Có lẽ chúng ta đã rất quen thuộc với khái niệm Phổ Điện Từ, chủ đề của bài viết thứ 2 trong series này. Xét một nguồn sáng, nó có thể là Mặt Trời hoặc đèn bàn của bạn, ánh sáng từ nguồn có một màu sắc nhất định. Tương ứng với mỗi màu sắc, chúng ta sẽ có được Bước sóng, Tần số, và Năng lượng. Để hiểu tần số và bước sóng là gì, hãy coi ánh sáng như một sóng như hình dưới.
Ảnh 1: Mô tả sóng
Các vùng phía trên được gọi là đỉnh và các vùng bên dưới được gọi là đáy. Chúng ta xác định khoảng cách theo phương ngang giữa hai đỉnh hoặc đáy liên tiếp là bước sóng λ . Khoảng cách thẳng đứng tối đa tương ứng với đỉnh hoặc đáy được gọi là biên độ của sóng.
Một đỉnh và một đáy liên tiếp sẽ tạo thành một chu kỳ T. Tần số của sóng f được định nghĩa là số chu kỳ mà sóng truyền được trong một giây.
Ảnh 2: Liên hệ giữa bước sóng và tần số
Ví dụ bằng hình ảnh của hai sóng khác nhau như hình trên, chúng ta có thể thấy: 1. Sóng trên có tần số cao hơn vì số chu kỳ đi qua một điểm trong một giây nhiều hơn 2. Sóng dưới có bước sóng lớn hơn vì khoảng cách giữa 2 đỉnh hoặc 2 đáy sóng liên tiếp lớn hơn 3. Bước sóng càng dài, tần số càng nhỏ và ngược lại.
Ở trong bài này, chúng ta sẽ nói đến dải khả kiến trong phổ điện từ với bước sóng trong khoảng 400 nm đến 800 nm, tương đương từ đỏ đến tím.
Dịch Chuyển Đỏ Là Gì?
Cho một nguồn sáng phát ra ánh sáng vời một màu và một bước sóng nhất định (hay còn gọi là nguồn sáng đơn sắc). Bầy giờ nếu bước sóng quan sát được lớn hơn bước sóng mà nguồn phát ra, hiện tượng này được gọi là dịch chuyển đỏ (redshift). Ngược lại, nó sẽ được gọi là dịch chuyển xanh (blueshift).
Ảnh 3: Mô tả dịch chuyển đỏ/xanh
Quang phổ ở giữa cho thấy các vạch hấp thụ tối không bị dịch chuyển. Nếu những vạch này di chuyển về phía đầu đỏ của quang phổ thì hiện tượng này được gọi là dịch chuyển đỏ. Như thể hiện trong hình trên, phổ ở giữa là phổ ban đầu được từ nguồn. Ở phổ phía trê, những vạch hấp thụ màu đen đã bị dịch chuyển về phía màu đỏ. Còn ở phổ dưới, những vạch này bị dịch chuyển về phía xanh và được gọi là dịch chuyển xanh. Kể cả không phải là ánh sáng khả kiến, sự tăng giảm trong bước sóng vẫn được gọi là dịch chuyển xanh và dịch chuyển đỏ.
Trong vật lý thiên văn, dịch chuyển đỏ được kí hiệu bằng đại lượng z không thứ nguyên. Giá trị z dương sẽ tương ứng với dịch chuyển đỏ và z âm tương ứng với dịch chuyển xanh. Dịch chuyển đỏ và xanh cũng được gây ra bởi nhiều hiện tượng khác nhau.
Các Loại Dịch Chuyển Đỏ
Nhìn chung có ba loại dịch chuyển đỏ trong vật lý thiên văn.
Dịch chuyển đỏ tương đối tính (Relativistic Redshift) Đây là hệ quả của hiệu ứng Doppler, một hiệu ứng vật lý được đặt theo tên nhà toán học và vật lý người Áo Christian Andreas Doppler, chỉ ra rằng nếu quang phổ của một thiên thể chẳng hạn như ngôi sao hoặc thiên hà bị dịch về phía đỏ hoặc xanh, ta biết được thiên thể ấy đang di chuyển ra xa hay gần đối với chúng ta. Không những thế, vận dụng hiệu ứng này, chúng ta còn tính được vận tốc di chuyển của thiên thể đó so với chúng ta. Ví dụ như thiên hà Tiên Nữ, nó đang dịch chuyển xanh tương ứng với tiến đến gần chúng ta
Dịch chuyển đỏ do hấp dẫn (Gravitational Redshift)
Đây là hệ quả của thuyết tương đối rộng, khi một photon di chuyển trong trường thế của một vật thể, chúng phải mất đi một phần năng lượng để thoát ra khỏi trường thế, điều đó có nghĩa là bước sóng của chúng bị dài ra và dịch về phía đỏ.
Ảnh 4: Tần số quan sát được của ánh sáng bị dịch chuyển đỏ do hấp dẫn
f’: tần số quan sát được f: tần số ban đầu G: hằng số hấp dẫn r: bán kính vật thể c: tốc độ ánh sáng Để cho dễ hiểu, điều này tương tự như việc bạn sẽ cảm thấy mệt hơn khi bạn leo lên bậc thang cao hơn. Hơn nữa, dịch chuyển đỏ nhiều hay ít còn phụ thuộc vào mật độ của thiên thể, sao neutron và sao lùn trắng có dịch chuyển đỏ cao hơn các ngôi sao bình thường như mặt trời và lỗ đen thì có dịch chuyển đỏ vô hạn.
Dịch chuyển đỏ vũ trụ (Cosmological Redshift)
Đây là kết quả của sự giãn nở vũ trụ. Vào năm 1920, nhà thiên văn học Edwin Hubble phát hiện ra rằng những thiên hà ở càng xa thì dịch chuyển đỏ càng lớn, điều đó có nghĩa là vũ trụ đang giãn nở.
Tuy nhiên, có một sự khác biệt lớn giữa dịch chuyển đỏ vũ trụ và hiêu ứng Doppler bình thường. Chúng ta không thể quy sự dịch chuyển đỏ vũ trụ cho vận tốc tương đối giữa hai thiên hà. Photon từ các thiên hà bị dịch chuyển đỏ do sự giãn nở của không thời gian dẫn đến việc hai thiên hà có thể đi ra xa nhau với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng mà không vi phạm thuyết tương đối hẹp.
Kết lại, dịch chuyển đỏ là một khái niệm rất quan trọng trong thiên văn học, giúp chúng ta hiểu được sự di chuyển và tình trạng của các vật thể trong vũ trụ. Chúng cung cấp cho chúng ta thông tin quan trọng về cấu trúc và sự mở rộng của vũ trụ, từ giúp chúng ta khám phá được nhiều điều mới mẻ về nguồn gốc và lịch sử của vũ trụ rộng lớn này.
Tham Khảo
Nakra, B. R., & Nakra, R. (2020, April 19). What Is Redshift And Why Is It So Important To Study The Universe? The Secrets of the Universe. https://www.secretsofuniverse.in/redshift-and-its-types/
