Công cụ nghiên cứu của nền thiên văn học mới
Trong khi máy quang phổ có vẻ là một công cụ hứa hẹn cho nền khoa học thiên văn vật lí mới, các nhà nghiên cứu lại bị hạn chế bởi sự trang bị của mình. Các máy quang phổ buổi đầu, ví dụ như cái mà Henry Draper sử dụng, dùng lăng kính thủy tinh làm tán sắc ánh sáng. Trong khi về nguyên tắc thì đơn giản, nhưng máy quang phổ lăng kính có thể có độ phân giải thấp và thường khó tìm được một lăng kính có chất lượng quang hiệu quả.
Một thiết kế cải tiến là sử dụng cách tử nhiễu xạ để làm tán sắc ánh sáng thu thập bởi kính thiên văn. Đây là một bề mặt trên đó thiết lập các khe rất tốt và cách đều nhau. Các khe này sử dụng tính chất sóng của ánh sáng – mỗi màu sắc có một bước sóng khác nhau – để phân tích ánh sáng thành quang phổ. Nghề sản xuất cách tử cỡ lớn chất lượng cao đặc biệt phát triển tốt ở Mĩ.
Henry A. Rowland, một nhà vật lí Mĩ tại trường đại học Johns Hopkins, là người có công nhiều nhất trong việc chế tạo những cách tử nhiễu xạ lớn hơn và chính xác hơn đã làm cách mạng quang phổ học trong thập niên 1880. Những cách tử đang có có chất lượng tệ hại vì nó không thể thu được khoảng cách giữa các vạch đều nhau. Giải pháp của Rowland là xoay thật chính xác làm di chuyển dụng cụ khắc các vạch lên cách tử. Người ta có thể chế tạo cách tử nhiều tới 43.000 vạch trên inch, nhiều gấp đôi số vạch trên những cách tử có trước đó. Rowland cũng phát triển một kĩ thuật chế tạo cách tử lõm hình cầu tự điều tiêu. Cách tử lõm cho phép quang phổ hội tụ trực tiếp lên tấm phim, làm cho việc ghi phổ dễ dàng hơn.
Henry Rowland và chiếc máy tạo cách tử của ông
Một dụng cụ mới khác được đưa vào sử dụng cùng khoảng thời gian với cách tử của Rowland là máy ghi phổ Mặt Trời, thiết bị cho ảnh của toàn bộ bề mặt Mặt Trời ở một bước sóng duy nhất. Thiết bị này mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới trong nghiên cứu Mặt Trời và cho phép các nhà nghiên cứu khảo sát các đặc trưng của Mặt Trời ở mức độ sâu sắc hơn. Trong khi phát minh ra nó nói chung là được ghi nhận cho George Ellery Hale vào năm 1889, những phiên bản sớm hơn của dụng cụ đó đã có mặt khoảng năm 1870.
Dụng cụ mới của Hale cho phép các nhà nghiên cứu nhìn thấy một vài đặc điểm mới của Mặt Trời. Công trình của Hale, có tầm quan trọng riêng của nó, đã đưa ông trở thành một trong những nhà khoa học hàng đầu vào đầu thế kỉ 20. Điều này tạo thuận lợi cho các hoạt động của ông trong việc thăng tiến và tìm quỹ tài trợ cho kính thiên văn lớn mới và cho thiên văn học vật lí nói chung. Ông cũng có thể sử dụng những kết quả gây ấn tượng sâu sắc của ông để biện luận hùng hồn rằng nghiên cứu sao và Mặt Trời là bổ sung cho nhau và nghiên cứu những ngôi sao gần chúng ta nhất sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được bí mật của tất cả những ngôi sao khác.
Ảnh Mặt Trời trong ánh sáng vạch phổ chính của hydrogen (H-alpha) cho thấy nhiều đặc điểm trong khí quyển của ngôi sao bình thường này
Làm thế nào đo được vận tốc trên bầu trời
Khi ánh sáng phát ra từ một chất khí nóng sáng (chẳng hạn Mặt Trời) gửi qua một khe hẹp, sau đó đi qua lăng kính làm nó trải nó ra thành quang phổ, người ta có thể nhìn thấy các vạch tối. Năm 1859, Gustav Kirchhoff phát hiện thấy các vạch đó có thể dùng để nhận ra các nguyên tố hóa học trong chất khí. Kĩ thuật quang phổ mới có thể phát hiện vận tốc cũng như thành phần hóa học. Năm 1842, trước cả công trình của Kirchhoff, nhà vật lí người Áo Christian Doppler biện luận rằng quang phổ có thể bị lệch nếu như nguồn phát ánh sáng đang chuyển động. Một lời giải thíc chính xác hơn sau này được đưa ra bởi nhà vật lí người Pháp Hippolyte Fizeau, nhưng nguyên lí lại mang tên Doppler – đó là vận tốc lệch Doppler.
Không phải tất cả các nhà khoa học tức thì chấp nhận tiên đoán cho rằng ánh sáng phát ra từ các vật đang chuyển động sẽ biểu hiện sự lệch Doppler. Năm 1868, nhà thiên văn học nghiệp dư người Anh William Huggins tìm thấy cái có vẻ là một sự lệch nhỏ cho vạch hydrogen trong phổ của ngôi sao sáng Sirius. Năm 1872, Huggins đã có được bằng chứng có sức thuyết phục hơn của chuyển động của sao Sirius và một vài ngôi sao khác.
Doppler
Những hạn chế thiết bị đã ngăn cản Huggins mở rộng các nghiên cứu quang phổ của ông cho những tinh vân xoắn ốc mờ nhạt. Vận tốc của chúng chỉ bắt đầu đo được vào thời các nhà doanh nghiệp thiên văn trong Thời kì Hưng thịnh của nước Mĩ (thập niên 1880 và 1890) dẫn tới việc xây dựng những thiết bị lớn hơn, và trung tâm nghiên cứu quang phổ thiên văn đã chuyển sang nước Mĩ.
Nguồn: AIP
Trần Nghiêm dịch
Còn tiếp...
