Michael Rowan-Robinson
Khi chúng ta nhìn vào bầu trời đêm trong sáng, chúng ta thấy chỉ một phần của cái mà vũ trụ chứa trong nó: chủ yếu là các ngôi sao trong thiên hà của chúng ta phát sáng trong dải bước sóng khả kiến hẹp từ 390 đến 750 nm.
Các kính thiên văn quang học đã mở rộng tầm nhìn đó đến những thiên hà xa xôi, nhưng chỉ trong thế kỉ qua hay chừng khoảng thời gian ấy, khi chúng ta bắt đầu quan sát một ngưỡng rộng những bước sóng điện từ không nhìn thấy, thì vở kịch tổng thể của vũ trụ mới được vén màn bí ẩn.
Bức xạ không nhìn thấy đầu tiên được phát hiện ra là nằm trong vùng hồng ngoại, ở những bước sóng từ 750 nm đến 1 mm. Nó được phát hiện ra vào năm 1800 khi nhà thiên văn học na Anh William Herschel sử dụng một lăng kính để phân tách ánh sáng mặt trời và nhìn thấy mực thủy ngân của một nhiệt kế đặt ngoài đầu đỏ của quang phổ bắt đầu dâng lên.
Thiên văn học hồng ngoại ra đời vào thập niên 1960. Nó nghiên cứu các vật thể trong vũ trụ ở những nhiệt độ từ 10 đến 100 kelvin: các tiểu hành tinh, sao chổi, bụi giữa các sao, những ngôi sao mới chào đời và các thiên hà.
Môi trường giữa các sao của cặp đôi thiên hà Anten chỉ phát ra phổ hồng ngoại – nó trông tối đen tại bước sóng ánh sáng mà mắt chúng ta có thể nhìn thấy. (Ảnh: NASA/ESA/HHT/STSCI/AURA)
Từ bụi đến bụi
Nguồn phát đáng kể nhất của ánh sáng hồng ngoại đi tới Trái đất là môi trường giữa các sao. Hỗn hợp khí và bụi này tràn khắp không gian giữa các sao trong các thiên hà và có nhiệt độ từ 10 đến 50 kelvin. Nó chỉ phát xạ trong vùng hồng ngoại, và làm lu mờ ánh sáng nhìn thấy phát ra từ những ngôi sao ở xa, làm đỏ hóa màu sắc của chúng.
Ảnh chụp trực tiếp đầu tiên của bụi giữa các sao xuất hiện vào năm 1983 với Vệ tinh Thiên văn học Hồng ngoại (IRAS), một chiếc kính thiên văn vũ trụ do Mĩ, Hà Lan và Anh quốc tài trợ. Đó là một thời khắc đáng nhớ trong lịch sử thiên văn học. Việc quan sát bụi giữa các sao cho phép chúng ta nhìn thoáng qua chu kì trọn vẹn của cuộc sống và cái chết của ngôi sao, cả sự hình thành của những ngôi sao và hệ hành tinh mới từ bụi – thỉnh thoảng trong những đợt dữ dội như khi các thiên hà xa xôi va chạm nhau – từ lâu trước khi những ngôi sao này trở nên khả kiến trước các kính thiên văn quang học. Một thí dụ tiêu biểu là cặp thiên hà đang ló dạng tên gọi là Anten, cách chúng ta khoảng 45 triệu năm ánh sáng: những vùng hồng ngoại sáng nhất của chúng là tối đen ở những bước sóng nhìn thấy.
Các quan sát hồng ngoại còn cho biết những ngôi sao đang qua đời tống ra các đám mây bụi và khí, làm đầy thêm môi trường giữa các sao. Bụi đó chủ yếu là silicate và carbon vô định hình – cát và bồ hóng. Sự sản sinh chất bụi này là thiết yếu cho sự tồn tại của chúng ta: mỗi nguyên tử carbon trong cơ thể chúng ta được tạo ra trong lõi của một ngôi sao, nó được giải phóng ra khi ngôi sao qua đời, và trôi giạt trong môi trường giữa các sao trước khi bị hút vào hệ mặt trời của chúng ta.
Những thế giới khác
Kính thiên văn vũ trụ hồng ngoại chuyên dụng đầu tiên, IRAS, tìm thấy các đĩa bụi cùng những mảnh vỡ khác xung quanh một số ngôi sao sáng, mang lại phương pháp tìm kiếm các hệ hành tinh. Các khảo sát hồng ngoại kể từ đó đã phát hiện ra nhiều đĩa mảnh vỡ và các hành tinh đang trong quá trình hình thành.
Các hành tinh ngoài hệ mặt trời hình thành trọn vẹn nhất đã được các kính thiên văn quang học phát hiện ra hoặc qua sự biến thiên nhỏ của vận tốc ngôi sao khi hành tinh quay xung quanh nó, hoặc sự giảm đi rất ít độ sáng của ngôi sao khi hành tinh đi qua phía trước ngôi sao. Các thiết bị hồng ngoại, như Kính thiên văn vũ trụ Spitzer, có vai trò bổ sung quan trọng. Chúng tìm kiếm “Mộc tinh nóng”, những hành tinh nặng quỹ đạo gần, khi chúng đi qua phía trước ngôi sao chủ.
Một thiết bị hồng ngoại trên Kính thiên văn Rất Lớn của Đài thiên văn Nam châu Âu là thiết bị đầu tiên cung cấp một ảnh chụp trực tiếp của một hành tinh ngoài hệ mặt trời. Vật thể này, đang quay xung quanh một ngôi sao lùn nâu, nặng hơn Mộc tinh đến năm lần.
Các nguồn gốc thiên hà
Vì các quan sát hồng ngoại do thám các ngôi sao khi chúng hình thành và qua đời, nên chúng ta có thể sử dụng để nhìn ngược về thời gian, tìm hiểu xem các ngôi sao và thiên hà đã hình thành như thế nào trong lịch sử vũ trụ gần như xa đến tận thời Big Bang.
Khi Tàu khảo sát Bức xạ nền Vũ trụ (COBE) của NASA, sứ mệnh vũ trụ phóng lên quỹ đạo vào năm 1999, đo được toàn bộ bức xạ nền ở các bước sóng milimet và dưới milimet, nó tìm thấy một sự đóng góp mạnh mẽ từ những thiên hà ở xa. Hóa ra hơn một nửa năng lượng phát ra bởi những ngôi sao xa xôi ở các bước sóng quang học và tử ngoại bị hấp thụ bởi bụi giữa các sao và phát xạ trở lại trong vùng hồng ngoại trước khi nó đi tới chúng ta, mang lại cơ sở hồng ngoại cho kiến thức vũ trụ của chúng ta.
Bức xạ hồng ngoại còn quan trọng trong việc tìm hiểu xem các thiên hà đầu tiên nhất đã phát sinh như thế nào. Vũ trụ hiện đang giãn nở, nghĩa là đa số các thiên hà đang lùi ra xa chúng ta và bức xạ mà chúng phát ra chịu sự dịch chuyển Doppler sang những bước sóng dài hơn. “Sự lệch đỏ” này có nghĩa là ánh sáng khả kiến phát ra từ các thiên hà xa xôi nhất đã biết, phát ra trong những tỉ năm đầu tiên sau Big Bang, bị kéo giãn sang những bước sóng hồng ngoại khi nó đi tới chỗ chúng ta.
Thiết bị sao: Herschel
Đa số bước sóng hồng ngoại bị hấp thụ bởi nước và carbon dioxide trong khí quyển, với chỉ một vài “cửa sổ” phổ hồng ngoại hẹp đi tới được mặt đất. Do đó, các kính thiên văn hồng ngoại phải được lắp đặt trên đỉnh núi, hoặc tốt hơn là trong không gian.
Nhà vô địch hiện nay trong vương quốc hồng ngoại là kính thiên văn Herschel của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, nó bắt đầu hoạt động vào năm 2009. Nó là chiếc kính thiên văn lớn nhất từng được đưa lên quỹ đạo, và nó mang theo một quang phổ kế cùng hai camera bao quát các bước sóng từ 70 đến 500 micromet. Toàn bộ thiết bị này phải được làm lạnh xuống nhiệt độ gần không độ tuyệt đối để ngăn sự phát xạ hồng ngoại riêng của kính ảnh hưởng đến các phép đo.
Trong khi dữ liệu mà kính Herschel thu thập đang trong quá trình phân tích, thì chiếc kính thiên văn này vẫn tiếp tục cung cấp một số hình ảnh ngoạn mục của các đám mây bụi dạng sợi mảnh giữa các sao trong đó các ngôi sao có thể đang hình thành, cũng như ảnh của các thiên hà với những lượng lớn bất ngờ của khí bụi rất lạnh mà những nghiên cứu trước đây đã bỏ qua.
Nguồn: New Scientist
