng.
Diện tích thu thập càng lớn, so với kích thước sóng, độ phân giải góc của kính thiên văn vô tuyến càng tốt. (Độ phân giải góc là thước đo mức độ gần nhau của hai vật thể nhỏ trước khi chúng không thể phân biệt được.)
Giao thoa vô tuyến
Vì sóng vô tuyến có thể có bước sóng rất dài, nên kính thiên văn vô tuyến tiêu chuẩn cần phải rất lớn để có được bất kỳ loại chính xác nào. Nhưng vì việc xây dựng các kính thiên văn vô tuyến kích thước sân vận động có thể chi phí chi phí sẽ rất lớn (đặc biệt là nếu bạn muốn chúng có bất kỳ khả năng lái nào), một kỹ thuật khác là cần thiết để đạt được kết quả mong muốn.
Được phát triển vào giữa những năm 1940, giao thoa vô tuyến nhằm đạt được độ phân giải góc sẽ đến từ những chiếc đĩa cực kỳ lớn mà không phải tốn chi phí. Các nhà thiên văn học đạt được điều này bằng cách sử dụng nhiều máy dò song song với nhau. Mỗi máy nghiên cứu cùng một đối tượng cùng lúc với những máy khác.
Hoạt động cùng nhau, các kính thiên văn này hoạt động hiệu quả như một kính thiên văn khổng lồ có kích thước của toàn bộ nhóm máy dò cộng lại. Ví dụ, Very Large Baseline Array có khoảng dò 8.000 dặm. Lý tưởng nhất là một loạt nhiều kính thiên văn vô tuyến ở các khoảng cách tách khác nhau sẽ phối hợp với nhau để tối ưu hóa kích thước hiệu quả của khu vực thu thập cũng như cải thiện độ phân giải của thiết bị.
Với việc tạo ra các công nghệ giao tiếp và thời gian tiên tiến, người ta có thể sử dụng các kính viễn vọng tồn tại ở khoảng cách rất xa với nhau (từ các điểm khác nhau trên toàn cầu và thậm chí trên quỹ đạo quanh Trái đất). Được gọi là Giao thoa đường cơ sở rất dài (VLBI), kỹ thuật này cải thiện đáng kể khả năng của các kính thiên văn vô tuyến riêng lẻ và cho phép các nhà nghiên cứu thăm dò một số thiên thể động nhất trong vũ trụ.
Mối quan hệ của Vô tuyến với Bức xạ Vi sóng
Dải sóng vô tuyến cũng chồng lấp với dải vi sóng (1 milimet đến 1 mét). Trên thực tế, thứ thường được gọi là thiên văn vô tuyến, thực sự là thiên văn vi sóng, mặc dù một số thiết bị vô tuyến phát hiện bước sóng vượt quá 1 mét.
Đây là một nguồn gây nhầm lẫn vì một số ấn phẩm sẽ liệt kê riêng băng tần vi sóng và băng tần vô tuyến, trong khi các ấn phẩm khác chỉ đơn giản sử dụng thuật ngữ “Radio – Vô tuyến” để bao gồm cả băng tần radio cổ điển và băng tần vi sóng.
John P. Millis, Ph.D & Carolyn Collins Petersen
