Thiên văn học là tất cả về ánh sáng. Tất nhiên, khi chúng ta nói ‘ánh sáng’, chúng ta muốn nói đến toàn bộ phổ điện từ, trong đó chỉ một phần rất nhỏ có thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Nhưng thiên văn học cũng có thể là về âm thanh. Như chúng ta đã biết, sóng âm khác với sóng ánh sáng.
Sóng ánh sáng có thể truyền qua nhiều môi trường, tùy thuộc vào bước sóng của chúng và tính chất của môi trường.
Sóng ánh sáng thực tế không cần vật chất để truyền qua, và do đó ánh sáng từ các ngôi sao không bị cản trở bởi chân không của không gian.
Để biết thêm về âm thanh thiên văn, hãy đọc hướng dẫn của chúng tôi về cách các nhà thiên văn lắng nghe âm thanh của các vì sao.
Tuy nhiên, sóng âm liên quan đến quá trình nén và phản ứng hiếm của vật chất.
Ví dụ, sự rung động của bề mặt trống cũng làm cho các phân tử không khí rung động.
Những thứ này lần lượt làm cho các phân tử không khí lân cận rung động và do đó, sóng âm truyền ra khỏi trống.
Trong chân không, không có phân tử nào tiếp xúc với bề mặt của trống bị đập, vì vậy micrô bên cạnh sẽ hoàn toàn không thu được gì, cho dù trống bị đập mạnh đến đâu.
Vậy làm thế nào để các nhà thiên văn học nghe thấy bất kỳ âm thanh nào trong không gian?
Họ làm điều đó bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là siêu âm hóa, trong đó dữ liệu được chuyển đổi thành âm thanh để có thể diễn giải được.
Bộ đếm Geiger khiêm tốn là một ví dụ tuyệt vời về điều này, đo mức độ bức xạ và hiển thị kết quả dưới dạng âm thanh.
Giống như dữ liệu tia X từ không gian thường được chuyển thành hình ảnh màu, các dữ liệu thiên văn khác nhau có thể được ‘siêu âm hóa’ một cách hữu ích.
Có thực sự có âm thanh trong không gian? Nếu vậy, làm thế nào chúng có thể được nghe thấy, và làm thế nào để các nhà thiên văn học biết chúng ở đó?
Không gian không phải là một khoảng chân không hoàn hảo: dòng hạt tích điện chảy từ Mặt trời – gió mặt trời – tràn ngập Hệ Mặt trời bằng một loại khí cực mỏng trong đó xảy ra nhiều hiện tượng thanh tao khác nhau.
Không giống như chất khí trong bầu khí quyển của chúng ta, được liên kết với nhau bởi sự va chạm lẫn nhau của các phân tử không khí, plasma này được liên kết với nhau bởi từ trường bao quanh nó.
Bản chất hỗn loạn của bề mặt Mặt trời có nghĩa là các nhiễu loạn áp suất và mật độ di chuyển ra bên ngoài với tốc độ âm thanh trong gió mặt trời.
Do nhiệt độ và mật độ của plasma, đây là khoảng vài trăm km mỗi giây.
Những nhiễu loạn áp suất này thực sự là sóng âm thanh trong không gian liên hành tinh.
Plasma mỏng của gió mặt trời, cùng với từ trường mặt trời liên kết với nó, trở nên yếu hơn và thậm chí thưa thớt hơn khi bạn di chuyển ra ngoài vào sâu trong Hệ Mặt trời.
Cuối cùng, nó trở nên yếu đến mức bị lấn át bởi từ trường tổng hợp và các hạt từ tất cả các ngôi sao khác trong Thiên hà.
Khu vực này, được gọi là ‘thời gian nhật thực’, đánh dấu sự kết thúc quyền thống trị của Mặt trời và là rìa thực sự của Hệ Mặt trời.
Dưới đây chúng ta đã xem xét một số vật thể trong Vũ trụ có khả năng tạo ra âm thanh và cách các nhà thiên văn học có thể nghe thấy chúng.
Có lẽ việc sử dụng siêu âm rộng rãi nhất là của các nhà thiên văn nghiệp dư và những người đam mê radio, những người thường xuyên dò tìm Sao Mộc bằng cách sử dụng máy thu sóng ngắn và ăng-ten kết nối với loa.
Được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1955, âm thanh vô tuyến từ Sao Mộc rất đa dạng.
Chúng đã được mô tả khác nhau giống như âm thanh giống như tiếng sóng vỗ vào bãi biển, tiếng chim gõ kiến và bài hát của cá voi.
Các chương trình phát sóng từ ‘Radio Jove’ đến từ các tia laser vô tuyến tự nhiên, gây ra bởi khí dẫn điện do núi lửa trên vệ tinh Io của nó phun vào từ trường của Sao Mộc.
Khí này tập hợp trong một hình xuyến hình bánh rán xung quanh Sao Mộc và khi Io lao qua nó, tạo ra các sóng ‘Alfven’ từ tính.
Những sóng này di chuyển dọc theo các đường sức từ trong trường của Sao Mộc và truyền một lượng điện năng đáng kinh ngạc 40 nghìn tỷ watt đến các vùng cực của nó, cung cấp năng lượng cho các tia laser vô tuyến quét định kỳ trên Trái đất.
Tuy nhiên, không chỉ những người nghiệp dư mới sử dụng âm thanh trong thiên văn học. Sứ mệnh Galileo hoành tráng, hoạt động gần 8 năm trên quỹ đạo Sao Mộc, đã sử dụng quá trình siêu âm để trình bày một số kết quả của nó.
Vào tháng 6 năm 1996, Galileo đi sát mặt trăng có kích thước bằng hành tinh Ganymede, và Thí nghiệm Sóng Plasma trên tàu đã phát hiện ra sự hiện diện của một từ trường bao quanh mặt trăng – lần đầu tiên được phát hiện trong Hệ Mặt trời.
Chuyến bay kéo dài vài giờ và khi dữ liệu từ tính được nén sao cho 45 phút thời gian của tàu vũ trụ trở thành tệp âm thanh chỉ dài một phút, bạn có thể nghe thấy tiếng nổ lớn khi Galileo đi vào từ quyển của mặt trăng.
Khi tàu vũ trụ tiếp cận Ganymede, bạn nghe thấy âm thanh tăng dần rồi giảm dần.
Điều này cung cấp một phép đo trực tiếp về mật độ của các hạt tích điện trong không gian xung quanh Ganymede.
Gần nhà hơn, chúng ta có thể lắng nghe Mặt trời bằng cách sử dụng các kỹ thuật của nhật ký học.
Vào những năm 1960, người ta phát hiện ra rằng bề mặt của Mặt trời mọc và lặn với chu kỳ năm phút.
Điều này đã được phát hiện bằng cách sử dụng quang phổ học và Hiệu ứng Doppler.
Nếu một vật phát ra âm thanh di chuyển ra xa tai bạn, bạn sẽ nghe thấy cao độ của âm thanh giảm xuống; nếu nó di chuyển về phía bạn, cao độ sẽ tăng lên.
Một hiệu ứng tương tự cũng xảy ra với sóng ánh sáng: một vật thể lùi ra sau có vẻ đỏ hơn (được gọi là dịch chuyển đỏ) và vật thể tiến tới sẽ xanh hơn (được gọi là dịch chuyển xanh).
Vào cuối những năm 1970, Mặt trời được quan sát thấy từ cực nam của Trái đất trong suốt mùa hè ở Nam Cực trong 4,5 ngày liên tục, khi đó các nhà khoa học có thể đo xung của nó với độ chính xác 2 cm mỗi giây.
Kể từ đó, các mạng lưới kính viễn vọng quốc tế và các thiết bị trong không gian đã theo dõi chuyển động của ngôi sao gần chúng ta nhất.
Các dao động của Mặt trời được gây ra bởi các sóng âm thanh bị mắc kẹt bên trong phần bên trong của Mặt trời, đến lượt chúng lại được tạo ra bởi sự nhiễu loạn đối lưu ở 30% bên ngoài của Mặt trời.
Chúng ta thấy tác động của sự nhiễu loạn này như là sự tạo hạt trên bề mặt của quang quyển.
Các sóng âm thanh gây ra bởi sự dao động áp suất trong nhiễu loạn này sẽ phản xạ vào bên trong khi chúng chạm vào bề mặt Mặt trời.
Các sóng chuyển động vào trong bị khúc xạ (hướng của chúng bị bẻ cong) do tốc độ âm thanh tăng lên – do nhiệt độ bên trong Mặt trời tăng lên – trước khi quay trở lại bề mặt.
Sự kết hợp của tất cả các sóng âm bên trong này làm cho Mặt trời dao động theo hàng triệu cách khác nhau.
Tại thời điểm này, toán học trở nên phức tạp, nhưng cũng đủ để nói rằng các nhà nhật tâm học có thể sử dụng các mô hình này để suy ra cấu trúc bên trong của Mặt trời theo cách tương tự như các nhà địa chấn học sử dụng các mô hình động đất để hiểu bên trong Trái đất.
Helioseismology có thể được coi là một nhánh của asteroseismology.
Vì Mặt trời ở gần hơn nhiều so với các ngôi sao khác nên việc nghiên cứu cách nó rung động trở nên dễ dàng hơn.
Và những gì mà các nhà nhật tâm học đã học được về phần bên trong của Mặt trời có thể được chuyển sang các ngôi sao khác thuộc các loại khác nhau, với mục đích thăm dò phần bên trong của chúng bằng sóng âm thanh.
Tính biến thiên của một số ngôi sao đã được biết đến từ hơn 400 năm trước, kể từ khi David Fabricus ghi lại sự thay đổi độ sáng của ngôi sao biến quang nổi tiếng nhất, Mira, vào năm 1596.
Mira vẫn dao động ngày nay, điều đó có nghĩa là sự biến đổi của nó đang được duy trì bởi một thứ gì đó – nếu không, phần lớn ngôi sao sẽ tự làm giảm chuyển động.
Cơ chế duy trì này có thể được coi là một lớp bên trong ngôi sao, mờ đục đối với các bước sóng bức xạ nhất định, đang cố thoát ra ngoài không gian.
Lớp này buộc phải hấp thụ bức xạ, làm nóng và mở rộng nó, khiến ngôi sao phồng lên vượt quá kích thước bình thường của nó.
Khi lớp mờ đục nóng lên, nó bị ion hóa, làm cho lớp mờ đục hơn và cho phép bức xạ xuyên qua.
Vì nó không còn hấp thụ bức xạ nữa, lớp trong suốt bây giờ nguội đi và buộc phải co lại bởi trọng lượng của khí bên trên nó, trở nên mờ đục và bắt đầu lại toàn bộ quá trình.
Một lớp sao dao động khác được Donald Kurtz tại Đại học Central Lancashire phát hiện cách đây 25 năm.
Anh ấy đang nghiên cứu ngôi sao của Przybylski – một ngôi sao thuộc dãy gần chính khác thường có quang phổ cho thấy nó chứa nhiều kim loại hơn 100.000 lần so với Mặt trời, loại sự phong phú mà bạn mong đợi từ một ngôi sao già hơn và tiến hóa hơn nhiều.
Sự khôn ngoan thông thường quy định rằng một ngôi sao như vậy không nên dao động, vì từ trường rất mạnh của nó sẽ ổn định nó.
Kurtz đã phát hiện ra rằng ngôi sao của Przybylski rung động với tần số 12 phút – thực sự rất mạnh đối với một ngôi sao nặng hơn Mặt trời.
Kể từ đó, hơn 30 ‘ngôi sao A đặc biệt dao động nhanh’ này đã được phát hiện, với chu kỳ dao động từ 5 đến 20 phút, hầu hết trong số đó là của Kurtz và nhóm của ông.
Chúng nằm trong số những ngôi sao kỳ lạ nhất được các nhà thiên văn học phát hiện.
Asteroseismology còn lâu mới là một lĩnh vực nghiên cứu trưởng thành, nhưng những tiến bộ trong thiết bị đo đạc đang đẩy nhanh quá trình phát triển của nó.
Ví dụ, đối với Alpha Centauri A (ngôi sao gần nhất có thể nhìn thấy bằng mắt thường), giờ đây các nhà thiên văn học có thể đo tốc độ của các dao động bề mặt với độ chính xác 2 cm mỗi giây.
Ngôi sao này cách chúng ta 160 năm ánh sáng và có đường kính gấp khoảng 10 lần Mặt trời, với độ sáng gấp khoảng 60 lần. Nó dao động với nhiều khoảng thời gian khoảng ba giờ, giống như một nhạc cụ ‘sub ultra bass’. Nó là ngôi sao nặng nhất trong đó các dao động kiểu mặt trời đã được phát hiện.
Ngôi sao gần Mặt trời nhất dao động bảy phút một lần – rất giống với Mặt trời. Với tần số khoảng 35cm mỗi giây, những xung này làm cho bề mặt của ngôi sao tăng và giảm khoảng 40m. Đây là một quan sát đáng kinh ngạc về một ngôi sao có đường kính khoảng 1,75 triệu km.
BPM 37093 là một sao lùn trắng – lõi của một ngôi sao đã chết – nằm cách chúng ta 50 năm ánh sáng. Nó dao động khi độ sáng của nó thay đổi khoảng một phần trăm cứ sau 5 đến 10 phút, cho phép các nhà thiên văn suy luận rằng ngôi sao này đã kết tinh một phần thành một viên kim cương khổng lồ.
Một trong những ẩn tinh trẻ nhất được tìm thấy, tàn dư siêu tân tinh này quay cứ sau 89 phần nghìn giây. Hơn một tá ‘trục trặc’ đã được quan sát thấy khi nó quay nhanh hơn một chút chỉ tính bằng nano giây. Điều này là do các trận động đất gây ra: các ứng suất cực lớn được giải phóng trong lớp vỏ rắn trên phần bên trong ‘siêu lỏng’.
Không chỉ các ngôi sao tạo ra âm thanh; hiện tượng khác, kỳ lạ hơn gần đây đã được chứng minh là ‘ồn ào’.
Vào tháng 9 năm 2003, một sự phô trương trên các phương tiện truyền thông đi kèm với thông báo về việc phát hiện ra sóng âm thanh phát ra từ một lỗ đen siêu lớn trong cụm thiên hà Perseus cách chúng ta khoảng 250 triệu năm ánh sáng.
Các quan sát được thực hiện bởi Đài quan sát tia X Chandra quay quanh Trái đất của NASA, đã thu thập 53 giờ dữ liệu về hiện tượng này.
Bản thân các lỗ đen là vô hình, nhưng chúng tạo ra một môi trường hỗn loạn, hỗn loạn và tràn đầy năng lượng ở ngay gần chúng, vì vật chất đang rơi vào được gia tốc gần bằng tốc độ ánh sáng.
Tất cả các loại bức xạ đã được phát hiện từ những vùng này, từ sóng vô tuyến xuyên qua phổ điện từ đến tia X năng lượng cao.
Nhiều lỗ đen cũng đã được phát hiện là phát ra các tia vật chất cực mạnh dọc theo trục quay của chúng.
Trong cụm sao Perseus, những tia này được cho là đang đâm sầm vào lớp khí giữa các thiên hà mỏng bao quanh cụm sao.
Kết quả của vụ va chạm đang diễn ra này được tiết lộ bởi các quan sát từ Chandra là những gợn sóng tròn khổng lồ, lan rộng ra mọi hướng, giống như những gợn sóng được tạo ra bởi một vật thể rơi xuống nước.
Những gợn sóng này, hay còn gọi là sóng áp suất, tuân theo quy luật giống như sóng âm thanh và mặc dù không ai có thể nghe thấy chúng, nhưng chúng là sóng âm thanh thực truyền qua lớp khí rất mỏng trong không gian.
Giống như trên Trái đất, nơi cao độ của một nốt nhạc được tạo ra trong không khí phụ thuộc vào bước sóng của âm thanh hoặc khoảng cách giữa mỗi gợn nén, điều tương tự cũng đúng với lỗ đen Perseus.
Các gợn sóng mà Chandra nhìn thấy cách nhau 35.000 năm ánh sáng. Được mệnh danh là ‘nốt trầm nhất trong Vũ trụ’, đây là thứ bạn sẽ nhận được nếu bạn có thể tạo một nốt nhạc có 57 quãng tám dưới C giữa.
Âm thanh do lỗ đen tạo ra không được nghe trực tiếp – chúng không truyền qua không gian đến Trái đất dưới dạng sóng âm.
Thay vào đó, chúng ta có thể thấy tác động của chúng đối với chất khí xung quanh chúng bằng cách sử dụng tia X, giống như sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát sóng khi một hòn đá được thả xuống ao.
Một cây đàn piano bình thường bao gồm bảy quãng tám của các nốt nhạc, nhưng lỗ đen Perseus hát khoảng 57 quãng tám dưới C giữa – hoặc sâu hơn một triệu tỷ lần so với phạm vi nghe của con người.
Những sóng âm thanh này không chỉ là sự tò mò và có thể giúp giải thích cách các cụm thiên hà phát triển.
Các nhà thiên văn học đã thắc mắc tại sao lại có quá nhiều khí nóng như vậy trong các cụm thiên hà.
Thông thường, nó sẽ nguội đi và rơi về phía trung tâm của các thiên hà, tạo thành nhiều ngôi sao mới khi nó kết tụ lại với nhau.
Nhiệt từ một lỗ đen lớn ở trung tâm có thể là câu trả lời. Các tia vật chất phát ra từ lỗ đen Perseus tạo thành các lỗ hổng trong đám khí mỏng khi chúng va chạm với nó.
Sóng âm thanh sau đó truyền ra bên ngoài dưới dạng những gợn sóng lớn.
Lượng năng lượng tuyệt đối cần thiết để tạo ra những lỗ hổng này tương đương với khoảng 100 triệu siêu tân tinh, rất nhiều trong số đó được mang đi dưới dạng sóng âm thanh.
Sau đó, chúng làm ấm khí cụm khi chúng tiêu tan – ngăn không cho nó nguội đi và hình thành sao.
Các phép đo chính xác về Nền vi sóng vũ trụ mang lại cái nhìn về Vũ trụ vào khoảng 400.000 năm sau Vụ nổ lớn, ngay khi nó đủ nguội để cho phép các nguyên tử đầu tiên hình thành từ plasma nguyên thủy.
Các nghiên cứu chi tiết về những biến thiên nhỏ trong bức xạ nền này gợi ý rằng, ở giai đoạn này của Vũ trụ sơ khai, các sóng âm khổng lồ truyền qua plasma này.
Các ngôi sao và thiên hà vẫn chưa hình thành và mọi vật chất tồn tại dưới dạng sương mù nóng trong Vũ trụ đang giãn nở nhanh chóng.
Chính lớp khí mỏng, sương mù này đã cho phép sóng âm thanh hình thành và lan truyền.
Những khác biệt nhỏ trong dữ liệu từ Máy dò dị hướng vi sóng Wilkinson (WMAP) cho thấy các đỉnh và đáy của các sóng âm thanh này.
Vậy Big Bang có thực sự nổ không? Phân tích dữ liệu WMAP của nhà thiên văn học Hoa Kỳ Mark Whittle cho thấy rằng Vụ nổ lớn ban đầu im lặng, nhưng tiếng ồn nhanh chóng phát triển thành “tiếng hét giảm dần”, sau đó là “tiếng gầm trầm” và kết thúc bằng “tiếng rít chói tai”, với đỉnh điểm là âm lượng khoảng 110 decibel – tương đương với tiếng ồn của một buổi hòa nhạc rock.
Những sóng âm thanh này có bước sóng khoảng 20.000 năm ánh sáng, thấp hơn khoảng 50 quãng tám dưới phạm vi nghe của con người.
Khám phá và phép đo của họ đánh dấu sự khởi đầu của một kỷ nguyên mới trong vũ trụ học chính xác.