Con người nhận thức vũ trụ bằng cách sử dụng ánh sáng khả kiến mà chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt. Tuy nhiên, vũ trụ còn nhiều thứ hơn những gì chúng ta có thể 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 này trong vũ trụ cũng phát ra các dạng bức xạ khác, bao gồm cả phát xạ vô tuyến. Những tín hiệu tự nhiên đó điền vào một phần quan trọng của vũ trụ về cách thức và lý do tại sao các vật thể trong vũ trụ hoạt động như chúng.
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 từ 1 milimet đến 100 km. Về tần số, con số này tương đương với 300 Gigahertz (một Gigahertz bằng một tỷ Hertz) và 3 kilohertz. Hertz (viết tắt là Hz) là một 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 trên giây. Hầu hết các vật thể vũ trụ phát ra tín hiệu với tốc độ hàng trăm đến hàng tỷ chu kỳ mỗi giây.
Mọi người thường nhầm lẫn giữa phát xạ “radio” với 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 thấy” tần số vô tuyến từ các vật thể vũ trụ. Tai của chúng ta có thể cảm nhận các tần số từ 20 Hz đến 16.000 Hz (16 KHz). Hầu hết các vật thể vũ trụ đều phát ra ở tần số Megahertz, cao hơn nhiều so với tần số tai nghe được. Đây là lý do tại sao thiên văn học vô tuyến (cùng với tia X, tia cực tím và tia hồng ngoại) thường được cho là tiết lộ một vũ trụ “vô hình” mà chúng ta không thể nhìn thấy cũng không nghe thấy.
Nguồn sóng vô tuyến trong vũ trụ
Sóng vô tuyến thường được phát ra bởi các vật thể và hoạt động năng lượng trong vũ trụ. Mặt trời là nguồn phát xạ vô tuyến gần Trái đất nhất. 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 bên ngoài hệ mặt trời, và ngoài dải Ngân hà, đến từ các thiên hà đang hoạt động (AGN). Các vật thể động này được cung cấp năng lượng bởi các lỗ đen siêu lớn ở lõi của chúng. Ngoài ra, những động cơ lỗ đen này sẽ tạo ra những tia vật chất khổng lồ phát sáng rực rỡ nhờ phát xạ vô tuyến. Chúng thường có thể vượt xa toàn bộ thiên hà về tần số vô tuyến.
Sao băng, hay sao neutron quay, cũng là nguồn phát sóng vô tuyến mạnh. Những vật thể rắn chắc này được tạo ra khi các ngôi sao lớn chết đi dưới dạng siêu tân tinh. Chúng chỉ đứng sau lỗ đen về mật độ tối thượng. Với từ trường mạnh và tốc độ quay nhanh, những vật thể này phát ra một phổ bức xạ rộng, và chúng đặc biệt “sáng” trong sóng vô tuyến. Giống như các lỗ đen siêu lớn, các phản lực vô tuyến mạnh được tạo ra, phát ra từ các cực từ hoặc sao neutron quay.
Nhiều sao xung được gọi là “sao xung vô tuyến” bởi vì chúng có khả năng phát xạ vô tuyến mạnh. Trên thực tế, dữ liệu từ Kính viễn vọng Không gian Tia Gamma Fermi đã cho thấy bằng chứng về một loại sao xung mới xuất hiện mạnh nhất ở tia gamma thay vì vô tuyến phổ biến hơn. Quá trình tạo ra chúng vẫn giống nhau, nhưng sự phát thải của chúng cho chúng ta biết nhiều hơn về năng lượng liên quan đến từng loại vật thể.
Bản thân tàn dư của siêu tân tinh có thể là những chất phát ra sóng vô tuyến đặc biệt mạnh. Tinh vân Con Cua (Crab Nebula) nổi tiếng với những tín hiệu vô tuyến cảnh báo cho nhà thiên văn học Jocelyn Bell về sự tồn tại của nó.
Thiên văn vô tuyến
Thiên văn học vô tuyến là nghiên cứu về các đối tượng và quá trình trong không gian phát ra tần số vô tuyến. Mọi nguồn được phát hiện cho đến nay đều là nguồn xuất hiện tự nhiên. Phát xạ được thu nhận ở đây trên Trái đất bằng kính viễn vọng vô tuyến. Đây là những dụng cụ lớn, vì nó cần thiết cho vùng phát hiện lớn hơn các bước sóng có thể phát hiện được. Vì sóng vô tuyến có thể lớn hơn một mét (đôi khi lớn hơn nhiều), phạm vi thường vượt quá vài mét (đôi khi ngang 30 feet hoặc hơn). Một số bước sóng có thể lớn như một ngọn núi, và do đó, các nhà thiên văn học đã chế tạo các dãy kính viễn vọng vô tuyến mở rộng.
Diện tích thu thập càng lớn, so với kích thước sóng, thì kính thiên văn vô tuyến có độ phân giải góc càng tốt. (Độ phân giải góc là thước đo mức độ gần của hai vật thể nhỏ trước khi chúng không thể phân biệt được.)
Giao thoa kế vô tuyến
Vì sóng vô tuyến có thể có bước sóng rất dài, 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 kính viễn vọng vô tuyến kích thước sân vận động có thể rất tốn kém (đặc biệt nếu bạn muốn chúng có bất kỳ khả năng lái nào), nên cần có một kỹ thuật khác để đạt được kết quả mong muốn.
Được phát triển vào giữa những năm 1940, phép đo giao thoa vô tuyến nhằm mục đích đạt được loại độ phân giải góc có được từ các đĩa cực lớn mà không tốn kém chi phí. Các nhà thiên văn đạt được điều này bằng cách sử dụng nhiều máy dò song song với nhau. Mỗi thiết bị nghiên cứu cùng một đối tượng cùng lúc với những thiết bị khác.
Các kính thiên văn này hoạt động cùng nhau hiệu quả giống như một kính thiên văn khổng lồ có kích thước bằng cả nhóm máy dò cùng nhau. Ví dụ, Very Large Baseline Array có các máy dò cách nhau 8.000 dặm. Lý tưởng nhất là một loạt nhiều kính thiên văn vô tuyến ở các khoảng cách tách biệt khác nhau sẽ làm việc cùng 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 liên lạc và thời gian tiên tiến, người ta đã có thể sử dụng các kính thiên văn 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 kế 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 vật thể năng động nhất trong vũ trụ.
Mối quan hệ của radio với bức xạ vi sóng
Dải sóng vô tuyến cũng chồng lên dải vi ba (1 mm đến 1 mét). Trên thực tế, cái thường được gọi là thiên văn học 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 băng tần vi ba và băng tần vô tuyến riêng biệt, trong khi những ấn phẩm khác sẽ chỉ đơn giản sử dụng thuật ngữ “radio” để bao gồm cả băng tần vô tuyến cổ điển và băng tần vi ba.
John P. Millis, Ph.D, Carolyn Collins Petersen.
