Bức xạ maser thiên nhiên kỳ diệu

Nguyễn Quang Riệu

Phòng thí nghiệm vũ trụ

Vũ trụ là một phòng thí nghiệm rất phong phú về mặt lý-hóa. Trung bình không gian vũ trụ rất loãng và lạnh nên thoạt đầu các nhà thiên văn cho rằng những phân tử phức tạp, mầm mống của sự sống, khó có thể tồn tại. Tuy nhiên, nhờ có bức xạ tử ngoại phát ra từ những ngôi sao trợ giúp nên các phản ứng hoá học có thể thực hiện được. Những đám khí phân tử trong dải Ngân hà có mật độ cao là những phòng thí nghiệm thiên nhiên phát ra những tia maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation; Khuếch đại vi ba bằng bức xạ cảm ứng). Maser phát bức xạ vi ba (vô tuyến) còn laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) phát bức xạ hồng ngoại và khả kiến. Cũng như những tia laser, maser phát những tia xạ không đẳng hướng (anisotropic) rất hẹp và cực mạnh.

Trong quá trình quay và rung động trong không gian, phân tử chuyển mức năng lượng và hấp thụ hoặc phát ra những vạch phổ. Mỗi loại phân tử phát một hệ phổ đặc trưng quan sát được trên bước sóng vô tuyến. Sự tìm kiếm phân tử được thực hiện bằng phổ kế. Phân tử đơn giản nhất, hydroxyl (OH) gồm 2 nguyên tử, đã được phát hiện trên bước sóng 18 cm từ năm 1963 trong một tinh vân cuả dải Ngân hà. Sau đó những phân tử ngày càng phức tạp cũng đã được phát hiện trong vũ trụ.

Cấu trúc hóa học cuả phân tử cồn ethyl C₂H₅OH

Động tác quay và rung động làm phân tử thay đổi mức năng lượng và phát ra những vạch phổ.

Vạch phổ của những phân tử hữu cơ phức tạp phát hiện trên một dải tần số vô tuyến milimet (~ 111 000 MHz) trong tinh vân Lạp hộ. Phổ quan sát bằng kính viễn vọng vô tuyến 30 m đường kính cuả Viện Thiên văn vô tuyến Pháp-Đức IRAM đặt trên đỉnh núi Pico Veleta (Andalusia, Tây Ban Nha). Glycine, phân tử amino acid đơn giản nhất trong loại phân tử sinh học, không thấy xuất hiện trong phổ (F. Combes, Nguyen Qg Rieu, G. Wlodarczak).

Cơ chế vận hành của maser và laser

Maser cũng như laser là những máy khuếch đại được chế tạo dựa trên nguyên tắc vật lý do Einstein đề xuất từ đầu thế kỷ 20. Ánh sáng và các bức xạ nói chung đều là những hạt photon có năng lượng khác nhau. Tần số v cuả bức xạ càng lớn thì năng lượng E của photon càng cao theo công thức: E=hv, h là hằng số Planck. Một hạt nguyên tử hay phân tử có khả năng tự nhiên rơi từ những mức năng lượng cao xuống những mức năng lượng thấp để phát ra bức xạ tự phát (spontaneous emission) có tính đẳng hướng (isotropic). Einstein tiên đoán còn có một cơ chế khác phát bức xạ gọi là bức xạ cảm ứng (stimulated emission). Sau khi được photon «bơm» lên những mức năng lượng cao, hạt nguyên tử hay phân tử tồn tại ở trạng thái nửa bền vững (metastable) và sẵn sàng rơi xuống mức năng lượng thấp, nếu gặp một photon có năng lượng tương ứng với vạch phổ mà hạt có khả năng phát ra. Photon sản phẩm của hiện tượng cảm ứng có thể được coi như photon sinh đôi của hạt photon tới (incident photon). Photon được phát ra cùng hướng cùng pha với photon tới và trên cùng bước sóng. Do đó, lượng photon phát ra tăng gấp đôi. Hiện tượng này có khả năng xẩy ra hàng loạt trong đám khí và gây ra một “thác điện từ”. Số lượng photon phát ra cùng một hướng và được tăng lên gấp bội. Đám khí phân tử vận hành như một cái máy khuếch đại tín hiệu vô tuyến để phát ra những tia maser có tính kết hợp (coherent), vừa mạnh vừa hẹp.

Nguyên tắc vận hành cuả maser tương tự như laser: phân tử sau khi được bơm lên mức năng lượng cao có thể lại rơi xuống mức năng lượng thấp để phát thêm một photon (mũi tên trắng), nếu phân tử hấp thụ được một photon (mũi tên xám) có năng lượng tương ứng với vạch phổ mà hạt phân tử có khả năng phát ra. Mỗi lần, lượng photon phát ra tăng lên gấp đôi. Trong một đám khí, sự kiện này xẩy ra hàng loạt nên đám khí phát những tia xạ maser rất sáng.

Hiện tượng nghịch đảo dân số phân tử trong maser

Hiện tượng maser xuất phát từ những khái niệm cuả ngành vật lý hiện đại. Max Planck đề xuất là năng lượng cuả những hạt vật chất được lượng tử hoá theo từng mức. Einstein dùng tính lượng tử cuả bức xạ để giải thích cơ chế phát và hấp thụ những vạch phổ nguyên tử và phân tử. Công trình cuả Einstein đã dẫn đến sự phát hiện bức xạ cảm ứng maser. Trong điều kiện lý-hoá thông thường, đám khí tồn tại ở trạng thái “cân bằng nhiệt động cục bộ LTE” (Local Thermodynamic Equilibrium). Phân tử được phân bố trên những mức năng lượng theo định luật thống kê Boltzmann với nhiệt độ cục bộ T :

N_i ~ exp(-E_i /kT) 

N_ilà dân số phân tử ở mức năng lượng E_i , k là hằng số Boltzmann.

Dân số phân tử ở những mức năng lượng càng cao thì càng hiếm. Tuy nhiên, đám khí có thể chuyển sang trạng thái “không cân bằng nhiệt động” khi phân tử được những bức xạ hồng ngoại và tử ngoại cuả những ngôi sao bơm lên những mức năng lượng cao. Khi đó, dân số phân tử ở những mức năng lượng cao có thể vượt hẳn dân số phân tử xác định bởi định luật Boltzmann. Cơ chế bơm tạo ra hiện tượng “nghịch đảo dân số” và làm đám khí trở thành một cái máy maser thiên nhiên, có khả năng khuếch đại những bức xạ vô tuyến.

Sơ đồ mô tả cơ chế bơm một hệ maser đơn giản, chỉ có 3 mức năng lượng, để minh họa hiện tượng nghịch đảo dân số. Trục hoành biểu thị số lượng dân số phân tử, trục tung biểu thị mức năng lượng. Thông thường, phân tử trong đám khí được phân bố trên đường cong LTE theo định luật Boltzmann: dân số phân tử ở mức năng lượng thấp (1) nhiều hơn ở những mức cao (2) và (3). Phân tử ở mức (1) được photon (P) bơm lên mức (3) rồi rơi xuống (S) và đọng lại ở mức (2) làm gia tăng dân số mức (2) (gạch ngang vượt ra ngoài đường cong LTE). Ở trạng thái này, nếu phân tử va chạm với một photon có bước sóng thích hợp thì lại rơi xuống mức 1 và phát ra bức xạ cảm ứng maser.

Bức xạ bí ẩn “Mysterium” trong dải Ngân hà

Từ năm 1951, nhà vật lý Charles Townes đã tiên đoán khả năng khuếch đại những bức xạ điện từ bằng hiệu ứng laser. Chiếc máy laser đầu tiên được chế tạo 9 năm sau tại phòng thí nghiệm Hughes Research Laboratories ở bang California. Máy khuếch đại maser nhân tạo cũng đã được các nhà vật lý của đại học Berkeley trong nhóm Charles Townes chế ra từ năm 1954. Trong quá trình nghiên cứu trước khi thành công, nhóm Townes bị một số đồng nghiệp chỉ trích là lãng phí tài trợ để thực hiện một công trình nghiên cứu viển vông. Tuy nhiên, mười năm sau Ủy ban Nobel công nhận công trình cuả Townes và ông được trao tặng giải. Các nhà thiên văn cũng làm ra máy maser để trang bị máy thu nhằm khuếch đại những tín hiệu vô tuyến yếu ớt phát ra từ những thiên thể xa xôi.

Năm 1963, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Berkeley quan sát bức xạ vô tuyến cuả phân tử đơn giản hydroxyl (OH) phát từ hướng tinh vân Lạp hộ (Orion nebula). Tinh vân này tương đối gần trái đất ở khoảng cách 1500 năm ánh sáng và là cái nôi cuả nhiều ngôi sao đang hình thành. Tinh vân Lạp hộ chứa nhiều khí trộn với bụi và được những ngôi sao nóng trong tinh vân rọi sáng nên có những điều kiện thuận lợi cho các nguyên tử tổ hợp với nhau để tạo ra phân tử. Hồi đó, các nhà thiên văn của Đại học Berkeley bất ngờ khi thu được trong tinh vân Lạp hộ một bức xạ cực kỳ mạnh mà họ cho là phát ra bởi một loại nguyên tử hay phân tử bí ẩn nào đó và được gán cái tên “Mysterium”. Kỳ thực, vật chất bí ẩn này chính là phân tử hydroxyl, nhưng vì được bơm lên những mức năng lượng cao bởi những photon hồng ngoại nên hydroxyl phát ra tia maser.

Những nguồn maser trong vũ trụ

Những đám khí có mật độ vật chất cao và điều kiện lý-hoá thích hợp như vùng trung tâm Ngân hà và các thiên hà cùng vỏ một số sao là những môi trường có khả năng phát ra những tia maser. Tuy bức xạ maser rất phổ biến trong vũ trụ, nhưng những tia laser thiên nhiên lại rất hiếm. Lý do là vì phân tử và nguyên tử khó được kích thích lên những mức năng lượng đủ cao để phát ra bức xạ laser trong lĩnh vực sóng hồng ngoại và khả kiến. Tuy nhiên, một nguồn bức xạ laser thiên nhiên đã được phát hiện trong một hệ sao rất sáng và nóng (MWC 349) trong chòm sao Thiên Nga (Cygnus). Ngôi sao này hãy còn trẻ nên phát ra những photon tử ngoại có năng lượng cao đủ để bơm những nguyên tử hydro trong môi trường vòng quanh ngôi sao. Những nguyên tử khi được một bức xạ hồng ngoại chiếu vào thì chuyển xuống mức năng lượng thấp và phát ra một tia laser trên bước sóng cuả bức xạ hồng ngoại.

Những phân tử phát bức xạ maser thu được trên bước sóng vô tuyến là hydroxyl (OH), hơi nước (H₂O), silicon monoxide (SiO), silicon monosulfide (SiS), cồn methyl (CH₃OH). Cường độ của những bức xạ maser trong vũ trụ tăng theo hàm mũ với kích thước cuả đám khí phân tử. Maser trong những cụm khí nóng đặc có kích cỡ lớn bằng hệ mặt trời nên có năng xuất khuếch đại rất cao. Maser OH, H₂O và SiO là những tia maser mạnh nhất phát ra từ vỏ những ngôi sao và có khả năng khuếch đại hàng triệu lần tín hiệu vô tuyến.

Sơ đồ minh họa những vùng phát bức xạ maser trong vỏ một ngôi sao đang dãn nở. Vị trí của những vùng phát bức xạ maser tùy thuộc vào cơ chế bơm maser. Maser SiO cần được “bơm” bởi những photon hồng ngoại có năng lượng cao nên ở vị trí sát ngôi sao. Maser H₂O được bơm bằng cơ chế va chạm với phân tử hydro nằm ở vùng ngoài. Phân tử OH được bơm bởi cả hai cơ chế va chạm và photon hồng ngoại của bụi thì phát bức xạ maser ở vùng ngoài cùng. Hai vùng gạch chéo mầu hồng có độ dày quang học (optical depth) lớn nhất nên phát ra hai đỉnh xạ.

Vạch phổ maser hydroxyl OH phát ra trên bước sóng 18 cm (tần số 1667 MHz) từ vỏ ngôi sao R Cassiopeia trong chòm sao Thiên hậu. Trục hoành chỉ tần số quy ra tốc độ dãn nở của vỏ sao bằng công thức Doppler. Trục tung chỉ cường độ cuả vạch phổ. Hai đỉnh xạ chính được phát ra từ vùng có độ dày quang học cao, tương ứng với vùng gạch chéo màu hồng vẽ trong hình trước. Sự hiện diện của những đỉnh phụ lô nhô trong hai đỉnh chính cho thấy vỏ sao không đồng đều và gồm có những lớp vỏ phụ (subshells). Phổ quan sát bằng kính viễn vọng vô tuyến 100 m đường kính cuả Viện Max-Planck tại Effelsberg, CHLB Đức (Nguyen Qg Rieu, Colette Laury-Micoulaut, Anders Winnberg , Schultz, G.V.).

Những tia maser mạnh gấp hàng triệu lần maser trong dải Ngân hà cũng đã được tìm thấy trong những thiên hà đang có những đợt sản sinh những ngôi sao bùng ra hàng loạt. Những hạt bụi hấp thụ ánh sáng cuả những ngôi sao và phát ra những photon hồng ngoại cần thiết để bơm maser.

Vùng trung tâm thiên hà NGC 3079 phát ra tia maser H₂O sáng ít nhất bằng 500 mặt trời.
(M.L. Humphreys et al.). (Hình chụp bằng kính Hubble và Chandra).

Các nhà thiên văn muốn nghiên cứu quá trình khuếch đại bằng hiệu ứng maser phải lập ra những mô hình lý thuyết phức tạp để giải phương trình cân bằng thống kê mô tả sự di chuyển dân số phân tử qua các mức năng lượng cùng với phương trình truyền bức xạ trong đám khí. Những tham số trong mô hình được chọn để khớp với phổ quan sát và do đó, được dùng để xác định điều kiện lý-hoá trong vỏ những ngôi sao và trong những đám khí của môi trường liên sao. Về mặt quan sát, sở dĩ vùng phát bức xạ maser rất hẹp và có đường kính biểu kiến rất nhỏ nên các nhà thiên văn phải sử dụng những hệ kính viễn vọng giao thoa vô tuyến (radio interferometer) gồm nhiều ăngten đặt trên những lục địa khác nhau. Những hệ giao thoa có khoảng cách giữa những ăngten càng lớn thì càng có độ phân giải cao.

Hiệu ứng maser là một trong những hiện tượng lý-hóa kỳ diệu trong thiên nhiên. Vũ trụ quả thực là một phòng thí nghiệm vĩ đại để các nhà khoa học tha hồ sử dụng.

Nguyễn Quang Riệu