Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Su Zian
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Có một câu chuyện thú vị trong lịch sử khoa học.
Năm 1998, các nhà khoa học Úc đã nhận được một tín hiệu xung mạnh bất thường khi sử dụng kính viễn vọng vô tuyến. Tín hiệu này đã được quan sát hơn 40 lần trong hơn một thập kỷ, trung bình chỉ vài lần một năm, nhưng thời gian xuất hiện của nó lại không đều.
Vào thời điểm đó, mọi người đều cho rằng đây là một phát hiện lịch sử nên đưa ra nhiều suy đoán khác nhau. Một số người thậm chí còn tin rằng đây là tín hiệu liên lạc do người ngoài hành tinh gửi đến. Bí ẩn này không được giải đáp cho đến 17 năm sau khi một nhà khoa học phát hiện ra rằng tín hiệu nhận được thực chất được phát ra từ lò vi sóng trong phòng thí nghiệm.
Thiên văn học là một ngành khoa học quan sát và khám phá. Trong số chín giải Nobel liên quan đến thiên văn học, có bảy giải dành cho những khám phá mang tính quan sát. Kính thiên văn là phương tiện quan trọng giúp con người quan sát và khám phá những điều chưa biết. Kính thiên văn vô tuyến vừa đề cập ở trên là một loại kính thiên văn.
Tùy thuộc vào băng tần quan sát và phương pháp, kính thiên văn có thể được chia thành kính thiên văn quang học, kính thiên văn vô tuyến, kính thiên văn không gian, v.v. Ngoài hiệu suất của chính kính thiên văn ảnh hưởng đến kết quả quan sát thiên văn, hoạt động của con người cũng có tác động rất lớn đến quan sát thiên văn. Đây chính là lý do vì sao việc lựa chọn địa điểm và xây dựng kính thiên văn rất cẩn thận, bởi chỉ cần một "sự bất cẩn" nhỏ nhất cũng có thể dẫn đến sai lệch.
Vậy, làm thế nào để chọn được vị trí thích hợp cho kính thiên văn? Hôm nay chúng ta hãy cùng tìm hiểu chi tiết về nó nhé.
Nguồn hình ảnh: veer gallery
Kính thiên văn quang học: Quá sáng thì không tốt, và bị nhiễu loạn bởi hoạt động khí quyển cũng không tốt
Khi quan sát bầu trời đầy sao, "ô nhiễm ánh sáng" là điều cuối cùng mà kính thiên văn quang học muốn nhìn thấy.
"Ô nhiễm ánh sáng" đề cập đến những tác động tiêu cực của ánh sáng cưỡng bức không cần thiết hoặc dư thừa lên con người và hệ sinh thái tự nhiên của trái đất, bao gồm ô nhiễm ánh sáng trắng vào ban ngày (như các tòa nhà phản chiếu ánh sáng mặt trời) và ô nhiễm ánh sáng ban ngày nhân tạo và ô nhiễm ánh sáng màu vào ban đêm.
Tác động của ô nhiễm ánh sáng đến quan sát thiên văn chủ yếu biểu hiện ở hai khía cạnh: một mặt, nó sẽ làm cho nền trời đêm (đặc điểm độ sáng của nền trời đêm) ngày càng sáng hơn, dẫn đến giảm độ tương phản giữa độ sáng của các thiên thể và nền trời đêm, từ đó ảnh hưởng đến độ lớn giới hạn của quan sát (tức là giá trị độ lớn của ngôi sao mờ nhất có thể nhìn thấy). Nói chung, khi ô nhiễm ánh sáng nhân tạo làm độ sáng của bầu trời tăng lên 5 lần, cấp sao quan sát được mờ nhất sẽ sáng hơn gần 2 cấp.
Mặt khác, nó sẽ làm giảm tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thu được khi quan sát các thiên thể) trong quá trình quan sát thiên văn. Nói chung, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu càng cao thì hiệu quả quan sát càng tốt và độ tin cậy càng cao. Để đạt được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu giống như các vật thể sáng hơn, các vật thể mờ hơn cần nhiều thời gian quan sát hơn, nghĩa là hiệu quả quan sát tương đối thấp hơn. Do đó, nếu độ sáng của bầu trời tăng gấp năm lần do ô nhiễm ánh sáng nhân tạo, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của các thiên thể quan sát được sẽ giảm xuống còn khoảng 40% giá trị ban đầu, điều này gần như gây tử vong cho việc quan sát các ngôi sao mờ hơn.
Đối với quan sát thiên văn, ô nhiễm ánh sáng sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng quan sát, làm suy yếu khả năng quan sát các thiên thể mờ, thậm chí khiến một số đài quan sát phải "di dời" hoặc xây dựng các căn cứ quan sát mới để tránh tác động của ô nhiễm ánh sáng. Ví dụ, vào năm 1947, Đài quan sát Greenwich nổi tiếng đã được di chuyển 70 km về phía nam.
Ở đất nước tôi, để tránh tình trạng ô nhiễm ánh sáng ngày càng nghiêm trọng, Đài quan sát Sheshan thuộc Đài thiên văn Thượng Hải đã xây dựng một trạm quan sát mới tại Anji, Chiết Giang; Đài quan sát Tử Sơn ở Nam Kinh đã xây dựng một trạm mới ở Hứa Nghĩa, Giang Tô; và Đài quan sát Vân Nam cũng xây dựng một điểm quan sát mới tại một ngôi làng miền núi xa xôi ở Lệ Giang.
Hiện nay, các đài quan sát lớn trên thế giới đã xây dựng các luật và quy định liên quan để kiểm soát tác động của ô nhiễm ánh sáng xung quanh đến hoạt động quan sát và nghiên cứu thiên văn. Các đài quan sát mới xây dựng ở đất nước tôi, chẳng hạn như Đài quan sát Ali ở Tây Tạng, cũng đã thành lập các khu bảo tồn thiên nhiên bầu trời đêm gần đó để bảo vệ tình trạng địa điểm của họ. Liên minh Thiên văn Quốc tế (IAU) cũng đã thành lập một Ủy ban B7 đặc biệt chuyên bảo vệ các địa điểm quan sát hiện có và tiềm năng để tránh ô nhiễm bởi bức xạ điện từ trong nhiều dải tần khác nhau (bao gồm ô nhiễm ánh sáng khả kiến và nhiễu sóng vô tuyến).
Cảnh đêm của Bắc Kinh và Thiên Tân chụp từ Trạm vũ trụ quốc tế (Nguồn ảnh: NASA)
Ngoài việc cân nhắc đến ô nhiễm ánh sáng, còn có nhiều yếu tố cần cân nhắc khi chọn địa điểm đặt kính thiên văn quang học.
"Những ngôi sao đang nhấp nháy và mặt trăng đang vẽ một dấu chấm hỏi." Lý do tại sao các ngôi sao "nhấp nháy" là khi ánh sáng đi qua bầu khí quyển của Trái Đất, nó bị nhiễu loạn bởi sự nhiễu loạn của khí quyển, dẫn đến sự khúc xạ không đều. Đồng thời, bầu khí quyển của Trái Đất cũng hấp thụ và tán xạ ánh sáng, ảnh hưởng đến khả năng quan sát các thiên thể của kính thiên văn quang học. Do đó, khi lựa chọn địa điểm đặt kính thiên văn quang học, tiêu chí lựa chọn quan trọng nhất là giảm thiểu sự can thiệp từ hoạt động khí quyển.
Xét về điều kiện khí hậu, vị trí của một đài quan sát lý tưởng phải đáp ứng các điều kiện như khí hậu khô ráo, nhiều ngày nắng và bầu khí quyển ổn định (nhiệt độ tương đối ổn định). Hầu hết các đài quan sát thiên văn ở nước tôi đều nằm gần nước vì nước có thể hoạt động như một "bộ điều nhiệt", làm giảm sự nhiễu loạn của khí quyển do sự đối lưu nhiệt gây ra và cải thiện tầm nhìn (độ rõ nét của hình ảnh hiển thị qua kính thiên văn).
Đài quan sát thiên văn quốc gia Huairou (Nguồn ảnh: do tác giả thực hiện)
Điều kiện quan sát tại các đài quan sát quang học quan trọng trên thế giới như Mauna Kea ở Hawaii, La Palma ở quần đảo Canary và sa mạc Atacama ở Nam Mỹ đều lý tưởng. Chúng ta có thể thấy rằng hầu hết các đài quan sát này đều nằm gần nước, trên đỉnh núi hoặc trong sa mạc, những khu vực có thể đáp ứng được các điều kiện trên nhiều nhất có thể. Tuy nhiên, hoạt động của con người đang ngày càng có tác động đến các điểm quan sát thiên văn này.
Hãy lấy sa mạc Atacama làm ví dụ. Nơi đây được biết đến là thủ đô thiên văn của thế giới và là nơi có nhiều đài quan sát. Dữ liệu quan sát cho thấy nhiệt độ trung bình ở sa mạc đã tăng 1,5 độ C trong 40 năm qua, điều này sẽ khiến các thiết bị không thể làm mát và làm tăng khả năng đài quan sát bị hỏng.
Đồng thời, sa mạc Atacama là một trong những khu vực khô hạn nhất thế giới, với lượng mưa trung bình hàng năm dưới 0,1 mm. Nhưng trong những năm gần đây, hiện tượng nóng lên toàn cầu đã dẫn đến sự gia tăng thời tiết khắc nghiệt và lượng mưa ở sa mạc bắt đầu tăng lên. Năm 2015, lượng mưa trong một trận mưa bằng tổng lượng mưa của 7 năm trước đó. Việc giảm số ngày nắng sẽ làm giảm số ngày quan sát được, điều này chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến kết quả quan sát.
Đồng thời, nhiệt độ tăng cũng sẽ dẫn đến gia tăng cháy rừng, gây ra mối đe dọa lớn cho các đài quan sát. Lấy vụ cháy rừng ở California năm 2020 làm ví dụ, Đài quan sát Hidden Hill đã bị thiêu rụi, và Đài quan sát Wilson gần đó đã từng bị cháy rừng xói mòn một khoảng cách khoảng 150 mét. Người ta chỉ cứu được nó nhờ nỗ lực hết mình của lính cứu hỏa. Cùng lúc đó, lính cứu hỏa cũng đã cứu được Đài quan sát Lick 133 năm tuổi. Ngọn lửa đã cháy đến tận đỉnh núi, nhưng may mắn là toàn bộ thiết bị đều thoát khỏi đám cháy.
Đài quan sát Lick (Nguồn ảnh: https://www.cnbeta.com/)
Ngoài những điều kiện trực quan này, còn có nhiều thay đổi diễn ra âm thầm: ví dụ, sự gia tăng nhiễu loạn khí quyển do nhiệt độ tăng sẽ hạn chế khả năng quan sát của kính thiên văn; ô nhiễm không khí sẽ làm tăng số lượng hạt khí dung trong không khí, làm giảm lượng ánh sáng mà kính thiên văn quan sát được.
Có thể một ngày nào đó, bầu trời đầy sao nhìn qua kính thiên văn sẽ có màu xám.
Kính viễn vọng vô tuyến: Tôi muốn dành cuộc sống của mình ở một vùng đất không có người ở
Sau khi nói về kính thiên văn quang học, chúng ta hãy nói về kính thiên văn vô tuyến, loại có vẻ ít phổ biến hơn. Kính thiên văn vô tuyến được chia thành nhiều loại, bao gồm ăng-ten đơn, mảng vô tuyến (khẩu độ tổng hợp), giao thoa kế đường cơ sở rất dài, v.v. Loại kính thiên văn vô tuyến nổi tiếng nhất ở đất nước tôi là Kính thiên văn vô tuyến hình cầu khẩu độ năm trăm mét (FAST) ở Quý Châu, luôn xuất hiện trong danh sách kiểm tra của mọi người khi đi nghỉ.
Mặc dù danh lam thắng cảnh này đã đưa ra các quy định rõ ràng, đặt ra giới hạn số lượng hành khách mỗi ngày và cấm mang theo bất kỳ thứ gì có thể truyền tín hiệu, nhưng những biện pháp này vẫn không thể loại bỏ tác động của hành vi con người lên FAST. Nếu có thể, có lẽ FAST chỉ muốn ở một khu vực không có người ở và lặng lẽ hoạt động như một kính thiên văn.
Kính thiên văn vô tuyến thu tín hiệu bức xạ điện từ từ các thiên thể xa xôi. FAST có độ nhạy cao và có thể thu được những tín hiệu cực yếu từ vũ trụ, điều này có ý nghĩa to lớn trong việc khám phá những khu vực xa xôi chưa được biết đến. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động, nếu có sóng điện từ phát ra gần đó sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động của nó.
Để đảm bảo hoạt động bình thường của FAST, chính quyền địa phương đã ban hành quy định cụ thể, quy định nghiêm cấm việc thiết lập và sử dụng các đài phát thanh trong phạm vi lõi bán kính 5km của FAST, nghiêm cấm xây dựng các cơ sở phát sóng điện từ bức xạ. Điều này có nghĩa là điện thoại di động, tivi, lò vi sóng, bếp từ, xe chạy bằng xăng, v.v. sẽ không được phép sử dụng trong phạm vi này.
Ngoài ra, độ rung hoặc tiếng ồn nền do khách du lịch đi lại cũng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến các thiết bị đo chính xác, khiến chất lượng dữ liệu của FAST giảm sút.
Kính thiên văn FAST (Nguồn ảnh: do tác giả tạo ra)
Kính viễn vọng không gian: Hãy cẩn thận với những "sát thủ" ẩn núp trên bầu trời đầy sao
Những tác động được đề cập ở trên đều có thể được giải quyết một cách nhân tạo, nhưng các kính viễn vọng không gian trôi nổi trong vũ trụ phải đối mặt với ảnh hưởng của một số yếu tố không thể kiểm soát, chẳng hạn như rác vũ trụ.
"Rác vũ trụ" ám chỉ tất cả các vật thể do con người tạo ra nhưng không còn hoạt động và các thành phần của chúng đang quay quanh Trái Đất hoặc đi vào bầu khí quyển. Nói một cách đơn giản, đó là một tàu vũ trụ bị hỏng hoặc các mảnh vỡ của nó đang quay quanh Trái Đất.
Kể từ khi con người bắt đầu các hoạt động ngoài không gian, lượng rác vũ trụ đã tăng lên theo từng năm. Tàu vũ trụ bị bỏ hoang hoặc các mảnh vỡ của tàu vũ trụ do tan rã là nguồn chính tạo ra rác vũ trụ. Đôi khi, chính hoạt động của con người cũng có thể tạo ra một lượng lớn rác vũ trụ. Ví dụ, vào năm 1963, để phát triển thông tin liên lạc, Hoa Kỳ đã rải 350 triệu kim đồng trên quỹ đạo cực để tạo thành vành đai kim đồng. Tuy nhiên, những chiếc kim đồng này không phát huy được tác dụng như mong đợi. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ phản xạ vô tuyến ban đầu, một số lượng đáng kể trong số chúng đã đi chệch khỏi quỹ đạo đã định trước và ở lại không gian trong một thời gian dài.
Từ năm 1980 đến năm 1988, Liên Xô đã phóng 16 vệ tinh giám sát đại dương chạy bằng năng lượng hạt nhân, sử dụng kim loại lỏng NaK làm tác nhân ngưng tụ và đẩy lõi lò phản ứng ra ngoài sau khi vệ tinh hoàn thành nhiệm vụ. Người ta ước tính có khoảng 264.000 hạt ngưng tụ bị mắc kẹt trong quỹ đạo, tạo nên một phần nguồn rác vũ trụ. Đồng thời, rác thải sinh hoạt và đồ dùng cá nhân của các phi hành gia (như găng tay của phi hành gia Ed White) cũng đã trở thành rác vũ trụ khá "thú vị".
Tốc độ tương đối trung bình của rác vũ trụ và tàu vũ trụ trên quỹ đạo là khoảng 10km/giây. Trong điều kiện tốc độ cao như vậy, ngay cả tác động của các mảnh vỡ có kích thước vài milimet cũng có thể xuyên thủng lớp vỏ ngoài của tàu vũ trụ hoặc thậm chí khiến tàu vũ trụ bị vỡ tan.
Bề mặt của nhiều máy tái chế gồ ghề, đó là dấu vết để lại do tác động của mảnh vỡ. Hình ảnh bên dưới cho thấy thiệt hại do va chạm của kính viễn vọng không gian nổi tiếng, Kính viễn vọng không gian Hubble. Vào tháng 12 năm 1999, các phi hành gia đã chụp ảnh tất cả các khu vực có thể nhìn thấy ở lớp vỏ ngoài của kính Hubble và xác định được 571 đặc điểm va chạm tốc độ cao riêng biệt với mật độ va chạm trung bình khoảng 45 trên một mét vuông.
Các hố va chạm từ Kính viễn vọng Hubble (Nguồn ảnh: NASA)
Vì hầu hết các kính thiên văn vũ trụ đều tiếp xúc trực tiếp với không gian nên các mảnh vỡ vũ trụ luôn gây ra mối đe dọa đến sự an toàn của chúng và thậm chí có thể khiến chúng không thể hoạt động hoàn toàn. Ví dụ, vệ tinh XMM-Newton bị hỏng vì thiết bị ghép nối điện tích (CCD) bị va chạm.
Nói chung, đối với các mảnh vỡ dưới mức centimet, cần phải thêm một lớp bảo vệ để giảm thiểu thiệt hại do va chạm; đối với các mảnh vỡ có kích thước lớn hơn centimet, cần phải đánh số và chủ động tránh xa.
Mặc dù nhiều quốc gia cũng đang cố gắng ứng phó tích cực, họ đã đề xuất các phương pháp như cánh tay robot, tia laser và pháo khí nhẹ để bắt giữ hoặc đốt cháy chúng. Một tổ chức hợp tác quốc tế, Ủy ban phối hợp rác vũ trụ liên ngành (IADC), cũng đã được thành lập để hợp tác với các cường quốc vũ trụ nhằm giải quyết vấn đề rác vũ trụ. Nhưng cho đến nay, hầu hết các biện pháp này đều có ít hiệu quả.
Khi nói về các vật thể bay trong không gian, chúng ta phải nói đến "Dự án Starlink" nổi tiếng. Kế hoạch là phóng một số lượng lớn (12.000 vệ tinh trong kế hoạch ban đầu) các vệ tinh Starlink. Đối với kính thiên văn quang học, chúng tương đương với các thiên thể sáng nhỏ, không chỉ làm tăng ô nhiễm ánh sáng, ảnh hưởng đến việc quan sát các thiên thể mờ mà còn khiến một số hình ảnh thiên văn bị phơi sáng quá mức, không sử dụng được.
Đối với kính thiên văn vô tuyến, hàng chục nghìn vệ tinh Starlink sẽ chiếm nhiều kênh sóng vô tuyến, ảnh hưởng trực tiếp đến kính thiên văn vô tuyến quan sát tín hiệu tần số cao.
Các nhà khoa học ước tính rằng khi số lượng vệ tinh Starlink đạt tới 6.400, độ nhạy của các băng tần truyền xuống của một số kính viễn vọng vô tuyến có tần số xung đột với chúng sẽ bị mất 70%; nếu đạt tới 100.000, các băng tần này có thể hoàn toàn không sử dụng được.
Đồng thời, do vệ tinh Starlink tự động thay đổi quỹ đạo và không hoạt động theo quỹ đạo cố định nên chúng cũng gây ra mối đe dọa nhất định đối với các tàu vũ trụ khác trong không gian. Vào tháng 9 năm 2019, vệ tinh Aeolus của ESA đã phải thực hiện các động tác khẩn cấp để tránh va chạm với vệ tinh Starlink.
Có rất nhiều điều chưa biết trong biển sao bao la đang chờ chúng ta quan sát và khám phá. Ngước nhìn bầu trời đầy sao không chỉ là quyền của mỗi chúng ta mà còn là niềm tin theo đuổi vũ trụ. Tôi hy vọng rằng “đôi mắt” của chúng ta nhìn vào không gian sẽ luôn sáng suốt và rõ ràng.
