Đang tải... (xem toàn văn)
tìm hiểu nghiên cứu thiên hà
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ĐỀ TÀI: GVHD: Thầy Cao Anh Tuấn Các thành viên thực hiện: Giang Minh Tuấn Lương Chí Vinh Nguyễn Thị Thùy Quyên Tạ Hoàng Anh Khoa Nguyễn Lê Gia Hỷ K40.102.104 K40.102.109 K40.102.073 K40.102.037 K40.102.116 MỤC LỤC I/Giới thiệu II/Giải thích khái niệm: 2.1 Thiên hà: 2.2 Ngân Hà: 2.3 Tìm hiểu Ngân Hà: 2.3.1 Kích thước khối lượng: 2.3.2 Thành phần cấu trúc: 2.3.3 Cách “cân” Ngân Hà: .8 2.3.4 Cách tính số lượng Ngân Hà: 2.3.5 Các số liệu vềNgân Hà 10 III/Phân loại thiên hà 10 3.1 Dựa theo hình dạng thiên hà 10 3.1.1 Nhóm Thiên hà Elip (Elliptical Galaxies) .11 3.1.2 Nhóm Thiên hà xoắn ốc thiên hà xoắn ốc gãy khúc (Spiral Galaxies) 13 3.1.3 Nhóm Thiên hà vô định hình .14 3.2 Dựa theo khối lượng độ đậm đặc vật chất 15 IV/Sự hình thành thiên hà: 15 V/Cách quan sát thiên hà – Định luật Hubble 17 5.1 Các dải xạ điện từ dùng để quan sát thiên hà 17 5.1.1 Quan sát thiên hà ánh sáng nhìn thấy 17 5.1.2 Quan sát thiên hà xạ Hồng ngoại: 22 5.1.3 Quan sát thiên hà Sóng vô tuyến 24 5.1.4 Quan sát thiên hà xạ Hidro trung hòa 21cm 26 5.1.5 Quan sát thiên hà xạ Tử ngoại tia X 28 5.2 Hiện tượng lệch phía đỏ - định luật Hubble khoảng cách tới thiên hà 29 5.2.1 Hiện tượng lệch đỏ (Red shifts) 29 5.2.2 Định luật Hubble 31 VI/Vận tốc quay thiên hà 34 6.1 Các nghiên cứu vận tốc quay thiên hà .34 6.2Vận tốc quay Thiên Hà 36 6.2.1 Sự quay Thiên Hà .36 6.2.2 Vận tốc quay Thiên hà: .37 VII/Danh mục tài liệu tham khảo 40 I/Giới thiệu Từ ngàn xưa người muốn tìm hiểu khám phá vũ trụ, muốn biết điều lạ nằm bầu trời xanh quen thuộc Ước mơ thúc, tạo động lực cho nhà khoa học tìm tòi, phát triển nhiều dự án để khám phá, tìm hiểu vũ trụ, thiên hà Ngân Hà, nhà Trái Đất Theo lẽ thường, muốn nhận biết vật thật, hữu tồn không gian, thời gian ví dụ bi, khối gỗ, người ta phải vận dụng tất giác quan để cảm nhận mắt để nhìn nhận biết màu sắc, hình dáng, tai để nghe âm từ vật phát ra, tay để cầm nắm, Thế cách áp dụng cho vật thể có kích thước không to khoảng cách không xa với Còn sao, hành tinh rộng thiên hà hay toàn vũ trụ vật thể, hay tập hợp vật thể, to lớn cách rất xa, Thiên hà gần Trái đất gọi Đám mây lớn Magellanic (LMC) mà theo tiến sĩ thiên văn học Grzegorz Pietrzynski đồng nghiệp cho biết khoảng cách từ đến Trái đất 163.000 năm ánh sáng hay 49,97 kiloparsecs theo Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA), ngày 15-8-2015 cho vệ tinh Voyager bay xa tới khoảng không gian chưa xác định nằm rìa Hệ Mặt trời cách Trái đất 100 AU (100 lần khoảng cách Mặt trời Trái đất), tương đương 15 tỷ km Không chấp nhận bỏ cuộc, nhà khoa học tiếp tục tìm tòi nghiên cứu phát triển tàu du hành vũ trụ, vệ tinh nhân tạo, chí đưa người lên sao, hành tinh để thu thập mẫu vật gửi Trái Đất để quan sát Qua mà hành tinh, dường trở nên không bí ẩn nữa, bí mật vũ trũ bước bật mí Tuy việc chế tạo tàu vũ trụ, vệ tinh hay đưa người lên không gian khí lại vô tốn Theo NASA ước tính chi phí trung bình lần thực nhiệm vụ đưa phi thuyền vào vũ trụ 450 triệu USD Chuyên trang vũ trụ Space.com lại đưa số khác 1,6 tỉ USD Mỗi lần nhiệm vụ bị hoãn khiến người dân Mỹ 1,3 triệu USD ngày Đồng thời việc phóng phi thuyền đưa người vào vũ trụ nguy hiểm cho phi hành gia, ngày 1/2/2003, tàu Columbia gặp cố đường trở Trái Đất, bị vỡ tan trình hạ cánh, khiến toàn phi hành gia thiệt mạng Hơn nhiệt độ bề mặt cao hay thấp làm hỏng vệ tinh, giết chết người vừa bước vào vùng hấp dẫn chúng Khi cánh cửa đóng lại, cánh cửa khác mở Nếu chủ động tìm đến, không đến cầu lửa khổng lồ hay gã khổng lồ huyền bí cất giấu bí mật vũ trụ thiên hà chúng để chúng gửi đến thông điệp mà chúng muốn Những thông điệp những tín hiệu xạ điện từ phát sao, hành tinh đám bụi khí thiên hà mà quan sát mắt thường hay thiết bị quang học đặc biệt, đại Từ thông điệp ấy, vũ trụ mở lối cho người tìm hiểu mà vài số muôn vàn bí mật người tìm hiểu thông qua xạ điện từ người có thể: + Biết được hình ảnh, cấu trúc, khối lượng, đặc điểm tính chất thiên hà phân loại chúng thành nhóm khác theo sơ đồ Hubble + Tính nhiệt độ bề mặt hành tinh, từ suy nhiệt độ trung bình thiên hà (theo công thức Wien, công thức Stefan Boltzman hay công thức độ lệch màu ánh sáng qua hai kính lọc đỏ xanh) + Tính so sánh độ sáng sao, lập giản đồ liên hệ độ sáng nhiệt độ chúng (giản đồ H-R) từ biết hình thành, tiến hóa sao, Thiên hà toàn vũ trụ + Tính khoảng cách từ Trái đất đến đến rìa hay Tâm Ngân Hà thiên hà khác (phương pháp thị sai nhật tâm hay phương pháp tính dựa giản đồ H-R) + Biết thành phần cấu tạo, trạng thái vật lý thiên hà qua quang phổ vạch hay quang phổ hấp thụ chúng chất có quang phổ vạch quang phổ vạch hấp thụ đặc trưng riêng cho chất + Biết chuyển động xa hay lại gần Trái Đất Thiên hà qua độ lệch đỏ vạch quang phổ hấp thụ thiên hà theo hiệu ứng Doppler quang học Nếu tiến xa khỏi Trái Đất vạch quang phổ hấp thụ lệch nhiều phía đỏ, ngược lại tiến gần tới Trái Đất vạch quang phổ hấp thụ lệch phía xanh Các thiên hà từ không bí mật II/Giải thích khái niệm 2.1 Thiên hà Thiên hà hệ thống lớn thiên thể vật chất liên kết với lực hấp dẫn, bao gồm sao, tàn dư sao, môi trường liên chứa khí, bụi vũ trụ vật chất tối.Trong tiếng Anh, thiên hà gọi galaxy Còn tiếng Hy Lạp cổ, gọi galaxias Trong vũ trụ có vô số thiên hà.[61] 2.2 Ngân Hà[62] Trong tiếng Anh, Ngân Hà gọi Milky Way Ngân Hà tên gọi riêng thiên hà mà chứa hệ mặt trời Vì nói cách khác, Ngân Hà thiên hà Từ lý giải tên gọi milky way tiếng Anh xuất phát từ chữ galaxias tiếng Hy Lạp cổ có nghĩa “dòng sữa” (milky), ngụ ý nói Ngân Hà chất thiên hà Còn lý người Hy Lạp cổ gọi “dòng sữa trời” xưa chưa có kính thiên văn, người mắt thường nhìn lên bầu trời thấy dải màu trắng sữa tập hợp từ nhiều mà ta phân biệt mắt thường 2.3 Tìm hiểu Ngân Hà 2.3.1 Kích thước khối lượng Ngân Hà thiên hà xoắn dạng (barred spiral galaxy) thuộc cụm thiên hà Địa Phương (Local Group), lớn siêu cụm thiên hà Virgo, siêu cụm Virgo lại phần siêu cụm Laniakea.[49] Ngân Hà thiên hà lớn thứ hai Cụm Địa Phương (cụm gồm 50 thiên hà), với đường kính đĩa thiên hà khoảng 100.000 năm ánh sáng dày khoảng 100 năm ánh sáng Tuy nhiên theo nghiên cứu người ta thấy bao quanh Ngân Hà có dải dải thuộc Ngân Hà, nên kích thước Ngân Hà 150 đến 180.000 năm ánh sáng.[49] Theo nghiên cứu mới, khối lượng dải Ngân Hà 210 tỉ lần khối lượng mặt trời Sai số tính toán dường 20% Trong đó, tính toán trước khối lượng dải Ngân Hà ước tính 750 - 1.000 tỉ lần khối lượng Mặt trời, sai số lên tới 100%[66] Người ta phát có quầng vật chất tối trải rộng tương đối khoảng cách lớn 100 kiloparsec tính từ trung tâm Ngân Hà Tổng khối lượng Ngân Hà nằm khoảng từ 46 đến 64,3 tỷ khối lượng Mặt Trời, 10% đến 15% khí, với 2/3 dạng nguyên tử 1/3 dạng phân tử, khối lượng bụi 1% khối lượng khí đó[49] 2.3.2 Thành phần cấu trúc Ngân Hà chứa khoảng từ 200 đến 400 tỷ Con số xác phụ thuộc vào số lượng lùn, loại khó phát hiện, đặc biệt khoảng cách lớn 300 năm ánh sáng tính từ Mặt Trời Lấp đầy không gian môi trường liên gồm khí bụi.[49] Nếu ta nhìn từ bên vào theo hướng mặt cắt ngang Ngân Hà gồm phần sau: [12] _Đĩa thiên hà: Phần lớn Ngân Hà tập trung Thành phần đĩa chủ yếu trẻ, già, lượng lớn khí gas bụi Những đĩa di chuyển quanh tâm đĩa theo quỹ đạo gần tròn Đĩa chia làm ba phần: +Thứ phần nhân thiên hà (nucleus) có dạng trung tâm đĩa bán kính khoảng kiloparsec Ngay trung tâm có nguồn phát hồng ngoại vô tuyến tên Sagittarius A* có mật độ lớn, kích thước cỡ Hỏa Năng lượng giải phóng tương đương 20 triệu mặt trời luồng gió điện tích mạnh +Thứ hai phần phình (bulge), khu vực xung quanh tâm, bao gồm phần tiệm cận mặt phẳng đĩa +Thứ ba phần cánh tay xoắn ốc (spiral arms), cánh tay có khởi điểm gần trung tâm Ngân Hà tỏa xung quanh theo đường xoắn Hệ Mặt Trời nằm cánh tay Orion – cánh tay phụ (nhỏ cánh tay chính) thiên hà _Quần tinh cầu (globular clusters): Một vài trăm triệu quần tinh cầu (hay gọi cụm tinh cầu) phân bố rải rác mặt phẳng đĩa Các cụm tinh cầu di chuyển quanh tâm Ngân Hà theo quỹ đạo hình ellip, với phương hướng phân bố ngẫu nhiên Tập trung quần tinh cầu già, già nhiều so với đĩa thiên hà, tồn chí khí gas hay bụi Đường kính quần Ngân Hà vào khoảng 100 kiloparsec _Quần halo: vùng lớn, mờ, bao quanh toàn Ngân Hà, cấu thành từ khí gas nóng vật chất tối Tất thành phần chuyển động quanh nhân thiên hà giữ lại với lực hút Bởi lực hút phụ thuộc vào khối lượng nên bạn nghĩ hầu hết khối lượng Ngân Hà tập trung đĩa thiên hà gần tâm đĩa Tuy nhiên qua nghiên cứu đường cong xoay Ngân Hà thiên hà khác, nhà thiên văn học đến kết luận hầu hết khối lượng nằm phần ngoài, phần rìa thiên hà (ví dụ phần quần), nơi mà có ánh sáng phát từ hay khí gas Các cánh tay xoắn ốc Ngân Hà bao gồm: _Cánh tay Perseus _Cánh tay Sagittarius _Cánh tay Norma _Cánh tay Crux _Cánh tay Orion (chứa Hệ Mặt Trời, cách tâm Ngân Hà 2/3 bán kính Ngân Hà).[53] 2.3.3 Cách “cân” Ngân Hà [66] Làm cách mà nhà khoa học biết Ngân Hà có khối lượng 210 lần khối lượng mặt trời? Câu trả lời áp dụng nhiều với độ xác cao tương đối lớn sử dụng “cấu trúc dòng chảy” Ngân Hà chứa đến 200 tỉ đường kính lên đến 100.000 năm ánh sáng Hệ mặt trời lại phần nhỏ Ngân Hà, nên nhìn lên bầu trời không khác nhìn vào không gian bao la đầy Sự dày đặc số lượng mức độ giới hạn bầu trời mà quan sát khiến cho việc đo đạc đại lượng Ngân Hà vô khó khăn, chẳng hạn khối lượng.[1] Thay sử dụng tốc độ quay quanh tâm quầng Ngân Hà thiên văn học cổ điển giới thiệu phần sau, nhóm nghiên cứu tiến sĩ Andreas Küpper thuộc Đại học Columbia (Mỹ) đứng đầu, quan sát cấu trúc giống luồng chảy bắt nguồn từ hệ thống tinh (nhỏ thiên hà, có dạng hình cầu gồm hàng ngàn sao), có tên gọi Palomar Khi nghiên cứu luồng chảy trên, chuyên gia tuyên bố quan sát "các dao động" khối lượng dải Ngân Hà tạo Dùng siêu máy tính Yeti Đại học Columbia, họ tạo hàng triệu mô hình để tìm mức khối lượng tương ứng với dao động quan sát Trong tương lai, nhà khoa học hy vọng sử dụng thêm nhiều luồng chảy Palomar tinh khác để cải thiện số tính toán Họ muốn nghiên cứu sâu cách so sánh dải Ngân Hà với thiên hà khác vũ trụ 2.3.4 Cách tính số lượng Ngân Hà[43] Trước hết cần xác định việc tìm số xác, xác định số lượng Ngân Hà điều bất khả thi Vì vậy, ước lượng số gần cho số lượng Ngân Hà Những nhà thiên văn học thường dùng ba phương pháp sau để tìm số lượng sao: _ Cách 1: Đo công suất ánh sáng phát từ thiên hà, sau đem chia cho công suất phát sáng trung bình _ Cách 2: Đếm số lượng khu vực nhỏ Ngân Hà để tìm số lượng đơn vị năm ánh sáng khối năm ánh sáng khối = 8,46732407 * 1047 mét khối, sau đem nhân cho tổng thể tích Ngân Hà _ Cách 3: Tìm khối lượng Ngân Hà sau đem chia cho khối lượng trung bình Tuy nhiên, ba phương pháp nêu để lộ rõ nhược điểm Ở phương pháp thứ nhất, ánh sáng bị mờ đi, giảm công suất phát sáng nhiều lý khác trình truyền Ngân Hà vốn nhiều bụi Mặt khác hai có chung công suất phát sáng Còn phương pháp thứ hai, mật độ thay đổi ta xét từ điểm giới hạn xa vùng trung tâm đĩa thiên hà Ngoài ra, công suất phát sáng loại thay đổi cách chóng mặt ta từ cánh tay xoắn ốc (tập trung nhiều trẻ, sáng) đến phần trung tâm Ngân Hà (tập trung nhiều già hơn, mờ hơn) Vì hầu hết nhà thiên văn học chọn phương pháp thứ ba Chúng ta biết ra, Ngân Hà chứa nhiều vật chất khác chẳng hạn đám mây gas, khí gas, lỗ đen, lùn trắng hàng tỉ “giả hành tinh” khác Tất vật thể “không phải sao” góp phần vào tổng khối lượng Ngân Hà Nên để có phần khối lượng toàn Ngân Hà, phải biết khối lượng tất phần “không phải sao”, sau đem trừ cho tổng khối lượng Ngân Hà Những nghiên cứu chi tiết cho kết 90% khối lượng Ngân Hà vật chất tối, khí gas khó nhìn thấy Từ khối lượng Ngân Hà ta tìm được, ta dễ dàng tính khối lượng tổng Ngân Hà Và cần chia cho khối lượng trung bình Có khoảng 53 vòng khoảng cách 16 năm ánh sáng so với mặt trời Từ phát có 11 có khối lượng gần giống với khối lượng mặt trời, lại có tới 42 lùn đỏ với khối lượng khoảng 10% khối lượng mặt trời Điều có nghĩa 15 khối lượng mặt trời, lại có khoảng 53 riêng lẻ, hầu hết chúng lùn đỏ Từ tỉ lệ cho khối lượng trung bình khoảng ¼ khối lượng mặt trời 2.3.5 Các số liệu Ngân Hà [53] _Đường kính đĩa Ngân Hà: 30 kiloparsec (100000 năm ánh sáng) _Đường kính vùng trung tâm: 10 kiloparsec _Khoảng cách từ Mặt Trời đến tâm Ngân Hà: 10 kiloparsec (có thể hơn) _Đường kính quầng Ngân Hà: 100 kiloparsec (không xác) _Độ dày đĩa Ngân Hà: kiloparsec (ở vị trí Mặt Trời) _Số lượng Ngân Hà: 4.1011 _Mật độ vùng lân cận Mặt Trời: 20 sao/ ps3 _Mật độ vật chất trung bình sao: 10-24g/cm3 _Độ trưng: 2.1010 lần độ trưng Mặt Trời _Cấp tuyệt đối: -20,5 _Chu kì quay quanh tâm khoảng cách tới tâm Mặt Trời: 250 triệu năm III/Phân loại thiên hà 3.1 Dựa theo hình dạng thiên hà Dựa vào hình dạng thiên hà, Hubble đưa bảng phân loại thiên hà năm 1920 gọi chuỗi Hubble Chuỗi Hubble nghiên cứu phát triển Edwin Hubble vào năm 1925.Nó gọi biểu đồ "âm thoa" dựa hình dạng đồ thị biểu diễn.[61] 10 Mà c v nên c – v c Suy ra: ( Độ biến thiên bước sóng nêu ) gọi độ dịch chuyển Doppler Chú ý dấu v 5.1.2.3 Ý nghĩa độ lệch đỏ _Nếu nguồn phát sóng dịch chuyển xa người quan sát bước sóng tăng thêm lượng Vạch quang phổ hấp thụ trường hợp có dịch chuyển phía đỏ (Redshifts) _Nếu nguồn phát sóng dịch chuyển lại gần người quan sát bước sóng giảm lượng Vạch quang phổ hấp thụ trường hợp có dịch chuyển phía xanh (Blueshifts) _Hiệu ứng Dopple quang học có vị trí quan trọng cho phép ta khảo sát chuyển động thiên hà, chứng minh chuyển động quay thiên hà, vận tốc hướng chuyển động xa hay lại gần Trái Đất 5.2.2 Định luật Hubble Khoảng cách từ Trái Đất đến thiên hà 5.2.2.1 Quan hệ chu kì công suất xạ (độ trưng) biến quang Cepheid [56] Các biến quang Cepheid có chu kì biến thiên tính năm (T) có liên hệ với độ trưng cấp tuyệt đối (M) Thị sai p (góc giây) biến quang Cepheid xác định theo công thức: Trong đó: m cấp nhìn thấy 31 M cấp tuyết đối Vì kích thước thiên hà bé so với khoàng cách tới chúng nên thị sai sai biến quang nằm thiên hà thị sai thiên hà, cho ta biết khoảng cách tới thiên hà phương pháp thị sai nhật tâm, khoảng cách d tới thiên hà tính bằng: Dựa vào phương pháp người ta xác định khoàng cách tới đám, thiên hà tương đối gần, khoảng cách thiên hà với độ sáng biểu kiến thiên hà gần Tuy nhiên góc thị sai nhỏ mà thiết bị quang học đại đặt Trái Đất quan sát 0,001 góc giây, khoảng cách suy 100 parsec 12,5% khoảng cách từ Trái Đất tới tâm Ngân Hà, nên phương pháp dùng để tính khoảng cách tới thiên hà gần Trái Đất [57] với Thiên Hà vượt khỏi khoảng cách đó, ta sử đụng định luật Hubble 5.2.2.2 Định luật Hubble: [60] Hình thành định luật: Từ năm 1912, người ta phát quan sát thiên hà xoắn ốc, vạch quang phổ có dịch chuyển phía đỏ Dựa vào hiệu ứng này, năm 1929, nhà vật lý thiên văn người Mỹ, Edwin Hubble tìm cách liên hệ độ lệch đỏ Doppler khoảng cách đến thiên hà Từ công thức độ lệch Doppler là: ta đặt ta có: Kết hợp với việc sử dụng công thức liên hệ chu kì –độ trưng biến quang thiên hà để xác định khoảng cách Hubble nhận thấy thiên hà xa chúng chạy nhanh (quan sát độ lệch đỏ thiên hà, độ lệch phía đỏ lớn Z lớn dẫn đến vận tốc chuyển độ xa thiên hà nhanh), nghĩa vận tốc tỉ lệ với khoảng cách hệ số tỉ lệ số Hubble: H có giá trị từ 50 km/s.Mps đến 100km/s.Mps Công thức định luật Hubble: 32 Trong đó: _ d khoảng cách từ thiên hà khảo sát đến Trái Đất _ v vận tốc chuyển động xa theo phương tia nhìn thiên hà, xác định theo hiệu ứng Doppler quang học Ý nghĩa định luật Hubble _Các thiên hà cho quang phổ dịch phía đỏ, chứng tỏ thiên hà xa Nhưng xa tâm mà giãn cách xa điểm bóng thổi căng _Các thiên hà xa Trái Đất lùi xa với vận tốc lớn _Là chứng thực nghiệm cho lý thuyết vũ trụ mở rộng (như điểm bong bóng thổi căng chọn điểm làm gốc điểm có khoảng cách so với gốc lớn khoảng thời gian dịch chuyển đoạn lớn so với điểm gần gốc lúc ban đầu), chứng cho thuyết Big-bang _Định luật Hubble chứng cho tiến hóa không ngừng vũ trụ Ý nghĩa số Hubble (H): _Nếu thiên hà xa Trái Đất megaparsec có vận tốc chuyển động xa Trái Đất 100 km/s Đổi H sang hệ đơn vị chuẩn SI ta có _Ta thấy H tỉ lệ nghịch với thời gian, từ suy thời gian Hubble hay tuổi vũ trụ: 33 Do sai lệch tranh cãi số Hubble nên thời gian Hubble giá trị xác Nhưng nhà khoa học thống chọn khoảng 10 đến 20 tỳ năm số 15 tỷ năm làm tuổi trung bình vũ trụ tính đến hôm _Người ta ước lượng kích thước vũ trụ, khoảng cách Hubble, qua số Hubble sau: Nếu v giá trị lớn d đạt giá trị lớn Theo Einstein ánh sáng quán quân đua vận tốc nên c giá trị cực đại vận tốc, d đạt giá trị cực đại Khoảng cách gọi chân trời vũ trụ Thiên thể xa nhất, già mà tính đến năm 1989 quan sát quasar chòn Đại Khuyển, cách 1,4.1010 năm ánh sáng, vượt khỏi chân trời vũ trụ VI/Vận tốc quay thiên hà 6.1 Các nghiên cứu vận tốc quay thiên hà Mọi điều biết chuyển động thiên hà tìm hiểu từ kỉ 20 Một trăm năm trước, thiên hà điều bí ẩn, vào năm 1899, công nghệ phát triển thay mắt người cách sử dụng thiết bị thu nhận phân tích quang phổ tốt xác J Scheiner, nhà thiên văn học trạm quan sát Posdam, người thành công ghi nhận quang phổ thiên hà M31 nhận diện M31 tập hợp có dạng mặt trời (có phản ứng nhiệt hạch hạt nhân lõi giống mặt trời) [39] Mãi Slipher Wolf khám phá đường nghiêng M31, NGC 4594, thiên hà Sombrero nhà thiên văn học có chứng chứng minh khí thiên hà có xu hướng xoay quanh tâm thiên hà [41] Nhà thiên văn học Pease vào năm 1918 sử dụng kính thiên văn Mount Wilson 60 inch để thu thập liệu quang phổ cao M13 phát rằng: xuất gradient đường hấp thụ quanh trục thiếu hụt gradient quanh trục phụ thiên hà, từ khẳng định chuyển động thiên 34 hà chuyển động vừa quay vừa tịnh tiến xa quanh tâm mà xa lẫn nhau.[34] Sự quan sát chuyển động quay M31 cho thấy giảm vận tốc theo định luật III Niuton Keppler vùng rìa thiên hà.[4] Phần lớn nhà thiên văn học vào năm 50 phát triển suy nghĩ đĩa thiên hà có vận tốc Keppler khoảng cách hạt nhân De Vaucouleurs kết luận từ dạng đường cong vận tốc quay có tất dạng đường cong quay chứa nội miền thằng mà đó, vận tốc quay giảm với gia tăng khoảng cách đến tâm tiệm cận đến định luật Keppler III [13] Margaret and Geoffrey Burbidge (1975) phát vận tốc quay cao khoảng cách hạt nhân lớn, nhiều thiên hà có vùng H II bán kính rộng.[9] Trong có số thể giảm vận tốc Keppler khoảng cách hạt nhân Nửa khoảng sau kỉ 20, thiên văn học thiên hà có bước tiến vượt bậc, thiết bị thu xạ đời CCD, trang bị cho kính thiên văn bước sóng vô tuyến đưa vào ứng dụng Nhất xạ hidro 21cm Hàng trăm đường cong vận tốc quay thu nhận từ năm 1978 đến 1988 (Rubin, Ford, & Thonnard 1978; Bosma 1978; Giovanelli & Haynes 1983; Rubin et al 1985; Sancisi & van Albada 1986; Guhathakurta et al 1988) đến 2000 đường (Mathewson, Ford, & Buchhorn 1992; Prugniel et al 1998), góp phần quan trọng để tìm hiểu quy luật quay thiên hà Chúng ta bước vào kỉ 21 biết thiên hà có quần tối tồn chứa đựng trường hấp dẫn lớn nhiều thiên hà mà người nhìn thấy có xu hướng giãn nở Chuyển động sao, bụi khí thiên hà mà có hai kiểu: _Một nửa theo chiều kim đồng hồ, nửa ngược chiều kim đồng hồ [38] _Sao quay theo chiều định, khí bên với bán kính bụi bật quay ngược chiều với (Braun, Walterbos, & Kennicutt 1992) [8] Vận tốc thiên hà elip khó khăn quan sát phân tích kết cấu hình học không chắn, thiếu hụt khí quỹ đạo elip không tròn mà có cấu trúc elipsoid Nhưng với kỹ thuật giản ước hóa vài đường cong quay tương ứng với quỹ đạo mở rộng thiên hà elip ghi nhận, khẳng định thêm tồn vật chất tối hầu hết thiên hà 35 Cũng giống mối quan hệ Tully-Fisher cho xoắn ốc, ba tham số (bán kính nửa ánh sáng, độ sáng bề mặt, trung tâm phân tán vận tốc) quan hệ phẳng cung cấp công cụ để nghiên cứu trình tiến hóa thiên hà hình elip Những kiến thức chuyển động ngang sao, trước giới hạn cho khu vực lượng mặt trời, mở rộng đến chuyển động quay quanh nhanh chóng vòng quanh hạt nhân (Eckart & Genzel 1996; Ghez et al 1998) [15], trung tâm thiên hà Đối với thiên hà thế, chuyển động theo chiều ngang tịnh tiến cung cấp thông số mà để nghiên cứu vũ trụ Các nhà thiên văn giật khám phá mà phát sinh từ việc xác định vận tốc xuyên tâm thiên hà (Định luật Hubble) 6.2 Vận tốc quay Thiên Hà 6.2.1 Sự quay Thiên Hà Khi quan sát vạch xạ điện từ phát từ Thiên hà ta nhận thấy chúng có lúc bị lệch phía xanh, có lúc lệch phía đỏ hiệu ứng Doppler quang học 36 Điều cho thấy rìa Thiên Hà lúc đến gần Trái Đất, lúc xa lặp lặp lại dịch chuyển lại gần xa cách có chu kì, có hệ thống Sở dĩ vật chất rìa Thiên hà không chuyển động xa hẳn hay lại gần hẳn mà lại lúc xa, lúc lại gần, vật chất thiên hà liên kết với lực hấp dẫn tương hỗ chúng với lực hấp dẫn khổng lồ lỗ đen tâm Thiên hà nên sau hình thành, tác dụng lực tương tác hấp dẫn tất bị nhốt lại hố năng, chuyển động quay quanh tâm Thiên hà theo gia tốc ban đầu cung cấp lúc tạo thành thiên hà Do quy luật ảo giác tri giác nhìn khiến cảm thấy sao, hành tinh Thiên hà xoắn ốc di chuyển xoáy ốc vào tâm Thiên Hà khiến tâm thiên hà ngày dày đặt rìa thiên hà ngày thưa thớt Nhưng thực tế vậy, cánh tay xoắn ốc thiên hà xoắn ốc không di chuyển vào tâm thiên hà mà tất cánh tay chuyển động quay quỹ đạo đồng tâm chúng đứng yên tương (Thật chúng không đứng yên tương hoàn toàn mà chuyển động nhau, xét quy mô chuyển động cánh tay xoắn ốc chuyển động với dường vô nghĩa) 6.2.2 Vận tốc quay Thiên hà: 6.2.2.1 Theo lý thuyết Để tìm vận tốc quay quanh tâm thiên hà ta vận đụng hiệu ứng Doppler quang học tính tương đối chuyển động vật hệ quy chiếu khác Ta tiến hành sau: Trước tiên ta thu nhận quang phổ vạch hấp thụ tâm thiên hà Do thiên hà chuyển động xa gây tượng Doppler quang học khiến cho bước sóng thu nhận bị lệch lượng so với bước sóng thực tế Từ tính vận tốc chuyển động theo phương tia nhìn tâm thiên hà so với Trái Đất, đặt v1Đ Ta tiến hành tương tự cho rìa thiên hà có vận tốc chuyển động theo phương tia nhìn so với Trái Đất, đặt v2Đ 37 Vận tốc quay thiên hà vận tốc chuyển động thiên hà so với tâm thiên hà đặt v21 Mà theo định luật Hubble thiên hà chuyển động xa nên theo phương tia nhìn tâm thiên hà, rìa thiên hà chuyển động phương, chiều so với Trái Đất nên vậy, vận tốc rìa thiên hà so với tâm nó, hay vận tốc quay thiên hà tính bằng: Theo Thiên Văn học cổ điển chuyển động quay thiên hà xem chuyển động quay quanh trục vật rắn mà khối lượng tập trung toàn vào khối tâm, tâm thiên hà Khi lực hấp dẫn tâm thiên hà đóng vai trò lực hướng tâm theo định luật II Niutơn ta có Trong đó: M khối lượng thiên hà (kg) G số hấp dẫn Niutơn G=6,67.10-11Nm2/kg2 r khoảng cách từ tâm thiên hà đến điểm xét (m) v vận tốc quay thiên hà (m/s) Qua mà người ta nhận thấy vận tốc quay thiên hà tỉ lệ nghịch với r1/2 đồng thời tính khối lượng thiên hà M 6.2.2.2 Theo thực tế: Tuy nhiên theo Thiên Văn học đại khối lượng Thiên hà không tập trung tất vào tâm thiên hà mà phân bố không đồng thiên hà dẫn đến khối lượng phân bố không đồng Vì mà phương pháp áp dụng học cổ điển mang lại độ xác chưa cao, tính tin cậy chưa đủ Người ta sử dụng cách tính khác đề khối lượng thiên hà phương pháp năng, phương pháp độ trưng, ( quan sát độ lệch Doppler sao, tính bước sóng thật xạ, tính nhiệt độ bề mặt biết tính chất hóa học sao, chiếu lên giản đồ H –R hay công thức Stefan Bolzman tìm độ trưng L, có độ trưng sao, có mật độ công suất xạ tính bán kính sao, có bán kính tính thể tích sao, biết thành 38 phần cấu tạo tìm khối lượng riêng, sau có khối lượng Có khối lượng nhân với số lượng thiên hà khối lượng thiên hà) Theo lý thuyết v tỉ lệ nghịch với r1/2, khoảng cách từ tâm đến lớn vận tốc nhỏ ngược lại, điều hoàn toàn phù hợp với định luật III Keppler Tuy nhiên, không, Theo quan sát thực tế tính toán từ tượng Doppler quang học vận tốc chuyển động quay quanh tâm thiên hà không giống hoàn toàn định luật III Keppler Người ta thực việc đo đạt tính toán từ thực nghiệm thấy rằng, bán kính từ đến 10 kiloparsec (là khoảng cách từ tâm Ngân Hà đến Mặt Trời) vận tốc chuyển động quay thiên hà tuân theo tiệm cận tới định luật III Keppler hay lý thuyết học cổ điển, nhiên vượt khỏi khoảng cách đó, thay khoảng cách tăng, vận tốc phải giảm vận tốc quay lại trì dường số Tại lại có tượng lạ vậy? Ta biết muốn cho vận tốc chuyển động quay số thành phần gia tốc theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo phải 0, có thành phần gia tốc theo phương pháp tuyến gây lực hấp dẫn hướng tâm mà 39 Nếu tất khối lượng thiên hà tập trung tâm lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch bình phương phải cách hoảng cách xa lực giảm, dẫn đến gia tốc giảm, vận tốc giảm Nhưng vận tốc giữ nguyên chứng tỏ lực hấp dẫn tác dụng lên rìa thiên hà không đổi Để điều xảy có cách giải thích khối lượng lớn khổng lồ gây lực hấp dẫn hướng tâm không tập trung tòn tâm thiên hà mà rải phân bố khắp thiên hà Khi nhìn vào hình ảnh chụp thiên hà bạn thắc mắc, rõ ràng thiên hà, gần tâm sáng, có nhiều hầu hết khối lượng phải tập trung vào chứ, vận tốc không đổi, phần khối lượng đâu Đó phần “vật chất tối” bí ẩn mà ta chưa biết chúng “Vật chất tối” tồn tại, có thật, gây lực hấp dẫn lớn lên rìa thiên hà lại không gây ảnh hưởng điện từ trường Chính mà vật chất thật bên chúng bí hiểm với người Để bù đắp cho thiếu hụt lực hấp dẫn ỡ rìa thiên hà, vật chất tối phân bố nhiều rìa thiên hà dần gần tâm Đâu có ánh sáng nhiều, bóng tối lùi xa Vận tốc quay thiên hà giảm nhẹ rìa đĩa quang, sau san bằnglà tác dụng hấp dẫn “vật chất tối” Quan sát đóng vai trò quan trọng việc thuyết phục nhà khoa học có 90% tổng khối lượng xoắn ốc khối lượng vũ trụ đóng góp phần lớn từ vật chất tối bí ẩn VII/Danh mục tài liệu tham khảo [1] Andreas H W Küpper, Eduardo Balbinot, Ana Bonaca, Kathryn V Johnston, David W Hogg, Pavel Kroupa, Basilio X Santiago “GLOBULAR CLUSTER STREAMS AS GALACTIC HIGH-PRECISION SCALES—THE POSTER CHILD PALOMAR 5‖ The Astrophysical Journal, 2015; 803 (2): 80 DOI: 10.1088/0004-637X/803/2/80 [2] A N Cox, editor (2000), ―Allen's Astrophysical Quantities‖ New York: Springer-Verlag ISBN 0-387-98746-0 [3] Anderson, L.D.; Bania, T.M.; Jackson, J.M et al.(2009) ―The molecular properties of galactic HII regions‖ The Astrophysical Journal Supplement Series 181: 255–271 [4] Babcock, H W 1939, Lick Obs Bull., 19, 41 40 [5] Barkana, R.; Loeb, A (1999) ―In the beginning: the first sources of light and the reionization of the Universe‖ Physics Reports 349 (2): 125– 238 arXiv:astroph/0010468 Bibcode:2001PhR 349 125B doi:10.1016/S03701573(01)00019-9 [6] R Beck and G Gollar, ―Far-infrated ang radio continuum emission of nearby galaxies‖, Astronomy and Astrophysics 191, L9-L12, 1988 [7] Binney, J.; Merrifield, M (1998) Galactic Astronomy Princeton: Princeton University Press ISBN 9780691025650 OCLC 39108765 [8] Braun, R., Walterbos, R A M., & Kennicutt, R C 1992, Nature, 360, 442 [9] Burbidge, E M., & Burbidge, G R 1975, ―in Galaxies and the Universe‖, ed A Sandage, M Sandage, & J Kristian, “Stars and Stellar Systems 4” Chicago: Univ Chicago Press,p 81 [10] Butz, Stephen D (2002) Science of Earth Systems Cengage Learning p 107 ISBN 978-0766833913 [11] Caltech , "About Spitzer: Spitzer's Telescope" Archived from the original on 24 February 2007 Retrieved 22 April2007 [12] Craig Freudenrich, Ph.D ―How the Milky Way works‖.science howstuffworks com [13] De Vaucouleurs, G 1959, in ―Handbuch der Physik‖, Vol 20, ed S Flugge (Berlin: Springer), 311 [14] Dunn, R ―An Introduction to X-ray Astronomy‖ Institute of Astronomy X-Ray Group [15] Eckart, A., & Genzel, R 1996, Nature, 383, 415 [16] Eggen, O J.; Lynden-Bell, D.; Sandage, A R (1962) ―Evidence from the motions of old stars that the Galaxy collapsed‖ Reports on Progress in Physics 136: 748 Bibcode:1962ApJ 136 748E doi:10.1086/147433 [17] Firmani, C.; Avila-Reese, V (2003) ―Physical processes behind the morphological Hubble sequence‖ Revista Mexicana de Astronomía y 41 Astrofísica 17: 107–120 arXiv:astroph/0303543 Bibcode:2003RMxAC 17 107F [18] Flynn, Cris (2005) ―Lecture 4B: Radiation case studies (HII regions)‖ [19] Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics―Search for Submillimeter Protogalaxies‖, Ngày 18 tháng 11 năm 1999 [20] Hau, George K T.; Bower, Richard G.; Kilborn, Virginia et al (2008) ―Is NGC 3108 transforming itself from an early- to late-type galaxy – an astronomical hermaphrodite?‖ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 385: 1965–72 [21] Heger, A.; Woosley, S E (2002) ―The Nucleosynthetic Signature of Population III‖ Astrophysical Journal 567 (1): 532–543 arXiv:astroph/0107037.Bibcode:2002ApJ 567 532H doi:10.1086/338487 [22] Hubble, E P (1936) ―The Realm of the Nebulae New Haven‖Yale University Press ISBN 0300025009 [23] http://irsa.ipac.caltech.edu/IRASdocs/iras.html [24] http://irsa.ipac.caltech.edu/IRASdocs/iras_mission.html [25] IPAC/NASA, ―Near, Mid & Far Infrared‖ [26] K.Y.Lo (2005), ―How Radio Telescopes work?‖, National Radio Astronomy Observatory, Indiana University [27] López-Corredoira, M đồng nghiệp (2001) ―Searching for the in-plane Galactic bar and ring in DENIS‖ Astronomy and astrophysics 373 (1): 139152.arXiv:astroph/0104307.Bibcode:2001A&A 373 139L doi:10.1051/00046361:20010560 [28] Loveday, J (tháng năm 1996) ―The APM Bright Galaxy Catalogue.‖ Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 278 (4): 1025– 1048 [29] McMahon, R (2006) ―Journey to the birth of the Universe‖ Nature 443 (7108): 151– Bibcode:2006Natur.443 151M doi:10.1038/443151a.PMID 16971933 42 [30] Merritt, D (tháng năm 1999) ―Elliptical galaxy dynamics‖ The Astronomical Journal 756: 129–168 doi:10.1086/316307 [31] Morgan, W W & Mayall, N U (1957) "A Spectral Classification of Galaxies." Publications of the Astronomical Society of the Pacific 69 (409): 291– 303 [32] NASA , ―The Effects of Earth's Upper Atmosphere on Radio Signals‖ [33] NASA , ―NASA Telescope Sees Black Hole Munch on a Star‖ [34] Pease, F G 1918, Proc Natl Acad Sci., 4, [35] Mayall, N U 1951, in ―The Structure of the Galaxy‖ (Ann Arbor: Univ Michigan Press), 19 [36] Peter Brosche, University of Bonn, ―Rotation and Type of Galaxies‖, Astronomy and Astrophysics (Impact Factor: 4.38) 06/1971; 13:293-297 [37] Pudritz, Ralph E (2002) ―Clustered Star Formation and the Origin of Stellar Masses‖ Science 295: 68–75 [38] Rubin, V C., Graham, J A., & Kenney, J P D 1992, ApJ, 394, L9 [38] Ghez, A M., Klein, B L., Morris, M., & Becklin, E E 1998, ApJ, 509, 678 [39] Scheiner, J 1899, ApJ, 9, 149 (in German in Astron Nach., 148, 325 [1899]) [40] ScienceDaily , ―Giant Radio Telescope Imaging Could Make Dark Matter Visible‖ [41] Slipher, V M 1914, Lowell Obs Bull 62 [42] Searle, L.; Zinn, R (1978) ―Compositions halo clusters and the formation of the galactic halo‖ Astrophysical Journal 225 (1): 357– 379.Bibcode:1978ApJ 225 357S doi:10.1086/156499 [43] Dr Sten Odenwald (17/5/2014) ―COUNTING STARS IN THE MILKY WAY‖ Huffingtonpost.com [44] Tenn, J ―Hendrik Christoffel van de Hulst‖ Sonoma State University 43 [45] The European Space Agency (ESA), ―Cosmic Detectives‖ [46] Tullmann, Ralph; Gaetz, Terrance J.; Plucinsky, Paul P et al (2008) ―The chandra ACIS survey of M33 (ChASeM33): investigating the hot ionized medium in NGC 604‖ The Astrophysical Journal 685: 919–932 [47] Wall, Mike (ngày 12 tháng 12 năm 2012) ―Ancient Galaxy May Be Most Distant Ever Seen‖ Space.com [48] David Halliday, ―Cơ sở vật lý tập VI: Quang học vật lý lượng tử‖ [49] Hoàng Gia Linh, ―Milky Way – thiên hà chúng ta‖ Thienvanvietnam.org [50] Nguyễn Đình Noãn, ―Gíao trình vật lý Thiên Văn‖, nhà xuất giáo dục, p 136 [51] Nguyễn Đình Noãn, ―Gíao trình vật lý Thiên Văn‖, nhà xuất giáo dục, p 142 [52] Nguyễn Đình Noãn, ―Gíao trình vật lý Thiên Văn‖, nhà xuất giáo dục, p.143,144 [53] Nguyễn Đình Noãn, ―Gíao trình vật lý Thiên Văn‖, nhà xuất giáo dục, p 261-262 [54] Nguyễn Đình Noãn, ―Gíao trình vật lý Thiên Văn‖, nhà xuất giáo dục, p 263 - 268 [55] Nguyễn Đình Noãn, ―Gíao trình vật lý Thiên Văn‖, nhà xuất giáo dục, p 269 [56] Nguyễn Đình Noãn, ―Gíao trình vật lý Thiên Văn‖, nhà xuất giáo dục, p.271- 272 [57] Phạm Viết Trinh, ―Bài tập thiên văn‖, NXB Gíao Dục Việt Nam, 9.5, p 66 [58] ThS Trần Quốc Hà, ―Gíao trình Thiên văn học đại cương‖, nhà xuất đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, p 193 44 [59] ThS Trần Quốc Hà, ―Gíao trình Thiên văn học đại cương‖, nhà xuất đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, p 242 - 243 [60] ThS Trần Quốc Hà, ―Gíao trình Thiên văn học đại cương‖, nhà xuất đại học Quốc Gia thành phố Hồ Chí Minh, p 244 – 246 [61] https://vi.wikipedia.org/wiki/Thiên_Hà [62] https://vi.wikipedia.org/wiki/Ngân_Hà [63] http://vatlyphothong.com/2011/08/chuong-vii-bai-3mat/#!prettyPhoto[3266]/0/ [64] http://voer.edu.vn/m/thien-ha/f5c48fef [65] http://www.bachkhoatrithuc.vn/encyclopedia/447-02633329651291806250/Thien-van-tia-X-va-tia-gamma/Su-ra-doi-cua-thien-vanhoc-tia-X.htm [66] http://vietnamnet.vn/vn/khoa-hoc/241550/cong-bo-khoi-luong-cua-ca-daingan-ha.html [67] Gallagher, J S & Hunter, D A (1984) "Structure and Evolution of Irregular Galaxies." Annual Review of Astronomy and Astrophysics 22: 37-74 [68] Phạm Viết Trinh, ―Bài tập thiên văn‖, NXB Gíao Dục Việt Nam, p 142-143 45