X

Kính thiên văn hoạt động ra sao?

Kính thiên văn Hubble. (Hình: NASA)

Kính thiên văn (còn gọi là kính viễn vọng) là loại dụng cụ dùng để phóng đại những vật ở xa làm cho nó gần lại. Kính thiên văn được dùng để quan sát những thiên thể ngoài vũ trụ.

Các loại kính thiên văn 

Có hai loại kính thiên văn, một loại là khúc xạ (refracting) và một loại là phản xạ (reflecting).

Kính thiên văn khúc xạ: Kính thiên văn khúc xạ dùng hiện tượng khúc xạ (refraction) trong quang học. Khi một tia sáng đi từ một môi trường này (thí dụ không khí) qua một môi trường khác (thí dụ thủy tinh) thì sẽ bị đổi hướng đi, trông như bị gãy tại điểm phân chia hai môi trường. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng khúc xạ.

Khi ánh sáng đi qua một thấu kính lồi (convex lens) thì vì hiện tượng khúc xạ sẽ tụ lại một điểm gọi là tiêu điểm (focal point). Khoảng cách từ thấu kính đến tiêu điểm được gọi là tiêu cự (focal length). Kính thiên văn khúc xạ dùng hai thấu kính, một là thấu kính vật kính (objective lens) và hai là thấu kính thị kính (eye piece lens). Thấu kính vật kính đưa chùm ánh sáng có hình ảnh của vật ở xa hội tụ vào tiêu điểm. Thấu kính thị kính làm tỏa ánh sáng từ tiêu điểm ra để cho mắt thường có thể nhìn thấy hình ảnh trong đó.

Sơ đồ kính thiên văn khúc xạ. (Hình: personal.psu.edu)

Thấu kính vật kính càng lớn thì càng đưa vào nhiều ánh sáng và hình ảnh càng rõ nét. Kính thiên văn khúc xạ lớn nhất là ở đài thiên văn Yerkes, tiểu bang Wisconsin. Đường kính của thấu kính vật kính ở đó là 102 cm.

Vì các màu có hệ số khúc xạ (index of refraction)  khác nhau nên khi đi qua một thấu kính không hội tụ tại cùng một điểm. Điều này làm cho hình ảnh hơi mờ và ngoài lề hơi có màu sắc khác nhau. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng quang sai đơn sắc (chromatic aberration). Đó là một khuyết điểm lớn của kính thiên văn khúc xạ.

Kính thiên văn phản xạ: Vì kính thiên văn khúc xạ có khuyết điểm nên vào năm 1680 nhà bác học Isaac Newton đã nghĩ ra một kiểu mẫu mới cho kính thiên văn gọi là kính thiên văn phản xạ. Kính thiên văn phản xạ không dùng kính mà dùng một gương lõm để phản chiếu ánh sáng vào một tiêu điểm. Vì ánh sáng phản chiếu ở ngay trên đường của nguồn ánh sáng đến nên cần thêm một gương nhỏ để đổi chiều ánh sáng phản chiếu qua một bên và qua thấu kính thị kính.

Kính thiên văn phản xạ không có khuyết điểm như kính thiên văn khúc xạ nên bây giờ hầu như mọi kính thiên văn đều là loại phản xạ.

Sơ đồ kính thiên văn phản xạ. (Hình: mathedpage.org)

Lịch sử kính thiên văn 

Ông Hans Lippershey, người Hòa Lan, là người được coi là đã sáng chế ra kính thiên văn khúc xạ vào năm 1608. Ông Galileo Galilei không phải là người phát minh ra kính thiên văn, nhưng là người đầu tiên dùng kính thiên văn để quan sát các thiên thể. Kính thiên văn của ông Lippershey và Galileo hơi khác với kiểu mẫu ở trên. Hai ông dùng một thấu kính lồi và một thấu kính lõm.

Năm 1611 ông Kepler cải tiến kiểu mẫu kính thiên văn với hai thấu kính lồi.

Ông Galileo và kính thiên văn: Ông Galileo Galilei là người đầu tiên dùng kính thiên văn để quan sát các tinh tú. Ông ta thấy mặt trăng có chỗ lồi lên và có chỗ lõm xuống như là núi và thung lũng trên trái đất. Ông Galileo công bố những khám phá của ông trong bản tin có tựa đề: “Message from the Stars” (tín hiệu từ các ngôi sao). Ông ta đặt tên cho dụng cụ ông ta dùng là “telescopio,” tiếng Hy Lạp có nghĩa là nhìn ra xa.

Kính thiên văn của ông Galileo phóng đại được khoảng 30 lần. So với những kính thiên văn bây giờ thì nó rất là thô sơ, nhưng cũng đủ để ông Galileo nghiên cứu thiên văn. Những gì ông khám phá ra đã gây rắc rối lớn cho ông ta. Trước đó nhà thiên văn học Copernicus đã có một giả thuyết là mặt trời là trung tâm của vũ trụ. Điều này đi ngược với sự giảng dạy của giáo hội Thiên Chúa Giáo thời bấy giờ nói là trái đất là trung tâm của vũ trụ, tức là mọi tinh thể đều quay quanh trái đất.

Ông Galileo quan sát những thiên thể và chứng nghiệm là lý thuyết của ông Copernicus là đúng. Ông biết là phải cẩn thận vì nói là mặt trời là trung tâm của vũ trụ là đi ngược với Giáo Hội và Kinh Thánh. Giáo Hội lúc bấy giờ rất là mạnh và sẽ trừng phạt kẻ nào đi trái với họ. Năm 1633 ông Galileo bị đem ra xử, buộc phải nói là mình sai để tránh bị thiêu sống. Ông bị quản thúc tại gia cho đến khi chết.

Sơ đồ kính thiên văn đầu tiên. (Hình: amazingspace.org)

Phải đến năm 1992 tức là sau 359 năm, Tòa Thánh Vatican mới nhận là Galileo đúng, có nghĩa là trái đất quay quanh mặt trời chứ mặt trời không quay quanh trái đất.

Kính thiên văn Hubble: Năm 1946, Giáo Sư Lyman Spitzer đã cho rằng kính thiên văn quan sát từ trái đất không được tốt vì bị bầu khí quyển làm cho ánh sáng bị nhiễu loạn. Ông Spitzer cho rằng một kính thiên văn ở ngoài trái đất sẽ quan sát vụ trụ tốt hơn nhiều. Năm 1966, Giáo Sư Spitzer đứng đầu một hội đồng của Viện Khoa Học Quốc Gia Hoa kỳ để nghiên cứu về việc đưa một kính thiên văn ra ngoài bầu khí quyển. Sau đó cơ quan hàng không NASA bắt đầu nghiên cứu sự khả thi của một kính thiên văn không gian.

Năm 1990 Hoa Kỳ phóng một kính thiên văn lên trời lấy tên là kính thiên văn không gian Hubble (Hubble Space Telescope) để vinh danh ông Hubble. Vài tuần sau khi phóng, các nhà khoa học nhận thấy là hình ảnh gửi về từ kính thiên văn Hubble tuy vẫn dùng được nhưng không được rõ nét. Lý do là một thấu kính làm không đúng tiêu chuẩn. Một cuộc sửa chữa ngoài không trung vô tiền khoáng hậu đã được các phi hành gia vào năm 1993 thi hành. Sau đó kính thiên văn Hubble đã cống hiến cho công chúng những hình ảnh tuyệt đẹp của những thiên thể. NASA dự trù là kính thiên văn Hubble sẽ còn dùng được cho tới thập niên 2020.

Một kính thiên văn không gian mới tên là kính thiên văn không gian Webb được dự trù phóng lên không gian vào năm 2021 để thay thế kính thiên văn không gian Hubble.

Tinh vân o-ri-ông (Orion Nebula) do kính thiên văn Hubble chụp. (Hình: NASA)

Nhiều loại “kính thiên văn” khác 

Ánh sáng mà con người nhìn thấy được là một loại bức xạ điện từ (electromagnetic radiation) truyền đi như sóng. Ánh sáng chỉ là một phần nhỏ trong phổ điện từ (electromagnetic spectrum). Phổ điện từ bao gồm sóng ra-đi-ô, sóng siêu âm, tia hồng ngoại (infrared), ánh sáng thường, tia cực tím (ultraviolet), tia X và tia gam-ma.

Các nhà khoa học đã tạo ra nhiều “kính thiên văn” cho những loại sóng khác trong phổ điện từ vì các thiên thể cũng phát ra những sóng như vậy. Kính thiên văn Hubble không những quan sát vũ trụ bằng ánh sáng thường mà còn bằng tia hồng ngoại và tia cực tím.

Năm 1980 kính thiên văn ra-đi-ô lớn nhất thế giới đặt tại tiểu bang New Mexico được bắt đầu hoạt động. Kính thiên văn này được gọi là The Very Large Array (Một Mạng Rất Lớn) do cơ quan National Radio Astronomy Observatory của Hoa Kỳ quản lý và gồm có 27 đĩa ăng ten, mỗi đĩa ăng ten có đường kính 25 mét.

Theo tôi nghĩ radio telescope có thể dịch là ra-đi-ô thiên văn. Ra-đi-ô thiên văn chỉ thu những làn sóng âm thanh nên khó có thể thấy được kết quả. Các nhà khoa học đã và đang cố chuyển đổi những dữ liệu thu được thành hình ảnh cho dễ nghiên cứu. (Hà Dương Cự)

—————-
Nguồn tài liệu: https://science.nasa.gov, http://personal.psu.edu, https://van.physics.illinois.edu

Mời độc giả xem chương trình du lịch “Ngắm thiên nhiên rực rỡ tại Yellowstone”(Phần 2)