Từ những hình ảnh thiên văn sắc nét và tìm kiếm các sóng hấp dẫn cho đến việc tạo ra các ngưng tụ Bose–Einstein và đo các tính chất của ADN, laser đã có sự tác động hết sức to lớn trên nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học. Ở đây, sáu vị chuyên gia hồi tưởng lại câu chuyện laser đã mang đến sự tiến bộ như thế nào cho những lĩnh vực yêu thích của họ - và tranh luận xem rồi đây laser đã mang những lĩnh vực này đi tới đâu nữa.
Ảnh: Hank Morgan/Science Photo Library
Thiên văn học
Claire Max
Claire Max là nhà thiên văn học và là giám đốc Trung tâm Quang học Thích nghi tại trường Đại học California, Santa Cruz, Mĩ.
Chúng ta ai cũng biết rằng các nhiễu loạn trong khí quyển làm cho các ngôi sao nhấp nháy, nhưng nó còn làm mờ đi nghiêm trọng đối với các ảnh chụp thiên văn. Newton đã nhận ra điều này tận hồi năm 1730, khi ông viết trong quyển Opticks rằng “Không khí mà qua đó chúng ta nhìn lên các Ngôi sao, luôn luôn bị Rung động... Phương thức chữa duy nhất là Không khí trong trẻo nhất và tĩnh lặng nhất, thí dụ như không khí người ta có thể tìm thấy trên đỉnh những Ngọn núi cao nhất trên nhất tầng mây”.
Trên lí thuyết, các kính thiên văn có đường kính càng lớn sẽ có thể phân giải những chi tiết càng nhỏ trong các ảnh chụp thiên văn. Nhưng sự nhòe ảnh do nhiễu loạn khí quyển gay gắt đến mức ngay cả những chiếc kính thiên văn mặt đất lớn nhất ngày nay (đường kính 8 – 10 m) cũng chẳng trông rõ hơn bao nhiêu so với các kính thiên văn 20 cm dùng trong vườn nhà mà nhiều nhà thiên văn nghiệp dư sử dụng trong những buổi tối cuối tuần.
Để khắc phục tình hình này, các nhà thiên văn đã chuyển sang quang học thích nghi, một kĩ thuật đo ảnh chộp nhanh của nhiễu loạn khí quyển rồi sau đó hiệu chỉnh cho sự biến dạng quang thu được sử dụng một cái gương có khả năng biến dạng đặc biệt (thường là một cái gương nhỏ đặt phía sau gương chính của kính thiên văn). Vì sự nhiễu loạn trong khí quyển thay đổi liên tục theo thời gian, nên những phép đo và hiệu chỉnh này phải được thực hiện hàng trăm lần mỗi giây.
Những hệ quang học thích nghi ban đầu sử dụng ánh sáng phát ra những một ngôi sao sáng để đo sự nhiễu loạn. Tuy nhiên, đa số các vật thể thiên văn muốn nghiên cứu không có những ngôi sao sáng ở đủ gần, vì thế sự bao quát bầu trời của quang học thích nghi khá hạn chế. Sau đó, vào đầu những năm 1980, các nhà thiên văn nhận ra rằng họ có thể sử dụng một laser để tạo ra một “ngôi sao” nhân tạo thay thế cho ngôi sao tự nhiên. Sự sáng suốt này đã mở rộng đáng kể phạm vi bao quát của các hệ quang thích nghi, vì các laser có thể chiếu vào hướng của bất kì mục tiêu quan sát nào trên bầu trời. Trogn 5 năm qua, những hệ quang thích nghi “ngôi sao dẫn hướng” bằng laser này đã thật sự mang lại thành quả, đến mức mỗi chiếc kính thiên văn chính 8 – 10 m ngày nay đều chưng diện hệ thống đèn hiệu laser của riêng nó.
Các laser dùng trong những đèn hiệu này có công suất trung bình đáng nể chừng 5 – 15 W (một đèn trỏ laser tiêu biểu, trái lại, có công suất chưa tới 1 mW). Thật vậy, các dự luật liên bang yêu cầu các đài thiên văn Mĩ phải tắt đèn laser của họ khi có máy bay đang tiến đến gần; các đài thiên văn cũng phải đệ trình các kế hoạch quan sát của họ với Bộ chỉ huy Vũ trụ để tránh va chạm với những tài sản vũ trụ nhạy cảm.
Hai loại laser đang chiếm ưu thế. Thứ nhất là một hệ chế tạo theo đơn đặt hàng phát ra vạch cộng hưởng vàng 589 nm của sodium trung hòa, tạo ra một ngôi sao dẫn hướng ở độ cao khoảng 95 km bằng cách kích thích các nguyên tử sodium có mặt tự nhiên trong khí quyển tầng trên của Trái đất. Loại thứ hai phát ra bước sóng màu lục hoặc thậm chí bước sóng cực tím và sử dụng sự tán xạ Rayleigh của các phân tử và hạt bụi trong khí quyển để tạo ra một ngôi sao dẫn hướng ở độ cao 15-20 km. Ưu điểm của laser xanh và laser tử ngoại là chúng có sẵn trên thị trường, khiến chúng rẻ tiền hơn là dùng các hệ quang thích nghi khai thác ánh sáng màu vàng.
Nhờ quang học thích nghi ngôi sao dẫn hướng bằng laser, các kính thiên văn 8-10 m ngày nay đã có độ phân giải không gian tốt hơn ở những bước sóng quan sát hồng ngoại so với Kính thiên văn vũ trụ Hubble, đơn giản là vì kích cỡ lớn của những chiếc gương của chúng. Những chiếc kính thiên văn khổng lồ đã đề xuất, thí dụ như Kính thiên văn Ba mươi mét, Kính thiên văn Magellan Lớn, và Kính thiên văn Cực Lớn châu Âu, đều có kế hoạch sử dụng nhiều ngôi sao dẫn hướng bằng laser đồng thời. Điều này sẽ cho phép các nhà thiên văn đo, và hiệu chỉnh, sự nhiễu loạn khí quyển trong toàn bộ cột không khí 3D phía trên kính thiên văn. Những hệ laser bội này sẽ sử dụng các kĩ thuật xạ quang – tương tự như kĩ thuật dùng trong máy quét xạ quang trục đã lập trình hóa của kĩ thuật chụp ảnh y khoa – để tái dựng lại đặc trưng nhiễu loạn, cho phép sự hiệu chỉnh quang thích nghi trên trường nhìn rộng hơn nhiều so với cái chúng ta có thể ngày nay.
Còn tiếp...
Theo Physics World, tháng 5/2010
