Giáo sư Nguyễn Quang Riệu - nhà khoa học "lang thang" trên Dải Ngân hà

Trong một bài phỏng vấn với tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội khi về tham gia giảng dạy, Giáo sư Nguyễn Quang Riệu đã có những chia sẻ những khái niệm rất thú vị về thiên văn học.

Trong bài phỏng vấn này, giáo sư Riệu chia sẻ, trong công việc nghiên cứu, giáo sư phải lang thang trên Dải Ngân hà và trên các thiên hà để săn tìm phân tử. Giáo sư lang thang cả trên trái đất, nơi có những kính thiên văn vô tuyến hiện đại nhất có độ nhạy và độ phân giải cao. Để tìm hiểu cơ chế kích thích bức xạ phân tử, giáo sư cũng đã lang thang trên không gian quanh trái đất để sử dụng kính thiên văn đặt trên vệ tinh hoạt động trên những bước sóng hồng ngoại, đặc biệt là vệ tinh ISO (Infrared Space Observatory).

Thiên văn học là ngành khoa học đa ngành

Theo GS Nguyễn Quang Riệu, khi nói đến thiên văn học, người ta thường nghĩ tới vũ trụ luận (cosmology). Vũ trụ luận chỉ là một môn trong ngành thiên văn, nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hóa của vũ trụ. Thiên văn học ngày nay là một ngành khoa học đa ngành sử dụng những định luật vật lý, hóa học và toán học để nghiên cứu tất cả những hiện tượng quan sát thấy trong vũ trụ, kể cả môn vũ trụ luận. Vật chất trong vũ trụ hầu hết tồn tại dưới dạng plasma, một môi trường trong đó khí bị ion hóa bởi photon của những ngôi sao.

Trong khí quyển trái đất cũng có một lớp khí ion hóa gọi là tầng điện ly. Nhờ có tầng điện ly phản chiếu tín hiệu vô tuyến, nên tín hiệu vô tuyến viễn thông truyền đi được rất xa quanh trái đất. Những phản ứng nhiệt hạch tổng hợp nhân của những nguyên tử nhẹ giải phóng rất nhiều năng lượng để mặt trời và những ngôi sao có thể tồn tại trong hàng tỷ năm.

Hiện nay, các nhà vật lý trong phòng thí nghiệm chưa thực hiện được những phản ứng nhiệt hạch trên quy mô lớn để có thể khai thác một nguồn năng lượng có năng suất cao hơn cả nguồn năng lượng phân hạch trong những lò phản ứng hạt nhân. Lý do là vì những phản ứng nhiệt hạch đòi hỏi những điều kiện vật lý rất khắt khe. Nhiệt độ phải cao hàng trăm triệu độ và từ trường cực kỳ lớn để ép plasma làm tăng xác suất va chạm giữa những hạt ion, nhằm thực hiện được phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Muốn nghiên cứu vũ trụ, các nhà thiên văn phải quan sát trên nhiều miền sóng trong  phổ điện từ, từ bước sóng gamma, X, quang học, hồng ngoại đến bước sóng vô tuyến. Vì khí quyển trái đất hấp thụ bức xạ gamma, X và hồng ngoại, nên muốn quan sát trên những miền phổ này, các nhà thiên văn phải phóng kính thiên văn bằng tên lửa ra hẳn ngoài khí quyển. Bức xạ khả kiến (ánh sáng) và bức xạ vô tuyến truyền qua tầng khí quyển, nên thu được trên mặt đất. Mỗi môi trường trong vũ trụ phát ra bức xạ trên những bước sóng khác nhau, tùy theo điều kiện lý-hóa. Chẳng hạn, môi trường xung quanh những lỗ đen rất nóng nên phát ra bức xạ X có năng lượng cao, còn môi trường giữa những ngôi sao rất lạnh nên phát ra bức xạ vô tuyến có năng lượng thấp.

Dải Ngân hà là những nguồn vô tuyến rất mạnh

GS Riệu cũng tiết lộ, những thiên hà và Dải Ngân hà là những nguồn bức xạ vô tuyến rất mạnh. Bức xạ vô tuyến ít bị hấp thụ bởi bụi trong Ngân hà, nên các nhà thiên văn vô tuyến có thể thăm dò sâu trong vũ trụ. Vật chất trong Ngân hà và trong những thiên hà chủ yếu là nguyên tử trung hòa hidro. Nguyên tử này chỉ phát ra bức xạ vô tuyến trên bước sóng 21 xentimet. Sự phát hiện ra bức xạ 21 xentimet của hidro trung hòa vào giữa thế kỷ 20 là một sự kiện vô cùng quan trọng.

Ít lâu sau, các nhà thiên văn vô tuyến quan sát trên vạch phổ hidro 21 xentimet và phát hiện là Ngân hà cũng là một thiên hà có cấu trúc xoắn ốc. Sau này, dựa trên động lực quay của Ngân hà và các thiên hà, họ khẳng định là môi trường xung quanh những thiên thể này phải có một quầng vật chất tối, một thành phần vật chất mà bản chất chưa được xác định, nhưng đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của vũ trụ. Cũng trên bước sóng vô tuyến, các nhà thiên văn tình cờ tìm được bức xạ phông vũ trụ 2,7 Kelvin, tàn dư của vụ nổ Big Bang tạo ra vũ trụ.

Một thành tích đáng kể trong ngành thiên văn vô tuyến là sự phát hiện những phân tử trong Dải Ngân hà vào thập niên 1960. Môi trường khí giữa những ngôi sao rất lạnh và loãng nên các nguyên tử không hóa hợp được dễ dàng để tạo ra phân tử. Tuy nhiên, cho tới nay các nhà thiên văn vô tuyến đã tìm thấy trong Ngân hà hơn một trăm phân tử đủ loại, kể cả phân tử hữu cơ.

Phân tử trong vũ trụ chỉ cần ít năng lượng để được kích thích bằng cơ chế va chạm với photon hoặc với những hạt phân tử để phát ra những vạch phổ vô tuyến. Trong những đám khí tương đối đặc, gọi là những đám khí tối vì không phát ra ánh sáng, hidro chỉ tồn tại dưới dạng phân tử, nên cũng không phát ra bức xạ nguyên tử hidro 21 xentimet. Nhờ có bức xạ vô tuyến của phân tử mà các nhà thiên văn nghiên cứu được những đám khí tối, một thành phần quan trọng của môi trường giữa những ngôi sao.