Bức xạ điện từ mang nhiều thông tin về bản chất của các ngôi sao và các vật thể thiên văn khác. Tuy nhiên, để trích xuất thông tin này, các nhà thiên văn phải có khả năng nghiên cứu lượng năng lượng mà chúng ta nhận được ở các bước sóng ánh sáng khác nhau một cách chi tiết. Hãy cùng xem xét cách chúng ta có thể làm điều này và những gì chúng ta có thể học được.

Thuộc tính của ánh sáng

Ánh sáng thể hiện một số hành vi quan trọng đối với việc thiết kế kính thiên văn và các dụng cụ khác. Ví dụ, ánh sáng có thể phản xạ từ một bề mặt. Nếu bề mặt nhẵn và sáng bóng, như một tấm gương chẳng hạn, hướng của chùm ánh sáng phản xạ có thể được tính toán chính xác từ kiến ​​thức về hình dạng của bề mặt phản xạ. Ánh sáng cũng bị bẻ cong, hoặc khúc xạ, khi nó truyền từ một loại vật liệu trong suốt này sang một loại vật liệu khác — ví dụ, từ không khí vào một thấu kính thủy tinh.

Sự phản xạ và khúc xạ ánh sáng là những đặc tính cơ bản tạo nên sự khả thi của tất cả các dụng cụ quang học (thiết bị giúp chúng ta nhìn rõ mọi thứ hơn) —từ những kính đeo mắt nhỏ xíu cho đến kính thiên văn khổng lồ. Những dụng cụ như vậy thường là sự kết hợp của thấu kính thủy tinh bẻ cong ánh sáng theo nguyên tắc khúc xạ, và gương cong với các đặc tính của phản xạ. Các thiết bị quang học nhỏ, chẳng hạn như kính đeo mắt hoặc ống nhòm, thường sử dụng thấu kính, trong khi kính thiên văn cỡ lớn lại phụ thuộc gần như hoàn toàn vào gương đối với các thành phần quang học chính. Chúng ta sẽ thảo luận về các dụng cụ thiên văn và cách sử dụng chúng đầy đủ hơn trong chương Các dụng cụ thiên văn. Bây giờ, chúng ta chuyển sang một hành vi khác của ánh sáng, một hành vi cần thiết cho việc giải mã ánh sáng.

Năm 1672, trong bài báo đầu tiên mà ông nộp cho Hiệp hội Hoàng gia, Ngài Isaac Newton đã mô tả một thí nghiệm trong đó ông cho phép ánh sáng mặt trời đi qua một lỗ nhỏ và sau đó đi qua một lăng kính. Newton phát hiện ra rằng đối với chúng ta, ánh sáng Mặt Trời vốn trông có màu trắng, lại thực sự được tạo thành từ hỗn hợp của tất cả các màu sắc của cầu vồng (Hình 5.9).

Hình 5.9 Hành động của một lăng kính. Khi chúng ta truyền một chùm ánh sáng trắng qua lăng kính, chúng ta thấy một dải ánh sáng bảy sắc cầu vồng mà chúng ta gọi là quang phổ liên tục.

Hình 5.9 cho thấy cách ánh sáng được phân tách thành các màu khác nhau bằng lăng kính — một mảnh thủy tinh có dạng hình tam giác với các bề mặt khúc xạ. Khi đi vào một mặt của lăng kính, đường truyền của ánh sáng bị khúc xạ (bị bẻ cong), nhưng không phải tất cả các màu đều bị bẻ cong theo cùng một lượng. Sự bẻ cong của chùm tia phụ thuộc vào bước sóng của ánh sáng cũng như các đặc tính của vật liệu, và kết quả là, các bước sóng khác nhau ( màu sắc khác nhau) bị bẻ cong bởi các lượng khác nhau và do đó đi theo các đường hơi khác nhau qua lăng kính. Ánh sáng tím bị bẻ cong nhiều hơn ánh sáng đỏ. Hiện tượng này được gọi là sự phân tán và dùng để giải thích thí nghiệm cầu vồng của Newton.

Khi rời khỏi mặt đối diện của lăng kính, ánh sáng lại bị bẻ cong và bị phân tán thêm. Nếu ánh sáng rời lăng kính được hội tụ trên một màn chắn, các bước sóng hoặc màu sắc khác nhau tạo nên ánh sáng trắng được xếp cạnh nhau giống như cầu vồng (Hình 5.10). (Trên thực tế, cầu vồng được hình thành do sự phân tán của ánh sáng thông qua các hạt mưa.) Bởi vì mảng màu này là một quang phổ của ánh sáng, dụng cụ được sử dụng để phân tán ánh sáng và tạo thành quang phổ được gọi là quang phổ kế.

Hình 5.10 Phổ liên tục. Khi ánh sáng trắng đi qua lăng kính, nó bị phân tán và tạo thành quang phổ liên tục của tất cả các màu. Mặc dù khó có thể nhìn thấy trong phiên bản in này, nhưng trong một quang phổ phân tán tốt, nhiều sự chuyển màu tinh tế có thể nhìn thấy khi mắt bạn quét từ đầu này sang đầu kia (màu tím) (màu đỏ).

Giá trị của quang phổ sao

Khi Newton mô tả các định luật khúc xạ và tán sắc trong quang học, và quan sát quang phổ Mặt Trời, tất cả những gì ông có thể thấy là một dải màu liên tục. Nếu quang phổ của ánh sáng trắng từ Mặt Trời và các ngôi sao chỉ đơn giản là một cầu vồng màu liên tục, thì các nhà thiên văn học sẽ không mấy quan tâm đến việc nghiên cứu chi tiết về quang phổ của một ngôi sao khi họ đã biết được nhiệt độ bề mặt trung bình của nó. Tuy nhiên, vào năm 1802, William Wollaston đã chế tạo một quang phổ kế cải tiến bao gồm một thấu kính để hội tụ quang phổ của Mặt Trời trên một màn hình. Với thiết bị này, Wollaston thấy rằng các màu sắc không được trải ra một cách đồng nhất mà thay vào đó, một số dải màu bị thiếu, xuất hiện dưới dạng các dải tối trong quang phổ mặt trời. Ông đã nhầm lẫn quy những đường này thành ranh giới tự nhiên giữa các màu. Năm 1815, nhà vật lý người Đức Joseph Fraunhofer, sau khi kiểm tra kỹ lưỡng quang phổ mặt trời, đã tìm thấy khoảng 600 vạch tối (thiếu màu) như vậy, khiến các nhà khoa học loại bỏ giả thuyết về ranh giới (Hình 5.11).

Hình 5.11 Quang phổ nhìn thấy của Mặt Trời. Ngôi sao của chúng ta có quang phổ bị cắt ngang bởi các vạch tối được tạo ra bởi các nguyên tử trong khí quyển Mặt Trời hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng nhất định. (tín dụng: sửa đổi công việc của Nigel Sharp, NOAO / Đài quan sát Mặt trời Quốc gia tại Đỉnh Kitt / AURA, và Quỹ Khoa học Quốc gia)

Sau đó, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các vạch tối tương tự có thể được tạo ra trong các quang phổ của các nguồn sáng nhân tạo. Họ đã làm điều này bằng cách truyền ánh sáng đó qua các chất “có vẻ trong suốt” khác nhau — thường là các bình chứa chỉ có một chút khí mỏng trong đó.

Những chất khí này hóa ra không trong suốt ở tất cả các màu: chúng khá mờ ở một vài bước sóng nhất định. Một thứ gì đó trong mỗi chất khí phải chỉ hấp thụ một vài màu ánh sáng và không hấp thụ những ánh sáng khác. Tất cả các chất khí đều làm được điều này, nhưng mỗi nguyên tố khác nhau lại hấp thụ một nhóm màu khác nhau và do đó hiển thị các vạch đậm nhạt khác nhau. Nếu chất khí trong một bình chứa gồm hai phần tử, thì ánh sáng đi qua nó sẽ thiếu màu sắc (hiển thị các vạch tối) cho cả hai phần tử. Vì vậy, rõ ràng là các vạch nhất định trong quang phổ "đi cùng" với các nguyên tố nhất định. Khám phá này là một trong những bước tiến quan trọng nhất trong lịch sử thiên văn học.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta không chiếu quang phổ liên tục vào các chất khí? Thay vào đó, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta đốt nóng các chất khí mỏng giống nhau cho đến khi chúng đủ nóng để phát sáng với ánh sáng của chính mình? Khi đốt nóng các chất khí, một máy quang phổ sẽ không phát hiện ra quang phổ liên tục mà thay vào đó có một số vạch sáng riêng biệt. Có nghĩa là, những khí nóng này chỉ phát ra ánh sáng ở một số bước sóng hoặc màu sắc cụ thể.

Khi khí là hydrogen tinh khiết, nó sẽ phát ra một dạng màu sắc; khi nó là natri tinh khiết, nó sẽ phát ra một mẫu khác. Một hỗn hợp gồm hydrogen và natri phát ra cả hai dãy quang phổ. Màu sắc mà các chất khí phát ra khi chúng bị đốt nóng có cùng màu với màu sắc mà chúng đã hấp thụ khi có nguồn ánh sáng liên tục ở phía sau chúng. Từ những thí nghiệm như vậy, các nhà khoa học bắt đầu thấy rằng các chất khác nhau có các dấu hiệu quang phổ đặc biệt mà nhờ đó có thể phát hiện ra sự hiện diện của chúng (Hình 5.12). Cũng giống như chữ ký của bạn cho phép ngân hàng xác định bạn, kiểu màu độc đáo cho từng loại nguyên tử (quang phổ của nó) có thể giúp chúng ta xác định nguyên tố nào hoặc các nguyên tố nào có trong chất khí.

Hình 5.12 Quang phổ liên tục và quang phổ vạch từ các nguyên tố khác nhau. Mỗi loại khí phát sáng (mỗi nguyên tố) tạo ra các đường vân độc đáo của riêng nó, do đó, thành phần của một chất khí có thể được xác định bằng quang phổ của nó. Quang phổ của các khí natri, hydro, canxi và thủy ngân được hiển thị ở đây.

Các loại quang phổ

Trong các thí nghiệm này, có ba loại quang phổ khác nhau. Quang phổ liên tục (được hình thành khi một chất khí rắn hoặc rất đặc phát ra bức xạ) là một mảng gồm tất cả các bước sóng hoặc màu sắc của cầu vồng. Quang phổ liên tục có thể đóng vai trò như một tấm nền mà từ đó các nguyên tử của chất khí ít đặc hơn nhiều có thể hấp thụ ánh sáng. Vạch tối, hay quang phổ hấp thụ, bao gồm một loạt hoặc mẫu các vạch tối — thiếu màu — chồng lên quang phổ liên tục của một nguồn. Một vạch sáng, hay quang phổ phát xạ, xuất hiện dưới dạng một mẫu hoặc một chuỗi các vạch sáng; nó bao gồm ánh sáng trong đó chỉ có một số bước sóng rời rạc nhất định. (Hình 5.11 biểu thị một phổ hấp thụ, trong khi Hình 5.12 là phổ phát xạ của một số nguyên tố phổ biến cùng với một ví dụ về quang phổ liên tục.)

Khi chúng ta có một chất khí nóng, loãng, mỗi nguyên tố hoặc hợp chất hóa học cụ thể tạo ra dạng vạch quang phổ đặc trưng của riêng nó — chữ ký quang phổ của nó. Không có hai loại nguyên tử hoặc phân tử nào cho các kiểu giống nhau. Nói cách khác, mỗi chất khí cụ thể chỉ có thể hấp thụ hoặc phát ra một số bước sóng nhất định của ánh sáng đặc biệt với chất khí đó. Ngược lại, quang phổ hấp thụ xảy ra khi cho ánh sáng trắng đi qua một chất khí loãng, nguội. Nhiệt độ và các điều kiện khác xác định liệu các vạch sáng hay tối (cho dù ánh sáng được hấp thụ hay phát ra), nhưng bước sóng của các vạch đối với bất kỳ phần tử nào đều giống nhau trong cả hai trường hợp. Đó là mô hình chính xác của bước sóng làm cho dấu hiệu của mỗi phần tử là duy nhất. Chất lỏng và chất rắn cũng có thể tạo ra các vạch hoặc dải quang phổ, nhưng chúng rộng hơn và ít xác định hơn — và do đó, khó giải thích hơn. Tuy nhiên, phân tích quang phổ có thể khá hữu ích. Ví dụ, nó có thể được áp dụng cho ánh sáng phản xạ khỏi bề mặt của một tiểu hành tinh gần đó cũng như ánh sáng từ một thiên hà xa xôi.

Do đó, các vạch tối trong quang phổ Mặt Trời cung cấp bằng chứng về các nguyên tố hóa học nhất định nằm giữa chúng ta và Mặt Trời, đã hấp thụ các bước sóng của ánh sáng Mặt Trời. Bởi vì không gian giữa chúng ta và Mặt Trời khá trống, các nhà thiên văn học nhận ra rằng các nguyên tử thực hiện quá trình hấp thụ phải ở trong một bầu khí quyển mỏng gồm khí mát hơn xung quanh Mặt Trời. Bầu khí quyển bên ngoài này không khác biệt hoàn toàn so với phần còn lại của Mặt Trời, chỉ mỏng hơn và mát hơn. Vì vậy, chúng ta có thể sử dụng những gì chúng ta biết về thành phần của khí quyển này như một chỉ báo về thành phần của toàn bộ Mặt Trời. Tương tự, chúng ta có thể sử dụng sự hiện diện của các vạch hấp thụ và phát xạ để phân tích thành phần của các ngôi sao và đám mây khí khác trong không gian.

Phân tích quang phổ như vậy là chìa khóa của thiên văn học hiện đại. Chỉ bằng cách này, chúng ta mới có thể "lấy mẫu" các ngôi sao, những ngôi sao ở quá xa để chúng ta có thể đến thăm. Những thứ được mã hóa trong bức xạ điện từ từ các thiên thể chính là thông tin rõ ràng về cấu tạo hóa học của các vật thể này. Chỉ khi hiểu được cấu tạo của các ngôi sao, các nhà thiên văn học mới có thể bắt đầu hình thành lý thuyết về điều gì đã khiến chúng tỏa sáng và cách chúng tiến hóa.

Năm 1860, nhà vật lý người Đức Gustav Kirchhoff trở thành người đầu tiên sử dụng quang phổ để xác định một nguyên tố trong Mặt Trời khi ông tìm thấy dấu hiệu quang phổ của khí natri. Trong những năm sau đó, các nhà thiên văn học đã tìm thấy nhiều nguyên tố hóa học khác trong Mặt Trời và các ngôi sao. Trên thực tế, nguyên tố heli được tìm thấy đầu tiên trên Mặt Trời từ quang phổ của nó và mãi sau này mới được xác nhận trên Trái Đất. (Từ “helium” bắt nguồn từ helios, tên tiếng Hy Lạp của Mặt Trời).

Tại sao lại có những vạch cụ thể cho từng nguyên tố? Câu trả lời cho câu hỏi đó vẫn bỏ ngỏ mãi cho đến thế kỷ XX; câu trả lời này yêu cầu đến sự phát triển một mô hình cho nguyên tử. Do đó, chúng ta chuyển sang phần tiếp theo để xem xét kỹ hơn các nguyên tử, thứ đã cấu thành nên mọi vật chất.

Hình 5.13 Khúc xạ cầu vồng. (a) Biểu đồ này cho thấy ánh sáng từ Mặt trời, nằm phía sau người quan sát, có thể bị các hạt mưa khúc xạ như thế nào để tạo ra (b) cầu vồng. (c) Sự khúc xạ phân tách ánh sáng trắng thành các màu thành phần của nó.

Bên lề: Tìm hiểu thêm về cầu vồng

Cầu vồng là một minh họa tuyệt vời cho sự phân tán của ánh sáng Mặt Trời. Bạn có cơ hội tốt để nhìn thấy cầu vồng bất cứ lúc nào nếu bạn đang ở giữa Mặt Trời và một cơn mưa rào, như minh họa trong Hình 5.13. Những hạt mưa hoạt động giống như những lăng kính nhỏ và phá vỡ ánh sáng trắng thành quang phổ màu sắc. Giả sử một tia sáng Mặt Trời gặp một hạt mưa và đi vào nó. Ánh sáng thay đổi hướng — bị khúc xạ — khi nó truyền từ không khí sang nước; ánh sáng xanh và tím bị khúc xạ nhiều hơn ánh sáng đỏ. Một số ánh sáng sau đó bị phản xạ ở mặt sau của giọt mưa và xuất hiện lại từ phía trước, nơi nó lại bị khúc xạ. Kết quả là, ánh sáng trắng được trải ra thành một cầu vồng nhiều màu sắc.

Lưu ý rằng ánh sáng tím nằm phía trên ánh sáng đỏ sau khi nó ló ra khỏi hạt mưa. Tuy nhiên, khi bạn nhìn vào cầu vồng, ánh sáng đỏ ở trên bầu trời lại ở cao hơn. Tại sao? Nhìn lại Hình 5.13. Nếu người quan sát nhìn hạt mưa ở cao trên bầu trời, thì tia sáng tím lướt qua đầu và ánh sáng đỏ lọt vào mắt người đó. Tương tự như vậy, nếu người quan sát nhìn vào một hạt mưa ở thấp trên bầu trời, ánh sáng màu tím đến mắt cô ấy và giọt nước đó có màu tím, trong khi ánh sáng màu đỏ từ giọt nước đó đi xuống mặt đất và không được nhìn thấy. Màu của các bước sóng trung gian bị khúc xạ đối với mắt bởi những giọt có độ cao trung gian giữa những giọt có màu tím và những giọt có màu đỏ. Vì vậy, một cầu vồng đơn luôn có màu đỏ ở bên ngoài và màu tím ở bên trong.

(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)