Hai phần trước đó đã giới thiệu cho bạn nhiều khái niệm mới và chúng tôi hy vọng rằng thông qua những khái niệm đó, bạn đã thấy một ý tưởng chính xuất hiện. Các nhà thiên văn có thể tìm hiểu về các nguyên tố trong các ngôi sao và thiên hà bằng cách giải mã thông tin trong các vạch quang phổ của chúng. Tuy nhiên, vẫn có một yếu tố phức tạp trong việc học cách giải mã thông điệp của ánh sao. Nếu một ngôi sao đang di chuyển về phía trước hoặc ra xa chúng ta, các vạch phổ của nó sẽ ở một vị trí hơi khác so với vị trí của chúng ở trong trong quang phổ một ngôi sao đang đứng yên. Và hầu hết các vật thể trong vũ trụ đều có một số chuyển động tương đối so với Mặt Trời.

Hình 5.22 Hiệu ứng Doppler.
(a) Một nguồn sáng S tạo ra các sóng có các đỉnh được đánh số (1, 2, 3 và 4) truyền qua vị trí một quan sát viên đứng yên.
(b) Nguồn S bây giờ chuyển động về phía quan sát viên A và ra xa quan sát viên C. Sóng đỉnh 1 được phát ra khi nguồn ở vị trí S1, đỉnh 2 ở vị trí S2, v.v. Người quan sát A nhìn thấy các sóng bị nén bởi chuyển động này và nhìn thấy một sự dịch chuyển xanh (nếu sóng là ánh sáng). Người quan sát C nhìn thấy các sóng bị kéo dài ra do chuyển động và nhìn thấy một dịch chuyển đỏ. Người quan sát B, người có đường ngắm vuông góc với chuyển động của nguồn, không thấy sóng thay đổi (và cảm thấy bị bỏ lại).

Chuyển động ảnh hưởng đến sóng ánh sáng

Trong phần (a) của hình, nguồn sáng (S) đang dừng đối với người quan sát. Nguồn sáng phát ra một loạt các sóng, có các đỉnh mà chúng ta đã đánh dấu là 1, 2, 3 và 4. Các sóng ánh sáng trải đều theo mọi hướng, giống như những gợn sóng từ mặt nước trong ao. Các đỉnh cách nhau một khoảng là λ, trong đó λ là bước sóng. Người quan sát thấy sóng ánh sáng tới một cách đều đặn, cách nhau một bước sóng. Những người quan sát ở bất kỳ nơi nào khác cũng sẽ thấy điều tương tự.

Mặt khác, nếu nguồn sáng chuyển động đối với người quan sát, như mô tả ở phần (b), thì tình hình phức tạp hơn. Giữa thời điểm một đỉnh được phát ra và đỉnh tiếp theo sẵn sàng phát ra, nguồn đã di chuyển một chút về phía cuối khung hình. Theo góc nhìn của người quan sát A, chuyển động này của nguồn đã làm giảm khoảng cách giữa các đỉnh. Người quan sát này có thể nói rằng chuyển động này đã ép các đỉnh lại với nhau.

Trong phần (b), chúng tôi trình bày tình huống từ góc nhìn của ba người quan sát. Nguồn được nhìn thấy ở bốn vị trí, S1, S2, S3 và S4, mỗi vị trí tương ứng với sự phát ra một đỉnh sóng. Đối với người quan sát A, các sóng dường như theo sát nhau hơn, ở bước sóng giảm và do đó tần số tăng lên. (Hãy nhớ rằng, tất cả các sóng ánh sáng truyền với tốc độ ánh sáng qua không gian trống, trong mọi trường hợp. Điều này có nghĩa là chuyển động đó không thể ảnh hưởng đến tốc độ, mà chỉ ảnh hưởng đến bước sóng và tần số. Khi bước sóng giảm, tần số phải tăng lên. Nếu sóng ngắn hơn, nhiều đỉnh sóng hơn sẽ có thể di chuyển qua trong mỗi giây.)

Tình hình là không giống nhau đối với các quan sát viên khác. Hãy xem xét tình huống từ góc nhìn của người quan sát C, nằm đối diện với người quan sát A trong hình. Đối với người này, nguồn đang di chuyển ra khỏi vị trí của cô ấy. Kết quả là, các sóng không bị ép vào nhau mà thay vào đó được giãn ra do chuyển động của nguồn. Các đỉnh sóng đến với bước sóng tăng và tần số giảm. Đối với quan sát viên B, theo hướng vuông góc với chuyển động của nguồn, không quan sát thấy hiệu ứng nào. Bước sóng và tần số được giữ nguyên như trong phần (a) của hình.

Từ hình minh họa này, chúng ta có thể thấy rằng hiệu ứng Doppler chỉ được tạo ra bởi một chuyển động về phía hoặc ra xa người quan sát, một chuyển động được gọi là vận tốc xuyên tâm. Chuyển động sang đường không tạo ra hiệu ứng như vậy. Những người quan sát giữa A và B sẽ quan sát thấy một số sự rút ngắn của sóng ánh sáng đối với phần chuyển động của nguồn nằm dọc theo đường nhìn của họ. Những người quan sát giữa B và C sẽ quan sát sự kéo dài của sóng ánh sáng dọc theo đường nhìn của họ.

Bạn có thể đã nghe thấy hiệu ứng Doppler với sóng âm thanh. Khi một tiếng còi tàu hoặc tiếng còi xe cứu thương đến gần bạn và sau đó di chuyển đi, bạn sẽ nhận thấy sự giảm cao độ (đó là cách các giác quan của con người giải thích tần số sóng âm thanh) của sóng âm thanh. So với những con sóng đang dừng lại, chúng đã thay đổi từ tần số cao hơn một chút khi đến gần bạn, thành tần số thấp hơn một chút khi di chuyển ra xa bạn.

Một ví dụ điển hình về sự thay đổi này trong âm thanh của tiếng còi tàu có thể được nghe thấy ở cuối bài hát cổ điển của Beach Boys “Caroline, No” trong album Pet Sounds của họ. Để nghe âm thanh này, hãy truy cập phiên bản YouTube này của bài hát. Tiếng tàu bắt đầu lúc khoảng 2 phút 0 giây.

Sự dịch chuyển màu sắc

Khi nguồn sóng di chuyển về phía bạn thì bước sóng giảm đi một chút. Nếu các sóng này là ánh sáng nhìn thấy, thì màu sắc của ánh sáng thay đổi giảm một chút. Khi bước sóng giảm, chúng dịch chuyển về phía đầu màu xanh của quang phổ: các nhà thiên văn gọi đây là dịch chuyển xanh (blueshift, vì phần cuối của quang phổ thực sự là màu tím, thuật ngữ này có lẽ nên là violetshift, nhưng màu xanh là một màu phổ biến hơn). Khi nguồn di chuyển ra xa bạn và bước sóng dài hơn, chúng ta gọi sự thay đổi màu sắc là dịch chuyển đỏ (redshift). Bởi vì hiệu ứng Doppler lần đầu tiên được sử dụng với ánh sáng nhìn thấy trong thiên văn học, nên các thuật ngữ “blueshift” và “redshift” đã trở nên phổ biến. Ngày nay, các nhà thiên văn học sử dụng những từ này để mô tả những thay đổi trong bước sóng của sóng vô tuyến hoặc tia X một cách thoải mái như khi họ sử dụng chúng để mô tả những thay đổi trong ánh sáng nhìn thấy.

Chuyển động về phía gần hoặc ra xa chúng ta càng lớn thì dịch chuyển Doppler càng lớn. Nếu chuyển động tương đối hoàn toàn dọc theo đường nhìn, công thức cho sự dịch chuyển Doppler của ánh sáng là

trong đó λ là bước sóng do nguồn phát ra, Δλ là hiệu giữa λ và bước sóng mà người quan sát đo được, c là tốc độ ánh sáng và v là tốc độ tương đối của người quan sát và nguồn trong đường ngắm. Biến v được tính là dương nếu vận tốc là của chuyển động lùi xa và là âm nếu là di chuyển đến gần. Giải phương trình vận tốc này, ta tìm được v = c × Δλ / λ.

Nếu một ngôi sao tiến lại gần hoặc lùi xa chúng ta, các bước sóng ánh sáng trong quang phổ liên tục của nó có vẻ bị rút ngắn hoặc dài ra tương ứng, cũng như các bước sóng của các vạch tối. Tuy nhiên, trừ khi tốc độ của nó là hàng chục nghìn km/giây, ngôi sao không có vẻ xanh hơn hoặc đỏ hơn bình thường một cách đáng chú ý. Do đó, sự dịch chuyển Doppler không dễ dàng phát hiện trong một phổ liên tục và không thể đo chính xác trong một phổ như vậy. Tuy nhiên, bước sóng của các vạch hấp thụ có thể được đo chính xác, và sự dịch chuyển Doppler của chúng tương đối đơn giản để phát hiện.

Nhấp và kéo đối tượng phát ra sóng hoặc đối tượng nhận sóng trong trình mô phỏng này để tự thử nghiệm hiệu ứng Doppler. Các biểu đồ dọc theo đỉnh cho thấy các bước sóng được phát hiện thay đổi như thế nào nếu các đối tượng đang tiến lại gần nhau hoặc di chuyển xa hơn.

VÍ DỤ 5.6.1 Hiệu ứng Doppler

Chúng ta có thể sử dụng phương trình hiệu ứng Doppler để tính vận tốc xuyên tâm của một vật nếu chúng ta biết ba điều: tốc độ ánh sáng, bước sóng ban đầu (không dịch chuyển) của ánh sáng phát ra và hiệu số giữa bước sóng của ánh sáng phát ra và bước sóng chúng ta quan sát. Đối với các vạch hấp thụ hoặc phát xạ cụ thể, chúng ta thường biết chính xác bước sóng của vạch đó trong các phòng thí nghiệm của chúng ta trên Trái đất, nơi nguồn ánh sáng không chuyển động. Chúng ta có thể đo bước sóng mới bằng các dụng cụ của mình ở kính thiên văn, và do đó chúng ta biết được sự khác biệt về bước sóng do dịch chuyển Doppler. Vì tốc độ ánh sáng là một hằng số phổ quát, nên chúng ta có thể tính được vận tốc xuyên tâm của ngôi sao.

Một vạch phát xạ cụ thể của hydro ban đầu được phát ra với bước sóng 656,3 nm từ một đám mây khí. Tại kính thiên văn của chúng tôi, chúng tôi quan sát thấy bước sóng của vạch phát xạ là 656,6 nm. Đám mây khí này di chuyển về phía gần hoặc ra xa Trái Đất với tốc độ bao nhiêu?

Đáp án

Vì ánh sáng bị dịch chuyển sang bước sóng dài hơn (dịch chuyển đỏ), chúng ta biết đám mây khí này đang di chuyển ra xa chúng ta. Tốc độ có thể được tính bằng công thức dịch chuyển Doppler:

VÍ DỤ 5.6.2 Hiệu ứng Doppler

Giả sử một vạch quang phổ của hydrogen, thường ở bước sóng 500 nm, được quan sát trong quang phổ của một ngôi sao ở 500,1 nm. Ngôi sao đang di chuyển về phía gần hay ra xa Trái Đất với tốc độ bao nhiêu?

Đáp án

Vì ánh sáng bị dịch chuyển sang bước sóng dài hơn nên ngôi sao đang di chuyển ra xa chúng ta:

Tốc độ của nó là 60.000 m/s.

Bây giờ bạn có thể hỏi: nếu tất cả các ngôi sao đang chuyển động và chuyển động làm thay đổi bước sóng của mỗi vạch quang phổ, thì đây có phải là một thảm họa đối với các nhà thiên văn học đang cố gắng tìm ra những nguyên tố nào có trong các ngôi sao không? Rốt cuộc, chính bước sóng (hoặc màu sắc) sẽ cho các nhà thiên văn biết vạch nào thuộc về nguyên tố nào. Và đầu tiên chúng ta đo các bước sóng này trong các bình chứa khí trong phòng thí nghiệm của chúng ta, chúng không chuyển động. Nếu mọi vạch trong quang phổ của một ngôi sao giờ đây bị chuyển động bởi chuyển động của nó sang một bước sóng (màu) khác, thì làm sao chúng ta có thể chắc chắn rằng chúng ta đang nhìn những vạch nào và những yếu tố nào trong một ngôi sao có tốc độ mà chúng ta không biết?

Hãy can đảm lên. Tình hình này nghe có vẻ tồi tệ hơn thực tế. Các nhà thiên văn hiếm khi đánh giá sự hiện diện của một phần tử trong một thiên thể bằng một đường thẳng. Đó là kiểu đường chỉ dành riêng cho hydro hoặc canxi cho phép chúng ta xác định rằng những nguyên tố đó là một phần của ngôi sao hoặc thiên hà mà chúng ta đang quan sát. Hiệu ứng Doppler không làm thay đổi mẫu của các vạch từ một phần tử nhất định — nó chỉ dịch chuyển toàn bộ mẫu một chút về phía các bước sóng đỏ hơn hoặc xanh hơn. Mô hình bị dịch chuyển vẫn khá dễ dàng để nhận ra. Hơn hết, khi chúng ta nhận ra mẫu của một nguyên tố quen thuộc, chúng ta sẽ nhận được phần thưởng: số lượng mà mẫu được dịch chuyển có thể cho phép chúng ta xác định tốc độ của các đối tượng trong tầm nhìn của chúng ta.

Việc đào tạo các nhà thiên văn học bao gồm nhiều công việc học giải mã ánh sáng (và các bức xạ điện từ khác). Một “nhà giải mã” khéo léo có thể tìm hiểu nhiệt độ của một ngôi sao, những nguyên tố nào có trong nó và thậm chí cả tốc độ của nó theo hướng về phía chúng ta hoặc cách xa chúng ta. Đó thực sự là một lượng thông tin ấn tượng đối với các ngôi sao cách chúng ta đến hàng năm ánh sáng.

(Còn tiếp...)

Tham khảo

  • Astronomy 1st edition, Senior Contributing Authors: A. Franknoi, D. Morrison, S. Wolff ©2017 Rice University,  Textbook content produced by OpenStax is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. (Access for free at https://openstax.org/details/books/astronomy)