Thám hiểm Vũ trụ- Exploring the Universe

Vietsciences- Nguyễn Quang Riệu (26/10/2008)
Chúng ta có thể nhìn thấy bằng mắt thường hàng nghìn ngôi sao sáng nhất trong Dải Ngân hà. Hàng tỷ những ngôi sao khác và những thiên hà trong Vũ trụ chỉ xuất hiện trong kính thiên văn lớn. Những thiên thể không những chỉ phát ra ánh sáng mà còn là những nguồn bức xạ phát trên toàn bộ phổ điện từ. Muốn nghiên cứu các thiên thể, các nhà thiên văn cần phải quan sát trên nhiều bước sóng, từ bức xạ gamma, X, tử ngoại và khả kiến đến bức xạ hồng ngoại và vô tuyến. Bản chất của bức xạ vũ trụ tùy thuộc vào điều kiện vật lý, chẳng hạn nhiệt độ, mật độ của vật chất và từ trường. Khí quyển trái đất hấp thụ hoặc phản chiếu phần lớn bức xạ điện từ của Vũ trụ. Bức xạ vũ trụ chỉ lọt qua hai “cửa sổ điện từ” rất hẹp, chủ yếu nằm trong miền sóng khả kiến-hồng ngoại gần và trung bình và miền sóng vô tuyến. Các nhà thiên văn phải sử dụng những kính thiên văn phóng lên không gian, nếu họ muốn quan sát trên những miền sóng nằm ở ngoài hai cửa sổ điện từ.

Vũ trụ là một phòng thí nghiệm vĩ đại, trong đó những điều kiện vật lý khác nhau tạo ra nhiều hiện tượng đôi khi không thực hiện được trong các phòng thí nghiệm. Ngành thiên văn vật lý liên quan đến nhiều lĩnh vực, từ toán học, vật lý, hóa học đến sinh học. Một trong những môn đáng được chú ý của thiên văn vật lý là vũ trụ học, môn chuyên nghiên cứu nguồn gốc và sự tiến hóa của Vũ trụ cùng bản chất của vật chất và năng lượng. Những môn khác nghiên cứu quá trình vật lý tạo ra những hiện tượng quan sát trong những thiên hà và sao và trong môi trường giữa những ngôi sao cùng những thiên thể siêu đặc như lỗ đen. Sự tìm kiếm những hành tinh ở ngoài hệ mặt trời và sự sống trong Vũ trụ cũng là những đề tài nghiên cứu. Muốn đạt được mục tiêu, các nhà thiên văn phải sử dụng những kính thiên văn lớn, được trang bị máy thu và phổ kế có độ nhạy và độ phân giải cao, hoạt động trên những miền sóng phủ tất cả phổ điện từ.

Vũ trụ học

Hubble quan sát thấy các thiên hà đều lùi xa nhau và phát hiện là Vũ trụ dãn nở. Theo định luật Doppler, bức xạ của những thiên hà phải dịch chuyển về phía bước sóng dài (dịch chuyển về phía đỏ). Hai khái niệm về Vũ trụ có tính cạnh tranh nhau đã được đề xuất. Theo “mô hình trạng thái ổn định”, vật chất trong Vũ trụ được tạo ra liên tục để bù trừ sự giảm sút mật độ vật chất vì Vũ trụ dãn nở. Ngược lại, “mô hình Big Bang” ủng hộ khái niệm Vũ trụ đột nhiên ra đời đã khoảng 14 tỷ năm, từ một môi trường cực kỳ đặc và nóng. Sau đó, Vũ trụ dãn nở liên tục và nguội dần.

Thuyết Big Bang, tuy chưa hoàn thiện, nhưng tỏ ra có cơ sở tương đối vững chắc khi được đối chiếu với những kết quả quan sát. Thuyết Big Bang được đa số các nhà thiên văn vật lý chấp nhận. Vũ trụ ban đầu rất nóng và bị iôn hoá. Trong môi trường plasma nguyên thủy này, những hạt photon không di chuyển dễ dàng vì tương tác với những hạt electron tự do. Do đó, Vũ trụ mờ đục trong khoảng 400 000 năm đầu, cho tới khi nhiệt độ giảm xuống còn khoảng 4000 độ Kelvin. Khi đó, electron mới tái hợp được với ion để sản xuất ra những nguyên tử trung hòa và Vũ trụ mới trở nên trong sáng.

Trọng lực là lực rất phổ biến trong thiên nhiên, làm các thiên hà kết hợp với nhau thành từng chùm thiên hà. Hình dạng và sự tiến hóa của Vũ trụ được xác định bằng phương trình trong thuyết tương đối rộng của Einstein, bao hàm vật chất và năng lượng. Những phương trình này không được giải một cách tổng quát và chi tiết, nên một số mô hình đã được đề xuất để đơn giản hoá phương trình. Mô hình Friedmann phổ biến nhất giả định là Vũ trụ đồng đều và đẳng hướng trên phạm vi rộng. Vũ trụ xuất phát từ một điểm kỳ dị có thể coi là Big Bang, sau đó cứ dãn nở, thậm chí có khả năng sập sụp vì lực hút hấp dẫn của vật chất. Mô hình này tỏ ra phù hợp với sự phát hiện ra bức xạ Vi ba Phông Vũ trụ tràn ngập khắp không gian. Bức xạ di tích này là tàn dư của vụ nổ Big Bang mà các nhà thiên văn vô tuyến phát hiện năm 1965. Những kết quả quan sát về sau bằng vệ tinh COBE, WMAP và bóng thám không cho thấy bức xạ Phông Vũ trụ không đồng đểu. Những vùng lổn nhổn vật chất trong Vũ trụ nguyên thủy là mầm mống của những chùm thiên hà mà các nhà thiên văn quan sát thấy hiện nay.

Mô hình “Big Bang nóng” được cải tiến để giải thích cấu trúc của Vũ trụ trên phạm vi rộng với đầy đủ chi tiết. Vũ trụ nguyên thủy không dãn nở đồng đều. Không lâu sau thời điểm Big Bang, Vũ trụ đột nhiên gia tốc và phình ra trong giây lát làm kích thước của Vũ trụ tăng lên theo số mũ. Hiện tượng “lạm phát” này được đề xuất để giải thích sự đồng đều trên phạm vi rộng của bức xạ Phông Vũ trụ và tính chất bằng phẳng của Vũ trụ dựa trên những kết quả quan sát. Những cấu trúc nhỏ không đồng đều trong Vũ trụ, xuất phát từ những thăng giáng lượng tử, được khuếch đại trong pha lạm phát và cuối cùng là sập sụp để tạo ra những thiên hà.

Lý thuyết dây ủng hộ quan niệm cho rằng phần tử cơ bản của vật chất tồn tại dưới dạng những sợi dây nhỏ li ti, thay vì những hạt cơ bản. Kích thước của dây vũ trụ nhỏ không đáng kể so với kích thước đặc trưng thông dụng trong những cuộc thí nghiệm thông thường. Lý thuyết dây cần đến một không-thời gian có tối thiểu mười chiều, chứ không phải là bốn chiều như thường lệ. Những chiều phụ rất cong và không nhìn thấy. Dây tuy có kích thước nhỏ nhưng có lực căng rất lớn. Tính chất của những hạt cơ bản thông thường được tạo ra từ những kiểu dao động của dây. Lý thuyết dây có khả năng dẫn đến một lý thuyết lượng tử hoá lực hấp dẫn và sẽ được dùng để nghiên cứu Vũ trụ nguyên thủy ở thời điểm gần Big Bang, khi Vũ trục có mật độ và độ cong cực kỳ lớn. Lý thuyết dây sẽ có thể là “lý thuyết của đủ mọi thứ”, thống nhất được tất cả các lực, tức là lực hạt nhân yếu và mạnh, lực điện từ và lực hấp dẫn. Tuy nhiên, sự xác nhận bằng thí nghiệm là dây có thật hay không vẫn còn vượt quá khả năng của những máy gia tốc hiện thời.

Những loại sao siêu mới rất sáng (loại Ia), bùng nổ trong những thiên hà xa xôi, được dùng làm vật chỉ thị khoảng cách. Những thiên thể này có độ sáng nội tại như nhau, nên độ sáng biểu kiến của chúng chỉ phụ thuộc vào khoảng cách. Những sao siêu mới dường như mờ hơn là theo dự đoán dựa trên kết quả đo đạc sự dịch chuyển về phía đỏ của phổ. Những sao siêu mới này hẳn phải ở xa hơn là dự đoán và do đó Vũ trụ phải dãn nở ngày càng nhanh. Về mặt lý thuyết, một tham số gọi là “hằng số vũ trụ Lamđa”, là nguyên nhân của sự gia tốc của hiện tượng dãn nở Vũ trụ. Hằng số này tương ứng với một lực đẩy mà lúc đầu Einstein đã đưa vào phương trình của mình để chống lại lực hút hấp dẫn, nhằm tìm thấy một lời giải cho một Vũ trụ tĩnh. Về mặt vật lý, hằng số vũ trụ được kết hợp với một loại năng lượng gọi là năng lượng tối, có khả năng làm Vũ trụ dãn nở ngày càng nhanh. Năng lượng này được kết hợp với năng lượng chân không rất quen thuộc đối với các nhà vật lý hạt cơ bản. Ngoài ra, sự quan sát bức xạ Phông Vũ trụ và các sao siêu mới cho thấy Vũ trụ chứa tới 70% năng lượng tối và 30% vật chất, mà đa số lại là vật chất tối vô hình. Những kết quả này phù hợp với một Vũ trụ phẳng chi phối bởi năng lượng tối và ở một mức độ nào đó bởi vật chất tối. Tuy nhiên, bản chất của những thành phần tối vẫn chưa được làm sáng tỏ. Vật chất thường, gọi là “baryon”, là thành phần vật chất của những ngôi sao và của môi trường giữa những ngôi sao và cũng là những nguyên tử và phân tử trong tế bào sinh vật trên Trái đất. Baryon chỉ chiếm 4% tổng số vật chất trong Vũ trụ.

Môi trường giữa những ngôi sao

Môi trường giữa những ngôi sao, chủ yếu chứa khí và bụi, cũng là một đối tượng nghiên cứu quan trọng. Mật độ và nhiệt độ trung bình của môi trường này chỉ là vài chục nguyên tử hydro trong một phân khối và vài chục độ Kelvin. Mật độ và nhiệt độ như thế là rất thấp so với những giá trị tương ứng trong môi trường trên Trái đất. Mật độ của môi trường giữa những ngôi sao thấp hơn khoảng mười tỷ tỷ lần mật độ không khí mà ta thở trên Trái đất. Nhiệt độ trung bình trên Trái đất cũng phải cao hơn 273 độ Kelvin (0 độ Celsius). Những nguyên tử nhẹ, chủ yếu là hyđro, đơteri và hêli được sản xuất trong những phút đầu tiên sau Big Bang. Những nguyên tử nguyên thủy nặng hơn và những phân tử đều được điều chế hàng trăm triệu năm sau, trong các ngôi sao thế hệ đầu tiên. Những vật chất này được phun vào môi trường giữa những ngôi sao trong giai đoạn cuối của quá trình tiến hoá của những ngôi sao, đặc biệt là qua những vụ nổ sao siêu mới. Sự tìm kiếm phân tử trong môi trường giữa các ngôi sao đã được tiến hành trên quy mô lớn trong vùng sóng vô tuyến, bởi vì vạch phổ vô tuyến dễ bị kích thích bởi những va chạm giữa những phân tử với hyđro và bởi những bức xạ. Từ bốn thập niên gần đây, các nhà thiên văn đã phát hiện được trong Dải Ngân hà hơn một trăm phân tử, phần lớn là phân tử hữu cơ. Đáng chú ý là sự phát hiện những acid và amin, chẳng hạn acid formic (HCOOH) và methylamin (CH3NH2). Đây là những mẩu của phân tử glycin (NH2CH2COOH), trong đó nhóm mạch bên (gắn với một nguyên tử carbon) là một nguyên tử hyđro đơn lẻ, thay vì một nhóm nguyên tử. Glycin là thành viên đơn giản nhất trong nhóm 20 acid amin thường có trong protein.

Trong ba thập niên gần đây, nhiều nhóm các nhà thiên văn vô tuyến đã săn tìm glycin trong những vùng có nhiều ngôi sao đang hình thành, như Tinh vân Lạp hộ và trung tâm Thiên hà của chúng ta. Những mục tiêu này là nơi nhiều phân tử phức tạp đã được phát hiện và do đó, các nhà thiên văn có nhiều triển vọng để tìm thấy glycin. Cho tới nay, họ chưa tìm được bằng chứng nào cho thấy là có glycin trong không gian vũ trụ. Rất có thể là những vạch phổ glycin quá yếu, nên bị chìm trong nền bức xạ tạo ra bởi những vạch phổ yếu khác và gây ra tình trạng lẫn lộn phổ. Glycin có thể coi là một cái dấu sinh học, chứng minh sự hiện diện của sự sống. Sự phát hiện ra glycin trong không gian giữa những ngôi sao sẽ có tác động lớn, không những đối với ngành thiên văn hoá học, mà còn đối với vấn đề nghiên cứu nguồn gốc của sự sống trên Trái đất và có thể cả ở những nơi nào đó trong Vũ trụ.

Tìm kiếm những hành tinh ở ngoài hệ mặt trời và dấu vết của những hoạt động sinh học biểu lộ sự sống

Chúng ta tự hỏi liệu sự sống có thể tồn tại ở một nơi nào khác trong Thiên hà của chúng ta không? Thiên hà có hằng hà sa số hệ sao cùng những hành tinh quay xung quanh. Sự phát triển sự sống tương tự như trên Trái đất là một quá trình lâu dài. Hệ mặt trời đã được tạo ra từ 4,6 tỷ năm, nhưng loài người nguyên thủy mới xuất hiện cách đây khoảng 3 triệu năm. Sự sống chỉ nảy sinh trên một hành tinh có những điều kiện lý-hoá thích hợp. Hành tinh phải ở không quá gần và không quá xa ngôi sao trung tâm, tức là trong “vùng ở được” của hệ sao, thuận lợi đối với sự sống. Trong hệ mặt trời chẳng hạn, ranh giới của “vùng ở được” cách xa Mặt trời 120 triệu và 250 triệu kilomet (0,8 và 1,6 lần bán kính của quỹ đạo trái đất). Trái đất nằm chính giữa, hành tinh Kim và hành tinh Hoả ở ngoài rìa. Hơn nữa, hành tinh phải có oxi trong khí quyển và nước ở thể lỏng trên bề mặt, hai yếu tố cần thiết cho sự sống.

Những trạm tự động có bánh xe được phóng lên thám hiểm bề mặt những hành tinh lân cận trong hệ mặt trời, chủ yếu là hành tinh Hoả. Nước có thể đã từng chảy trên hành tinh, nhưng nay đã bốc hơi và biến mất. Con tàu vũ trụ Cassini đã thả trạm tự động Huygens để thăm dò khí quyển và bề mặt Titan, vệ tinh lớn nhất của hành tinh Thổ. Những kết quả quan sát từ không gian cho thấy trong khí quyển Titan có hyđrocacbon. Những vùng tối phát hiện trên bề mặt vệ tinh có thể là những hồ mêtan lỏng. Trên Trái đất, chất hữu cơ này tồn tại ở thể khí, nhưng vì nhiệt độ trên Titan rất lạnh, khoảng -180 độ Celsius, nên mêtan đọng lại thành mêtan lỏng. Hồ có thể tồn tại ở ngoài Trái đất như trên Titan, nhưng không nhất thiết là chứa nước. Môi trường của Titan dường như không thích hợp cho lắm đối với loại sinh vật tương tự như trên Trái đất.

Hành tinh không tự phát ra ánh sáng, vì không nóng như những ngôi sao để thực hiện được những phản ứng nhiệt hạch. Hành tinh chỉ có thể phản chiếu những bức xạ phát ra từ ngôi sao đồng hành. Trên một số hành tinh cũng có thể có sự sống. Do đó, sự phát hiện những hành tinh ở ngoài hệ mặt trời là điều kiện tiên quyết cho sự tìm kiếm sự sống trong không gian. Ngôi sao ở trung tâm hệ sao sáng hơn những hành tinh đồng hành hàng tỷ lần. Sự tương phản giữa ánh sáng của ngôi sao và của hành tinh cao đến mức mà các nhà thiên văn khó phát hiện được hành tinh. Nếu quan sát trong vùng sóng hồng ngoại trung bình (~ 10 micro met) thì độ tương phản có thể giảm xuống hàng nghìn lần so với vùng khả kiến. Còn có một trở ngại nữa là khả năng phân biệt được hành tinh đồng hành và ngôi sao, vì khoảng cách biểu kiến giữa hành tinh và ngôi sao thường rất nhỏ. Chẳng hạn, nếu hệ mặt trời được quan sát từ xa, ở khoảng cách 30 năm ánh sáng, thì Trái đất chỉ cách Mặt trời 0,1 giây cung. Trong trường hợp này, muốn có độ phân giải đủ cao để phân biệt giữa Trái đất và Mặt trời, các nhà thiên văn phải sử dụng kính thiên văn rất lớn có đường kính 20 met.

Các nhà thiên văn phải dùng một phương pháp gián tiếp để phát hiện được hành tinh nhằm vượt qua những khó khăn nói trên, bằng cách quan sát những nhiễu loạn của sự chuyển động của ngôi sao, gây ra bởi các hành tinh đồng hành ẩn nấp trong hệ sao. Họ đo sự biến đổi định kỳ của tốc độ xuyên tâm (tốc độ thẳng góc với nền trời) của ngôi sao, do lực hấp dẫn đổi hướng khi hành tinh quay xung quanh ngôi sao. Khi dùng phương pháp này, các nhà thiên văn thường phát hiện được những hành tinh lớn, vì chúng dễ làm nhiễu sự chuyển động của ngôi sao. Cho đến nay, với kỹ thuật đo tốc độ sao, họ đã phát hiện được hơn 200 hành tinh, đa số lớn hơn cả hành tinh Mộc. Hành tinh khổng lồ này nặng gấp 320 lần Trái đất. Mới đây, họ sử dụng một phổ kế có độ phân giải cao để đo sự thay đổi tốc độ chỉ nhỏ khoảng vài met/giây. Các nhà thiên văn đã tìm thấy một hành tinh chỉ nặng bằng 5 lần Trái đất. Những nhận xét dựa trên khối lượng tương đối thấp của hành tinh cho thấy thiên thể này, thuộc hệ sao GI 581, có khả năng là một hành tinh có vỏ đá rắn loại Trái đất. Hơn nữa, “Siêu địa cầu” này còn nằm trong “vùng ở được” của hệ sao, nên có thể có sự sống. Muốn phát hiện những hành tinh nhỏ như Trái đất, các nhà thiên văn còn phải sử dụng những phổ kế có khả năng đo được những thay đổi tốc độ với độ chính xác khoảng 0,1 met/giây. Độ chính xác cao như thế khó có thể đạt được nếu họ dùng kỹ thuật đo tốc độ xuyên tâm.

Một phương pháp khác dùng để phát hiện những hành tinh ở ngoài hệ mặt trời là đo độ giảm ánh sáng, tuy rất thấp, của ngôi sao, mỗi khi hành tinh quay qua trước mặt ngôi sao. Cơ quan Vũ trụ Châu Âu, ESA, đã phóng trong năm 2006 một vệ tinh được thiết kế riêng để phát hiện hành tinh bằng phương pháp đo độ giảm ánh sáng. Các nhà thiên văn hy vọng quan sát được hàng trăm nghìn ngôi sao, nhằm phát hiện những hành tinh có vỏ đá rắn nhỏ như Trái đất.

Một phương pháp để phát hiện trực tiếp hành tinh trong những hệ sao là tìm cách làm tắt ánh sáng chói lọi của ngôi sao, mà chỉ để lộ ra ánh sáng yếu ớt của hành tinh đồng hành. Đây chính là mục tiêu của đề án Darwin đầy tham vọng của ESA. Đề án này sử dụng kỹ thuật giao thoa để che ánh sáng của ngôi sao. Hệ Darwin gồm có sáu kính thiên văn phóng lên không gian ở độ cao 1,5 triệu kilomet và được sắp xếp theo hình sáu cạnh. Hệ kính quay xung quanh Mặt trời với tốc độ quay của Trái đất. Những kính thiên văn hoạt động tương quan với nhau thành một mạng giao thoa, tạo ra những “vân” sáng và những “vân” tối. Mạng giao thoa được điều chỉnh để ánh sáng đến từ hướng ngôi sao bị lệch pha và giảm đi (một vân tối trùng với vị trí của ngôi sao), còn ánh sáng từ hướng hành tinh có cùng pha nên tăng lên (một vân sáng trùng với vị trí của hành tinh). Kỹ thuật hiện đại tinh vi này, tuy thường dùng trên mặt đất trong thiên văn vô tuyến, nhưng rất khó thực hiện trong không gian. Vị trí của mỗi kính thiên văn cần phải hết sức ổn định. Darwin cũng sẽ được dùng để phân tích khí quyển của những hành tinh loại Trái đất phát hiện trong tương lai và để tìm kiếm những hoá chất như oxi, ôzôn, cacbon dioxid, mêtan và nước. Những phân tử này là dấu vết của những hoạt động sinh học trên Trái đất. Darwin sẽ là một đề án đầy hứa hẹn để tìm thấy những hành tinh có những điều kiện vật lý dẫn đến sự nảy sinh ra sự sống ở ngoài Trái đất.

Triển vọng

Bức xạ vũ trụ thu được trong những kính thiên văn quang học và vô tuyến là những bức xạ rất yếu. Những thiên hà xa xôi chỉ sáng như một ngọn nến thắp trên Mặt trăng và quan sát từ Trái đất. Các bức xạ vô tuyến vũ trụ yếu hơn hàng tỷ lần tín hiệu thu được trong máy truyền hình. Kỹ thuật giao thoa rất phổ biến hiện nay có mục tiêu kết hợp một mạng kính thiên văn hoạt động tương quan với nhau, nhằm tăng thêm rất nhiều độ phân giải không gian của hệ kính. Bức xạ vô tuyến của phân tử, phát ra từ vùng những ngôi sao đang được hình thành, đều được khuếch đại bởi hiệu ứng maser. Maser vũ trụ là những nguồn bức xạ mạnh vô cùng và tập trung thành những đốm nhỏ li ti. Phép đo giao thoa là kỹ thuật rất thích hợp để nghiên cứu những nguồn bức xạ này. Hệ giao thoa ALMA là một trong những đề án thiên văn vô tuyến quốc tế lớn nhất của thập niên sắp tới. Hệ ALMA là một tập hợp gồm 64 antenne, mỗi antenne có đường kính 12 met, hoạt động trên những bước sóng milimet. Hệ giao thoa được đặt trên một cao nguyên tại miền bắc nước Chili ở độ cao 5000 met. Những antenne có thể được đặt tại hàng trăm vị trí rải rác trên 18 kilomet. ALMA thuộc thế hệ kính giao thoa khổng lồ hiện đại, được thiết kế để quan sát tỉ mỉ những thiên thể phát ra những bức xạ yếu ớt. Dụng cụ vô tuyến này sẽ được dùng để nghiên cứu cơ chế hình thành của những ngôi sao và hành tinh, cùng những bức xạ của khí và bụi phát ra bởi những thiên hà tạo ra từ thời đại xa xưa, không lâu sau Big Bang.

Phép đo giao thoa cũng được dùng trong miền sóng khả kiến. Hệ “Kính Thiên văn rất Lớn” (VLT), gồm bốn kính 8 met đường kính và một số kính nhỏ hơn, được đặt trong một bãi sa mạc tại miền bắc nước Chili ở độ cao 2600 met. Hệ kính này có thể hoạt động trên phương thức giao thoa. Các nhà thiên văn sử dụng hệ kính VLT để phát hiện những chi tiết rất nhỏ và mờ trong những thiên thể, tương ứng với một nhà du hành vũ trụ đi trên Mặt trăng. Nguồn gốc và sự tiến hoá của Vũ trụ và sự tìm kiếm hành tinh loại Trái đất cũng có thể là những mục tiêu nghiên cứu của kính.

Nhờ có những dụng cụ quan sát lớn đặt trên mặt đất và phóng lên không gian và những máy thu tối tân làm bằng chất bán dẫn và siêu dẫn, cùng những phát triển về mặt lý thuyết, mà các nhà thiên văn sẽ quan sát rất sâu trong Vũ trụ (Hình 1), nhằm khám phá được những hiện tượng thiên nhiên bất ngờ và hấp dẫn.
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Exploring the Universe



Thousands of bright stars in the Milky Way can be seen with the naked eye. Billions of other stars and galaxies in the Universe remain invisible without the use of large telescopes. Astronomical objects do not emit only light but also radiation over the whole electromagnetic spectrum. Their investigation requires the observations at as many wavelengths as possible, from gamma, X-rays, ultraviolet and visible radiation to infrared and radio waves. The characteristics of the cosmic emission depend on the physical conditions, ẹg., the temperature, the density of matter and the magnetic field. Because most of the electromagnetic radiation coming from outer space is either absorbed or reflected by Earth's atmosphere, only two narrow spectral windows, namely the visible-near-mid infrared and radio wavebands, are almost transparent to cosmic radiation. Outside these windows, the observations must be performed with space telescopes.

The Universe is an immense laboratory, in which various physical conditions exist; it allows all kinds of phenomena to take place, even those which cannot be produced in laboratories on Earth. Astrophysics involves many fields, from mathematics, physics, chemistry to biology. One of the main branches of astrophysics is cosmology, which investigates the origin and the evolution of the Universe, as well as the nature of matter and energy. Other topics concern the study of the physical processes at work in galaxies, stars, the interstellar medium and dense objects such as black holes. Searches for planets outside the solar system and for possible life in the Universe have also been undertaken. Large telescopes with high sensitivity detectors and high resolution spectrometers that operate at wavelengths covering the whole electromagnetic spectrum are required for these purposes.

Cosmology

Hubble discovered that the Universe is in expansion as shown by the motion of galaxies receding from one another. Their radiation is shifted towards long wavelengths (ređshifted, ịe., shifted towards the red end of the electromagnetic spectrum), according to the Doppler law. There are two main competing cosmological concepts. In the steady-state model, the creation rate of matter in the Universe balances the decrease of its density due to the expansion, such that the overall Universe remains unchanged. On the other hand, the Big Bang model advocates that the Universe was spontaneously created about 14 billion years ago from a state of infinitely high density and temperature. Since then, the Universe has been continuously expanding and cooling down.

The Big Bang theory, though perfectible, resists better against the confrontation with observation and is, therefore, adopted by the great majority of astrophysicists. At the beginning, the Universe was extremely hot and matter was ionized. In this primordial plasma, photons could not propagate without interacting with free electrons. The Universe was therefore opaque during the first 400,000 years, until the temperature decreased to ~ 4,000 Kelvin. At this temperature, electrons started recombining with ions to produce neutral atoms, allowing the Universe to become transparent.

Gravity is a universal force in nature, holding galaxies together in clusters. The geometry and the evolution of the Universe are governed by Einstein's equations of general relativity involving matter and energy. Since these equations cannot be completely solved generally, simplified models were proposed. The most famous one is Friedmann's model which assumes that the Universe is homogeneous and isotropic on a large scale. The Universe starts as a singular point identified to the Big Bang, then expands and can even collapse under the gravitational attractive force of matter. This model turns out to be consistent with the discovery of the Cosmic Microwave Background (CMB) radiation, which is ubiquitous over the sky. This fossil radiation is the remnant of the Big Bang detected by radio astronomers in 1965. Later the observations with the satellites COBE, WMAP and balloons revealed that the CMB is actually not homogeneous. The inhomogeneities in the primordial Universe are the seeds of clusters of galaxies that we are observing nowadays.

The hot Big Bang model has been improved to explain in detail the large scale structure of the Universe. Instead of expanding uniformly, the primordial Universe experienced, shortly after the Big Bang, a sudden phase of acceleration during which the size of the Universe increases exponentially. The existence of this event, called "inflation", was proposed to explain the large scale uniformity of the CMB and the flatness of the Universe as observed. The lumpy small scale structure of the Universe is associated to the quantum fluctuations which were amplified during the inflation phase and eventually collapsed to form galaxies.

The string theory advocates that the basic element of matter exists in the form of tiny strings, instead of point like elementary particles. The dimensions of cosmic strings are negligibly small, compared to the characteristic scales involved in standard experiments. The string theory requires that space-time has at least ten dimensions, instead of four as usual. The extra dimensions are highly curved and hidden. Strings are small but have very high tension. The properties of different well-known elementary particles are produced by various modes of vibration of strings. The string theory would lead to a quantum theory of gravitation, making it possible to investigate the Universe at its early stage close to the Big Bang, when the density and the curvature of the Universe were infinitely large. The string theory may become a "theory of everything", unifying all fundamental forces, ịe., the weak and strong nuclear, electromagnetic and gravitational forces. However, the confirmation of the existence of strings by experiments is still far beyond the scope of existing particle accelerators.

Bright supernovae of a particular type (Type Ia), exploding in remote galaxies, have been used as indicators of distance. They have the same intrinsic luminosity, and their apparent brightness depends only on their distance. It turns out that supernovae appear fainter than expected from the measurements of the redshift of their spectrum. These results suggest that the observed supernovae are actually farther than predicted and the expansion of the Universe is accelerating. Theoretically, the acceleration is due to a parameter, the so called "cosmological constant lambda", corresponding to a repulsive force initially introduced by Einstein in his equation to balance the gravitational attractive force in order to obtain a solution for a static Universe. Physically, it is associated with a kind of energy, the dark energy, which accelerates the expansion of the Universe. This energy is believed to be related to the vacuum energy familiar to high energy particle physicists. Moreover, the observations of the CMB and the supernovae indicate that the Universe consists of 70% of dark energy and 30% of matter, mostly invisible dark matter. These data are consistent with a flat Universe dominated by dark energy and to some extent by dark matter. However, the nature of the dark components still remains unknown. "Baryonic" matter that is the ordinary matter, constituent of stars and interstellar matter, including atoms and molecules inside the cells of living beings on Earth, amounts to only 4%.

The interstellar medium

The interstellar medium, which contains essentially gas and dust, is also a subject of investigation of major importance. Its average density and temperature are a few ten hydrogen atoms per cubic centimetre and a few ten Kelvin, respectively. These values are very low in comparison with those we know in the Earth environment. The density of the interstellar medium is about ten billion billion times lower than the density of the air we breathe on Earth, where the mean temperature is above 273 Kelvin (0 degree Celsius). Light atoms mainly hydrogen, deuterium and helium were formed during the very first minutes after the Big Bang. The first heavier atoms as well as molecules were manufactured hundreds million years later, by the first generation of stars, and subsequently injected into the interstellar medium during the late stage of stellar evolution, in particular through supernova explosions. Search for interstellar molecules was made extensively at radio wavelengths, since radio lines are easily excited by collisions between molecules and hydrogen as well as radiation. Since four decades, more than a hundred of molecules, among them many organic molecules, have been detected in the Milky Way. Of particular interest is the detection of acids and amines such as formic acid (HCOOH) and methylamine (CH3NH2), which are the fragments of the glycine molecule (NH2CH2COOH). In the glycine molecule, the side chain group (attached to a carbon atom) is a single hydrogen atom, instead of a complex group of atoms. Glycine is the simplest member of the family of 20 standard amino acids found in proteins.

Since three decades, searches for glycine have been made by several groups of radio astronomers in the direction of star forming regions, such as the Orion Nebula and the centre of our Galaxy. These targets are the sites where many complex molecules were detected and therefore appear to be promising for the search for glycine. So far, no evidence has been found for the existence of glycine in space. It is likely that the spectral lines of glycine are too weak and mixed with the background made of other weak molecular lines, causing a spectral confusion. Glycine can be considered as a biomarker, a kind of signature of life. Its detection in the interstellar space would have a great impact not only on astrochemistry, but also on the issue of the origin of life on Earth and possibly elsewhere.

Search for extra-solar planets and tracers of biological activities

The question we may ask is whether or not life exists somewhere else in our Galaxy, which contains myriads of stellar systems similar to the solar system with planets orbiting around. The development of the type of life like that existing on Earth is a very long process. The solar system was born 4.6 billion years ago, but the first human beings only appeared about 3 million years ago. Life can only emerge on a planet which has appropriate physical and chemical conditions. The planet must lie neither too close nor too far from the central star, in a region of the stellar system called the "habitable zone", such that the physical conditions are favourable to harbour life. For example, in the solar system, the frontiers of the habitable zone are between 120 million and 250 million kilometres from the Sun (0.8 and 1.6 times the radius of the Earth orbit). The Earth is in the middle of this zone while Venus and Mars lie at the edges. Furthermore, the planet should have oxygen in its atmosphere and liquid water on its surface, the two elements essential for life.

Robotic rovers were launched to explore the surface of nearby planets in the solar system, in particular Mars. They found evidence for the existence of water, which is all evaporated nowadays. The Huygens probe was released from the Cassini spacecraft to probe the atmosphere and the surface of Titan, the biggest satellite of Saturn. Space observations revealed the presence of hydrocarbons in Titan's atmosphere and dark structures on its surface believed to be lakes filled with liquid methane. This organic species is in the gas phase on Earth, but the very low temperature on Titan, about -180o Celsius, maintains methane in the liquid phase. These results indicate that extra-terrestrial lakes may exist on Titan, but do not necessarily contain water. The environment of Titan does not seem to favour the kind of life similar to that existing on Earth.

Planets do not emit light by themselves since they are not as hot as stars to trigger thermonuclear reactions. They simply reflect radiation coming from the central star and some of them may harbour life. Therefore, the detection of planets outside the solar system (extra-solar planets or exoplanets) is a prerequisite to the search for life in space. The central star is billions times brighter than the companion planets. The contrast between the brightness of the star and the planets is so important that it is quite difficult to detect the latter. The observations can be made in the mid infrared bands (~ 10 micrometre) where the contrast is thousands times lower than in the visible. Another difficulty is the ability to distinguish the planets from the parent stars whose angular separation is very small. For example, if the Earth is observed from a distance of 30 light-years, it would be separated from the Sun by only 0.1 arcsec. Such angular resolution requires the use of a huge telescope of 20 m in diameter.

In order to avoid these difficulties, astronomers have used an indirect method which consists in detecting the perturbation of the motion of the parent star caused by the unseen planets. They measure the periodic change in radial velocity (velocity along the line of sight) of the star, as a result of the changing direction of the gravitational pull from the orbiting planets. This method favours actually the detection of big planets whose motion perturbs more easily the central star. So far more than 200 planets have been discovered by this technique, most of them are much bigger than the giant planet Jupiter, which is 320 times more massive than the Earth. Recently, astronomers have used a high resolution spectrometer to detect velocity changes of the order of a few meters/second. They discovered an extra-solar planet as massive as only 5 times the Earth. Judging from its relatively low mass, this object, which belongs to the stellar system GI 581, is probably a rocky planet of the type of the Earth. Furthermore, this "Super Earth" lies in the habitable zone of the stellar system and may well harbour life. The detection of Earth-size planets requires spectrometers capable of detecting a velocity variation with an accuracy of ~ 0.1 m/s. This performance cannot be achieved with radial velocity techniques.

There exists another method to detect extra-solar planets. It consists in observing the very weak dimming of the starlight when the orbiting planet passes in transit in front of the central star. A satellite dedicated to the detection of planets by the transit method was launched by ESA (European Space Agency) in 2006. Astronomers expect to observe hundređthousands of stars and hope to detect rocky planets as small as the Earth.

The most direct way to detect extra-solar planets in a stellar system is to extinguish the light from the bright central star and let the faint companion planets appear. This is the objective of the ambitious ESA space project Darwin which uses the interferometry technique to remove the starlight. The Darwin system consists of six telescopes placed in a hexagonal configuration, 1.5 million km away from the Earth. The whole system revolves around the Sun at the same velocity as the Earth. The telescopes operate in correlation as an interferometer array, producing bright and dark fringes. The array can be tuned such that the light from the direction of the star interferes destructively (that is a dark fringe coincides with the position of the star), while the light from the direction of the planet interferes constructively (a bright fringe on top of the planet). This sophisticated technique, though routinely used in radio astronomy on Earth, is difficult to operate in space. It requires the position of each telescope to be maintained as stable as possible. Darwin is also intended to analyse the atmosphere of the detected Earth-like planets and search for the elements like oxygen, ozone, carbon dioxide, methane and water. These molecules are the markers of biological activities as we know on Earth. Darwin will be a very promising project to discover the planets where the physical conditions may lead to the emergence of extra-terrestrial life.

Prospects

Cosmic radiation received on the telescope and radio telescope is extremely weak. Remote galaxies are as faint as the flame of a candle placed on the Moon and observed from the Earth. As to their radio emission, it can be billions times weaker than the television signal. Interferometry technique extensively used nowadays combines an array of telescopes operating in correlation and increases dramatically the spatial resolution. Molecular radio emission from star forming regions has been found to be greatly amplified by maser effect. These powerful cosmic masers are made up of very small hot spots. Interferometry is particularly appropriate to their investigation. The radio interferometer ALMA, one of the largest international projects in radio astronomy of the next decade, is composed of sixty four 12-m antennae operating at millimeter wavelengths. It is being installed on a plateau at 5,000 m elevation in northern Chili. The antennae can be placed on hundreds of stations spread over 18 km. This new generation of giant radio interferometers is designed to study faint objects in details. The mechanism of formation of stars and planets, and the radiation of gas and dust from galaxies formed at the very early epochs close to the Big Bang can be studied with this instrument.

Interferometry is also used in the optical domain. The Very Large Telescope (VLT) located in northern Chili in a desert at 2,600 m elevation consists of four 8-m mirrors and a few smaller telescopes. These instruments can work in the interferometric mode, allowing astronomers to detect faint fine structures in celestial objects, equivalent to an astronaut walking on the Moon. The study of the origin and the evolution of the Universe, and the search for earth-like planets are among possible scientific targets.

Thanks to large instruments installed on Earth and launched in space, equipped with state-of-the-art detectors made of semiconductor and superconductor materials, together with theoretical developments, astronomers will probe more deeply the Universe (Fig. 1) and expect to witness the discovery of unexpected and fascinating phenomena.


Tài liệu tham khảo

1. Françoise Combes, Nguyen-Quang-Rieu and Georges Wlodarczak: 1996, Search for interstellar glycine (Astronomy & Astrophysics, Vol. 308, p. 618).

2. Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge and Jayant V. Narlikar: 2000, A Different Approach to Cosmology from a Static Universe through the Big Bang towards Reality (ed. Cambridge University Press).

3. Patrick Peter and Jean-Philippe Uzan: 2005, Cosmologie primordiale (ed. Belin, Paris).

4. S. Udry, X. Bonfils et al. 2007, The HARPS search for southern extra-solar planets. Super-Earth (5 & 8 Earth masses) in a 3-planet system (Astronomy & Astrophysics, Vol. 469, No.3, p. L43).