Tải bản đầy đủ
PHƯƠNG PHÁP THIÊN VĂN VẬT LÝ

PHƯƠNG PHÁP THIÊN VĂN VẬT LÝ

Tải bản đầy đủ

thu được các tín hiệu đủ độ tin cậy để phân tích, so sánh phổ hấp thụ, phổ vạch để
tìm hiểu bản chất các nguyên tử, phân tử của các thiên thể.
Sự phát xạ liên tục có 2 nguồn chính:
- Bức xạ nhiệt do vật thể không trong suốt bị nung nóng hoặc các đám mây
khí có các electron tự do chuyển động hỗn loạn.
- Bức xạ phi nhiệt do các đám mây khí có các electron năng lượng cao
chuyển động nhanh được gia tốc trong từ trường.
Sau đây, ta xét các nguồn bức xạ này.
1.1.1. Bức xạ nhiệt và vật đen tuyệt đối
Ta biết rằng, một vật đen tuyệt đối có tính chất hấp thụ tất cả các bức xạ ở
mọi bước sóng. Nó cũng là vật phát xạ lý tưởng. Năng suất phát xạ Ελ là năng
lượng bức xạ của 1 m2 bề mặt theo mọi phương trong 1s lấy trong khoảng phổ λ
÷ λ+dλ tính theo công thức Planck:
E λ dλ =

2c 2 πh
λ5

1
e

hc
λkT


−1

Lấy một diện tích dS trên bề mặt S của vật đen tuyệt đối nằm trong 1 góc
khối dω hướng tới nơi quan sát thìa độ chói của vật đó chỉ phụ thuộc nhiệt độ T
và bước sóng λ:
Bλ =

2c 2 h
λ5

1
e

hc
λkT

.Từ công thức Planck cho: λmax.T= 2,898.10-3m.K.
−1

Công thức Wien cho thấy một sao có nhiệt độ bề mặt khoảng 6000 K có:
λmax= 480nm (xanh lam) và T = 3000K có λmax = 1µm (hồng ngoại).
Năng lượng toàn phần Eλ tỷ lệ với năng suất bức xạ toàn phần theo công
thức R(T) = σ.T4 với σ = 5,67.10-8w/m2.K4, cho thấy năng lượng tăng nhanh theo
nhiệt độ. Cùng một diện tích, sao xanh lam phát ra nhiều năng lượng hơn sao màu
đỏ.
Khi thỏa mãn điều kiện (hν/kT) << 1 thì theo định luật Rayleigh-Jean độ
chói Bλ = 2kT.λ-2. Ở bước sóng xác định có nhiệt độ T xác định và tỷ lệ với độ
chói. Trong thiên văn vô tuyến, công thức này được dùng để đo các sóng cỡ cm.
1.1.2. Phát xạ nhiệt từ các khí bị ion hóa
Các đám mây khí giữa các sao bị nung nóng và bị ion hóa bởi các photon có
bước sóng tử ngoại phát ra từ các sao. Khi đó, các electron bứt ra từ các nguyên
tử hydro trung hòa và phát bức xạ nhiệt bị đổi hướng bởi các proton giống quá
trình tạo bởi điện trở bị đốt nóng.

49

Bằng quan sát vô tuyến cho thấy đám mây khí bị ion hóa có nhiệt độ chói
là: Tb = Te-Te.exp(-τ), trong đó Te là nhiệt độ của electron còn τ là độ dày quang
học (độ chắn sáng) và là một hàm phụ thuộc độ dày của đám mây, nhiệt độ và
mật độ electron.
Hệ thức chứng tỏ độ chói Tb của một nguồn vô tuyến đang phát bức xạ nhiệt
không cao hơn Te. Nếu đám mây rất mỏng τ << 1 thì Tb ∼ τTe.Với nguồn phát dày
τ >> 1 thì Tb = Te đóng vai trò như vật đen tuyệt đối.
Sự phát bức xạ nhiệt liên tục từ các vùng chứa H 2 bị ion hóa phát hiện thấy
trong miền sóng khả kiến và sóng vô tuyến.
Những miền này gọi là miền HII thường chứa các sao trẻ đang ở giai đoạn
hình thành (tiền sao). Nó phát bức xạ nhiệt vô tuyến và là thành phần nhiệt thấy
nhiều trong dải Ngân Hà.
1.1.3. Bức xạ synchrotron phi nhiệt
Quan sát ở nhiều tinh vân có nhiệt độ chói hơn 100.000K không thể giải
thích là do bức xạ nhiệt mà do các electron có năng lượng cao chuyển động xoắn
ốc trong từ trường. Do đó không thể xác định nhiệt độ trực tiếp qua cường độ
quan sát được. Ta xét vai trò của từ trường trong trường hợp này. Khi cho rằng
electron chuyển động trong từ trường với vận tốc tương đối tính thì nó có quỹ


đạo xoắn ốc (synchrotron) với trục chuyển động song song vec-tơ H .
Bức xạ tập trung trong một góc nón hẹp Ψ = m0c2/E, vì m0c2 ≈ 0,5MeV nên
Ee = 1GeV cho Ψ ≈ 1,7” cung.
Xung bức xạ quan sát là một loạt xung lặp với tần số nhanh giống như một
phổ chuẩn liên tục.
Tần số bức xạ synchrotron đạt giá trị cực đại là vmax ≈ 16HvE2 thì tần số đạt
cỡ MHz còn E cỡ GeV, nếu H v đạt cỡ 10-10T thì tần số nằm ở vùng vô tuyến và
năng lượng của e- đạt cỡ hàng ngàn GeV phát xạ ở vùng khả kiến.
Từ trường giữa các sao đã được phát hiện có độ lớn trung bình cỡ 10 -10 ÷
10-9T.
Nguồn bức xạ phi nhiệt này thấy ở các vụ nổ sao siêu mới (khoảng 100 năm
có một vụ), hiện đang tiếp tục được quan tâm nghiên cứu để phát hiện quá trình
tiến hóa của các sao.
1.2. Sự phát xạ vạch. Quang phổ học
Quang phổ của các thiên thể gồm các vạch phát xạ và liên tục. Khi lớp khí
có trong khí quyển của sao nóng hơn bề mặt của nó thì sẽ phát ra một dãy các
vạch phổ đặc trưng của từng loại nguyên tố khác nhau. Nếu khí nguội hơn mặt
50

sao thì sẽ hấp thụ năng lượng của phổ liên tục ở một số bước sóng nhất định và sẽ
cho một dãy các vạch phổ hấp thụ đặc trưng.
Việc phân tích quang phổ sẽ giúp các nhà thiên văn xác định được các thành
phần hóa học của khí quyển sao và các đám mây giữa các sao. Các thiết bị nghiên
cứu quang phổ sao thường là phổ kế, cách tử nhiễu xạ cho phổ thu được ghi trên
các máy thu điện tử hay kính ảnh. Phổ kế vô tuyến thường dùng để phân tích các
tín hiệu vô tuyến của các thiên thể ...
Để nghiên cứu sự dịch chuyển của các thiên thể, hiệu ứng Doppler góp phần
quan trọng trong việc phát hiện sự dịch chuyển của bước sóng khi các thiên thể
tiến ra xa hay lại gần nơi quan sát.
2. Các thiết bị kỹ thuật nghiên cứu thiên văn
Sinh viên đọc thêm để tìm hiểu từ các tài liệu đã được giới thiệu.
Các nội dung cần chú ý trong chương này:
Chủ yếu ở mục 1.

51

Chương 10
VẬT LÝ CÁC THIÊN THỂ TRONG HỆ MẶT TRỜI
1. Khái quát về các thiên thể trong Hệ Mặt Trời
Từ tháng 8/2006, theo quy định mới, hệ Mặt Trời có 8 hành tinh, các tiểu
hành tinh, các sao băng và thiên thạch. Các nhà thiên văn thường xuyên bổ sung
thêm vào bảng thống kê về các tính chất vật lý của các thiên thể. Do đó, các số
liệu thống kê về kích thước, chu kỳ quay, thành phần cấu tạo vật chất...ngày càng
được hoàn thiện hơn. Người ta có định nghĩa mới: Hành tinh là thiên thể nguội
bay trong quỹ đạo quay quanh MT với khối lượng đủ lớn để có dạng hình cầu và
quỹ đạo của nó không cắt quỹ đạo của hành tinh khác. Xét về cấu tạo và các tính
chất vật lý, người ta chia các hành tinh thành hai nhóm:
- Nhóm Trái Đất gồm Thủy Tinh, Kim Tinh, TĐ và Hỏa Tinh có khối lượng
riêng lớn. Mặt Trăng là vệ tinh duy nhất của TĐ cũng được xét ở nhóm này vì
các tính chất đặc biệt của nó.
- Nhóm Mộc Tinh gồm Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh, Hải
Vương Tinh có khối lượng riêng nhỏ.
Diêm Vương Tinh hiện nay là tiểu hành tinh cũng như thiên thể Xena mới
được phát hiện ngày 29/7/2005 và một vài thiên thể mới phát hiện gần đây không
còn là hành tinh như trước đây vẫn gọi.
2. Trái Đất
TĐ là hành tinh duy nhất có sự sống, có nước phủ trên bề mặt với những số
liệu cơ bản là:
- Thể tích 1,083.1012 km3.
- Khối lượng 5,98.1024 kg.
- Bán kính ở xích đạo 6378,16 km và ở trục 6356,78 km.
- Chu vi theo xích đạo 40075,02 km và theo kinh tuyến 40007,86 km.
- Vận tốc quay quanh trục 0,4651.cosϕ km/s.
TĐ cấu tạo theo các lớp: ngoài cùng là khí quyển, lớp vỏ, thuỷ quyển và
trong cùng là thạch quyển. Nó là hành tinh đá lớn nhất trong nhóm 4 hành tinh
gần MT.
2.1. Cấu trúc của Trái Đất
2.1.1. Những đặc điểm chung
- Khoảng cách gần 150 triệu km tới MT đủ để có nhiệt độ trung bình 15 0C là
điều kiện thuận lợi cho nước có dạng lỏng và có các phản ứng hoá học tạo nền
cho các chất hữu cơ sính sôi.
- Khối lượng TĐ đủ lớn để có bầu khí quyển hài hoà, không quá đậm đặc
như Kim Tinh hay quá loãng như Hoả Tinh, vì thế có khả năng giữ nhiệt tương
đối ổn định.
52