Thiên văn học là ngành nghiên cứu các vật thể trong vũ trụ (thiên thể) bức xạ (hoặc phản xạ) năng lượng từ khắp phổ điện từ. Các nhà thiên văn học nghiên cứu bức xạ từ tất cả các vật thể trong vũ trụ.
Tầm quan trọng đối với Thiên văn học
Để hiểu hoàn toàn vũ trụ, các nhà khoa học phải nhìn nó trên toàn bộ quang phổ điện từ. Điều này bao gồm các hạt năng lượng cao như tia vũ trụ. Một số vật thể và quá trình thực sự hoàn toàn không thể nhìn thấy được ở một số bước sóng nhất định (thậm chí là quang học), đó là lý do tại sao các nhà thiên văn học nhìn chúng ở nhiều bước sóng. Một thứ gì đó vô hình ở một bước sóng hoặc tần số này thì có thể rất sáng ở một bước sóng hoặc tần số khác, và điều đó cho các nhà khoa học biết điều gì đó rất quan trọng về nó.
Các loại bức xạ
Bức xạ mô tả các hạt cơ bản, hạt nhân và sóng điện từ khi chúng truyền trong không gian. Các nhà khoa học thường quy chiếu bức xạ theo hai cách: ion hóa và không ion hóa.
Bức xạ ion hóa
Sự ion hóa là quá trình mà các điện tử bị bứt ra khỏi nguyên tử. Điều này xảy ra mọi lúc trong tự nhiên, và nó chỉ yêu cầu nguyên tử va chạm với một photon hoặc một hạt có đủ năng lượng để kích thích (các) electron. Khi điều này xảy ra, nguyên tử không còn có thể duy trì liên kết của nó với hạt.
Một số dạng bức xạ mang đủ năng lượng để ion hóa các nguyên tử hoặc phân tử khác nhau. Chúng có thể gây hại đáng kể cho các thực thể sinh học bằng cách gây ung thư hoặc các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng khác. Mức độ thiệt hại do bức xạ gây ra là vấn đề sinh vật đã hấp thụ bao nhiêu bức xạ.
Năng lượng ngưỡng tối thiểu cần thiết để bức xạ được coi là ion hóa là khoảng 10 điện tử vôn (10 eV). Có một số dạng bức xạ tồn tại tự nhiên trên ngưỡng này:
- Tia gamma: Tia gamma (ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp γ) là một dạng bức xạ điện từ. Chúng đại diện cho các dạng ánh sáng có năng lượng cao nhất trong vũ trụ. Tia gamma xảy ra từ nhiều quá trình khác nhau, từ hoạt động bên trong lò phản ứng hạt nhân đến các vụ nổ sao được gọi là siêu tân tinh và các sự kiện năng lượng cao được gọi là vụ nổ tia gamma. Vì tia gamma là bức xạ điện từ, chúng không dễ dàng tương tác với các nguyên tử trừ khi xảy ra va chạm trực diện. Trong trường hợp này tia gamma sẽ “phân rã” thành một cặp electron-positron. Tuy nhiên, nếu một thực thể sinh học (ví dụ như một người) hấp thụ tia gamma, thì tác hại đáng kể có thể gây ra vì cần một lượng năng lượng đáng kể để ngăn chặn bức xạ đó. Theo nghĩa này, tia gamma có lẽ là dạng bức xạ nguy hiểm nhất đối với con người. May mắn thay, trước khi chúng tương tác với một nguyên tử, thì chúng cần phải xâm nhập vài dặm vào bầu khí quyển của chúng ta, và bầu khí quyển của chúng ta đủ dày để hầu hết các tia gamma bị hấp thụ trước khi chúng chạm tới mặt đất. Tuy nhiên, các phi hành gia trong không gian thiếu sự bảo vệ từ điều này, và bị giới hạn trong khoảng thời gian mà họ có thể ở “bên ngoài” tàu vũ trụ hoặc trạm không gian. Trong khi bức xạ gamma liều rất cao có thể gây tử vong, thì kết quả có khả năng xảy ra nhất khi phơi nhiễm lặp đi lặp lại với liều lượng tia gamma trên mức trung bình (ví dụ như trải nghiệm của các phi hành gia) là tăng nguy cơ ung thư. Đây là điều mà các chuyên gia khoa học sự sống trong các cơ quan vũ trụ trên thế giới nghiên cứu kỹ lưỡng.
- Tia X: giống như tia gamma, tia X là một dạng của sóng điện từ (ánh sáng). Chúng thường được chia thành hai lớp: tia X mềm (những tia có bước sóng dài hơn) và tia X cứng (những tia có bước sóng ngắn hơn). Bước sóng càng ngắn (tức là tia X càng cứng) thì càng nguy hiểm. Đây là lý do tại sao tia X năng lượng thấp hơn được sử dụng trong hình ảnh y tế (chụp X-quang). Các tia X thường sẽ ion hóa các nguyên tử nhỏ hơn, trong khi các nguyên tử lớn hơn có thể hấp thụ bức xạ do chúng có khoảng trống lớn hơn trong năng lượng ion hóa của chúng. Đây là lý do tại sao máy chụp X-quang sẽ vẽ hình ảnh rất tốt những thứ như xương (chúng được cấu tạo bởi các phần tử nặng hơn) trong khi chúng lại cho ra những hình ảnh kém về mô mềm (các phần tử nhẹ hơn).
- Hạt Alpha: hạt alpha (được ký hiệu bằng chữ cái Hy Lạp là α) bao gồm hai proton và hai neutron; thành phần chính xác giống như một hạt nhân heli. Quá trình phân rã alpha tạo ra chúng: hạt alpha được phóng ra khỏi hạt nhân mẹ với tốc độ rất cao (do đó năng lượng cao), thường vượt quá 5% tốc độ ánh sáng. Một số hạt alpha đến Trái đất dưới dạng tia vũ trụ và có thể đạt tốc độ vượt quá 10% tốc độ ánh sáng. Tuy nhiên, nói chung, các hạt alpha tương tác trong khoảng cách rất ngắn, vì vậy ở đây trên Trái đất, bức xạ hạt alpha không phải là mối đe dọa trực tiếp đối với sự sống. Nó chỉ đơn giản là được hấp thụ bởi bầu khí quyển bên ngoài của chúng ta. Tuy nhiên, nó là một mối nguy hiểm cho các phi hành gia.
- Hạt Beta: Là kết quả của sự phân rã beta, các hạt beta (thường được mô tả bằng chữ cái Hy Lạp Β) là các electron năng lượng thoát ra khi một neutron phân rã thành một proton, electron và phản neutrino. Các electron này có năng lượng cao hơn các hạt alpha nhưng ít hơn các tia gamma năng lượng cao. Thông thường, các hạt beta không phải là mối lo ngại đến sức khỏe con người vì chúng dễ dàng được che chắn. Các hạt beta được tạo ra nhân tạo (như trong máy gia tốc) có thể thâm nhập vào da dễ dàng hơn vì chúng có năng lượng cao hơn đáng kể. Một số nơi sử dụng các chùm hạt này để điều trị các loại ung thư vì khả năng nhắm vào các vùng rất cụ thể. Tuy nhiên, khối u cần nằm gần bề mặt để không làm tổn thương một lượng đáng kể các mô xen kẽ.
- Bức xạ neutron: Các neutron năng lượng rất cao được tạo ra trong quá trình tổng hợp hạt nhân hoặc quá trình phân hạch hạt nhân. Sau đó, chúng có thể bị hạt nhân nguyên tử hấp thụ, khiến nguyên tử chuyển sang trạng thái kích thích và nó có thể phát ra tia gamma. Các photon này sau đó sẽ kích thích các nguyên tử xung quanh chúng, tạo ra phản ứng dây chuyền, dẫn đến khu vực đó trở nên phóng xạ. Đây là một trong những cách chính con người bị thương khi làm việc xung quanh lò phản ứng hạt nhân mà không có đồ bảo hộ thích hợp.
Bức xạ không ion hóa
Bức xạ ion hóa (ở trên) đều cho thấy là có hại cho con người, và bức xạ không ion hóa cũng có thể có những tác động sinh học đáng kể. Ví dụ, bức xạ không ion hóa có thể gây ra những thứ như cháy nắng. Tuy nhiên, nó là những gì chúng ta sử dụng để nấu thức ăn trong lò vi sóng. Bức xạ không ion hóa cũng có thể ở dạng bức xạ nhiệt, có thể đốt nóng vật liệu (và do đó là các nguyên tử) đến nhiệt độ đủ cao để gây ra quá trình ion hóa. Tuy nhiên, quá trình này được coi là khác với quá trình ion hóa động học hoặc photon.
- Sóng vô tuyến: Sóng vô tuyến là dạng bức xạ điện từ (ánh sáng) có bước sóng dài nhất. Chúng trải dài từ 1 mm đến 100 km. Tuy nhiên, dải này trùng với dải vi sóng (xem bên dưới). Sóng vô tuyến được tạo ra một cách tự nhiên bởi các thiên hà đang hoạt động (đặc biệt là từ khu vực xung quanh các lỗ đen siêu lớn của chúng), các sao xung và trong tàn tích của siêu tân tinh. Nhưng chúng cũng được tạo ra một cách nhân tạo cho các mục đích truyền phát thanh và truyền hình.
- Vi sóng: Được định nghĩa là bước sóng ánh sáng từ 1 mm đến 1 m, vi sóng đôi khi được coi là một tập con của sóng vô tuyến. Trên thực tế, thiên văn học vô tuyến nói chung là nghiên cứu về dải vi ba, vì bức xạ có bước sóng dài hơn rất khó phát hiện vì nó đòi hỏi các máy dò có kích thước khổng lồ; do đó chỉ có một số đồng đẳng ngoài bước sóng 1m. Mặc dù không ion hóa, vi sóng vẫn có thể gây nguy hiểm cho con người vì nó có thể truyền một lượng lớn nhiệt năng cho một vật do tương tác của nó với nước và hơi nước. (Đây cũng là lý do tại sao các đài quan sát vi sóng thường được đặt ở những nơi cao ráo, khô ráo trên Trái đất, để giảm bớt lượng nhiễu mà hơi nước trong bầu khí quyển của chúng ta có thể gây ra cho thí nghiệm.
- Bức xạ hồng ngoại: Bức xạ hồng ngoại là dải bức xạ điện từ có bước sóng từ 0,74 micromet đến 300 micromet. Bức xạ hồng ngoại rất gần với ánh sáng quang học, và do đó các kỹ thuật tương tự được sử dụng để nghiên cứu nó. Tuy nhiên, còn một số khó khăn cần khắc phục; cụ thể là ánh sáng hồng ngoại được tạo ra bởi các đối tượng có thể so sánh với “nhiệt độ phòng”. Vì các thiết bị điện tử được sử dụng để cung cấp năng lượng và điều khiển kính thiên văn hồng ngoại sẽ chạy ở nhiệt độ như vậy, nên bản thân các thiết bị sẽ phát ra ánh sáng hồng ngoại, can thiệp vào việc thu thập dữ liệu. Do đó, các thiết bị được làm mát bằng cách sử dụng helium lỏng, để giảm bớt các photon hồng ngoại không liên quan xâm nhập vào máy dò. Hầu hết những gì Mặt trời phát ra khi đến bề mặt Trái đất thực sự là ánh sáng hồng ngoại, với bức xạ nhìn thấy được không xa (và tia cực tím là một phần ba).
- Ánh sáng nhìn thấy (Quang học): Dải bước sóng của ánh sáng nhìn thấy là 380 nanomet (nm) và 740 nm. Đây là bức xạ điện từ mà chúng ta có thể phát hiện bằng mắt thường, tất cả các dạng khác đều không thể nhìn thấy được nếu không có thiết bị hỗ trợ điện tử. Ánh sáng khả kiến thực sự chỉ là một phần rất nhỏ của quang phổ điện từ, đó là lý do tại sao việc nghiên cứu tất cả các bước sóng khác trong thiên văn học là rất quan trọng để có được bức tranh toàn cảnh về vũ trụ và hiểu được các cơ chế vật lý chi phối các thiên thể.
- Bức xạ vật đen: Vật đen là vật thể phát ra bức xạ điện từ khi nó bị đốt nóng, bước sóng cực đại của ánh sáng tạo ra sẽ tỷ lệ với nhiệt độ (đây được gọi là Định luật Wien). Không có cái gọi là vật đen tuyệt đối, nhưng nhiều vật thể như Mặt trời, Trái đất và các cuộn dây trên bếp điện của bạn là những giá trị gần đúng.
- Bức xạ nhiệt: Khi các hạt bên trong vật liệu chuyển động do nhiệt độ của chúng, động năng thu được có thể được mô tả là tổng năng lượng nhiệt của hệ. Trong trường hợp vật thể đen (xem ở trên), năng lượng nhiệt có thể được giải phóng khỏi hệ thống dưới dạng bức xạ điện từ.
Như chúng ta thấy, bức xạ là một trong những khía cạnh cơ bản của vũ trụ. Nếu không có nó, chúng ta sẽ không có ánh sáng, nhiệt, năng lượng hay sự sống.
John P. Millis, Ph.D, Carolyn Collins Petersen.
