Một số ứng dụng của maser trong nghiên cứu vật lí thiên văn luận văn thạc sỹ vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNGĐẠI
ĐẠIHỌC
HỌCVINH
VINH
TRƯỜNG
KHOA ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

TRẦN HỮU ĐẠO

ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SỸ VẬT LÍ
CHUYÊN NGÀNH QUANG HỌC

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MASER TRONG
TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU VẬT LÍ THIÊN VĂN
MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MASER TRONG NGHIÊN CỨU
VẬT LÍ THIÊN VĂN

Người thực hiện : Trần Hữu Đạo
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ
Chuyên ngành : Quang Học - Khóa 18
Người hướng dẫn : TS. Đinh Phan Khôi

VINH, 2012

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
Vinh, tháng 09 năm 2012

TRẦN HỮU ĐẠO

MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MASER TRONG
NGHIÊN CỨU VẬT LÍ THIÊN VĂN
Chuyên ngành: QUANG HỌC
Mã số: 60.44.01.09

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐINH PHAN KHÔI

Vinh, 2012

2


Lời cảm ơn!

Tác giả xin được tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS. Đinh
Phan Khôi vì những giúp đỡ của thầy trong gần 2 năm qua để tơi hồn thành đề tài
luận văn tốt nghiệp! Thầy đã định hướng, giúp đỡ tôi chọn đề tài và chỉ dẫn cho tôi
những bước cần thiết nhất để hoàn thiện đề tài.
Xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo chủ nhiệm chuyên ngành quang học TS.
Nguyễn Huy Bằng, cùng các thầy cô trong khoa vật lý, khoa sau đại học đã tận
tình giảng dạy, giúp đỡ các học viên cao học 18 chun ngành quang học chúng
tơi hồn thành tốt khóa học!
Xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp cao học 18 – Quang học, các bạn

bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong hơn 2 năm học vừa qua!

Vinh, tháng 09 năm 2012
Tác giả:

Trần Hữu Đạo

3


MỤC LỤC

Mở đầu……………………………………………………………………………...1
Chương I: Một số kiến thức cơ sở về maser………………………………………..6
1. Giới thiệu………………………………………………………………………...6
1.1. Maser gián đoạn………………………………………………………………..7
1.1.1. Maser chưa bão hòa và maser bão hòa……………………………………...10
1.1.2. Phổ maser.......................................................................................................12
1.1.3. Điều kiện phát xạ maser.................................................................................13
1.1.4. Các cơ chế bơm maser...................................................................................15
1.1.5. So sánh phát xạ maser với laser........ ............................................................17
1.2. Maser liên tục....................................................................................................18
1.2.1. Các cơ chế phát maser liên tục.......................................................................18
1.2.2. Các nguồn phát maser liên tục trong vũ trụ...................................................25
Chương II: Một số ứng dụng của maser trong nghiên cứu Vật lí thiên văn.............28
2.1. Quan sát maser gián đoạn trong Vật lí thiên văn..............................................28
2.1.1. Các sao...........................................................................................................30
2.1.2. Các thiên hà....................................................................................................36
2.2. Quan sát maser liên tục trong Vật lí thiên văn..................................................45
2.2.1. Từ quyển sao và hành tinh.............................................................................45

2.2.2. Pulsar..............................................................................................................46
2.2.3. Triển vọng của ngành thiên văn.....................................................................49
KẾT LUẬN..............................................................................................................52
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................53

4


Mở đầu
Vật lí thiên văn hiện nay là một lĩnh vực đang được rất nhiều nhà khoa học
quan tâm. Ngày 04/10/2011, Ủy ban Nobel tại Stockholm đã quyết định trao giải
Nobel Vật lý cho hai nhà vật lý thiên văn người Mỹ Saul Perlmutter và Adam
Riess, cùng với nhà khoa học Brian Schmidt, mang hai quốc tịch Mỹ-Úc. Ba người
này đã có cơng "phát hiện sự giãn nở với tốc độ đang tăng nhanh của vũ trụ".
Bản thông báo của Ủy ban Nobel ghi nhận : "Các nhà khoa học đã nghiên cứu hàng
chục vụ nổ của các vì sao gọi là sao siêu mới (supernova), và phát hiện ra rằng vũ
trụ đã giãn ra với một tốc độ gia tăng thường trực".
Để có được những thành tựu như vậy, các nhà khoa học đã phải thu thập và
xử lí rất nhiều thông tin từ vũ trụ. Vũ trụ là một phịng thí nghiệm đa dạng cung cấp
cho các nhà khoa học những số liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý hóa, từ mức
vĩ mơ đến mức vi mơ. Trong đó, các maser và laser mang rất nhiều thơng tin từ vũ
trụ đến cho chúng ta. Bên cạnh đó thì các laser và maser cũng được ứng dụng rất
nhiều để thu thập các thông tin từ vũ trụ. Vậy những tính chất của laser và maser
đóng vai trị vơ cùng quan trọng trong nghiên cứu Vật lí thiên văn mà hiện nay các
nhà khoa học đang rất quan tâm!
Lí thuyết về “phát xạ kích thích” được Einstein xây dựng vào năm 1915.
Năm 1952, Basov và Prokhorov mô tả nguyên lí hoạt động của maser. Maser đầu
tiên được Townes, Gordon và Zeiger tạo ra trong phịng thí nghiệm vào năm 1953.
Năm 1960, Maiman tạo ra laser đầu tiên. Năm 1965, Weaver phát hiện ra nguồn
maser có nguồn gốc tự nhiên đầu tiên.

Maser và laser có cơ chế hoạt động giống nhau, chỉ khác là maser hoạt động
với tần số photon ở vùng vi sóng cịn laser hoạt động trong phổ cực tím, ánh
sáng hay hồng ngoại.
5


Hình 1: Cơ chế phát xạ photon của nguyên tử
Townes, Gordon và Zeiger tạo ra maser trong phịng thí nghiệm bằng cách sau:
- Nung nóng khí ammonia, làm cho các phân tử bị kích thích.
- Các phân tử đã bị kích thích bị tách trong buồng cộng hưởng.
- Các photon phát xạ tự phát tương tác với các phân tử bị kích thích, gây ra
các phát xạ kích thích, tiếp đó các phát xạ này được khuếch đại.
- Chùm maser truyền qua lại nhiều lần trong buồng cộng hưởng và được
khuếch đại rất mạnh.
Theo quan niệm của Planck, vật chất bị lượng tử hoá và được coi như những
hạt dao động điều hoà (harmonic oscillator) để phát ra bức xạ. Năng lượng của hạt
được lượng tử hoá trên những mức cách đều nhau. Bohr nhận định là những mức
năng lượng của những hệ nguyên tử không nhất thiết phải cách nhau đều. Sau này
các nhà vật lý xác định là khoảng cách của những mức năng lượng của phân tử
6


cũng không được phân bố đều trên thang năng lượng. Einstein không những dựa
trên giả thuyết vật chất bị lượng tử hố của Planck, mà cịn cho rằng bức xạ cũng là
những hạt lượng tử có năng lượng hv.
Những tinh vân trong vũ trụ là những đám khí trong đó nguyên tử thay đổi
năng lượng để phát ra bức xạ. Khi đám khí ở trạng thái cân bằng nhiệt, nguyên tử
được phân bố trên thang năng lượng theo định luật Boltzmann. Ở những mức năng
lượng E càng cao thì mật độ nguyên tử n càng thưa thớt, chúng giảm theo định luật
hàm mũ: n ~ exp (-E/kT). Theo Einstein, khi một bức xạ có tần số thích hợp chiếu

vào ngun tử thì nguyên tử hấp thụ photon của bức xạ để nhảy từ mức năng lượng
thấp l lên mức năng lượng cao m. Cường độ của bức xạ càng mạnh thì xác suất của
hiện tượng hấp thụ càng cao và tỷ lệ với một hằng số gọi là Blm. Ngược lại, nguyên
tử phát ra photon khi chuyển từ mức năng lượng cao m xuống mức năng lượng thấp
l. Trong trường hợp này, Einstein đề xuất hai cơ chế phát bức xạ khác nhau. Cơ chế
thứ nhất là nguyên tử có khả năng chuyển hoàn toàn ngẫu nhiên từ mức năng lượng
cao m xuống mức năng lượng thấp l với xác suất Aml mà khơng cần có một nguồn
bức xạ nào chiếu vào. Quá trình này gọi là quá trình phát xạ tự phát (spontaneous
emission). Cơ chế thứ hai là nếu có một bức xạ có tần số v thích ứng với hiệu số
năng lượng ở mức m và l (Em – El = hv), chiếu vào thì đám khí ngun tử phát ra
“bức xạ cảm ứng” (stimulated emission). Số photon phát ra tỷ lệ với cường độ của
bức xạ theo hệ số Bml tương ứng với hai mức m và l. Bức xạ tự phát và bức xạ cảm
ứng phát ra dưới dạng những vạch phổ có tần số tương ứng với sự chuyển mức
giữa mức m và mức l. Những hệ số Aml , Blm và Bml gọi là hệ số Einstein, không phải
là những hằng số phổ biến mà tùy thuộc vào những mức năng lượng l, m và vào
đặc điểm của từng nguyên tử. Trong một đám khí nguyên tử ở trạng thái cân bằng
nhiệt, số nguyên tử chuyển lên mức trên phải bằng số nguyên tử chuyển xuống mức
dưới. Einstein dựa trên giả thuyết này và đồng thời áp dụng công thức Planck để

7


tìm thấy những hệ thức giữa những hệ số Aml , Blm và Bml . Muốn tính được giá trị
của những hệ số Einstein tương ứng với từng vạch phổ, các nhà vật lý phải dùng
thêm cả những định luật của vật lý nguyên tử. Những hệ số Einstein được dùng
trong phương trình cân bằng thống kê để tính phổ của những bức xạ nguyên tử và
phân tử.
Trong vũ trụ những đám khí trong tinh vân thường ở trạng thái cân bằng
nhiệt. Các nhà thiên văn quan sát những vạch phổ nguyên tử và phân tử để xác định
điều kiện lý hóa trong những thiên thể như nhiệt độ và mật độ. Hydro trung hoà là

nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ. Nguyên tử hydro phát ra một vạch phổ trên
bước sóng vơ tuyến 21 centimet. Xác suất tự phát Aml của nguyên tử hydro rất thấp
(Aml ~ 3.10-15/giây) nên nguyên tử tồn tại trên mức năng lượng cao m trong một thời
gian tml dài tới 11 triệu năm (tml ~ 1/Aml). Có nghĩa là cứ 11 triệu năm mới có một
photon vơ tuyến của ngun tử hydro tự nhiên phát ra trên bước sóng 21 centimet !
Nhờ có sự va chạm với electron làm nguyên tử chuyển mức năng lượng nhanh hơn,
nên chu kỳ phát photon được giảm xuống 400 năm, tuy vẫn còn dài. Tuy nhiên bức
xạ 21 centimet của nguyên tử trung hoà hydro vẫn là bức xạ mạnh nhất trong vũ
trụ, bởi vì hydro là thành phần vật chất phổ biến nhất, có mật độ cao nhất. Vạch
phổ 21 centimet của hydro đã được dùng để phát hiện cấu trúc xoắn ốc của Ngân
hà và để quan sát những thiên hà xa xôi.
Cơ chế phát bức xạ cảm ứng mà Einstein đề xuất đã dẫn đến những áp dụng
để sản xuất những máy laser và maser trong cơng nghiệp. Cơng trình của Einstein
cũng tỏ ra rất cần thiết trong công việc nghiên cứu hiện tượng laser và maser trong
vũ trụ. Thơng thường những đám khí tồn tại ở trạng thái cân bằng nhiệt trong đó
nguyên tử tập trung chủ yếu ở những mức năng lượng thấp theo định luật
Boltzmann. Tuy nhiên đám khí có thể chuyển sang trạng thái khơng cân bằng nhiệt
nếu có một cơ chế bơm nguyên tử lên những mức năng lượng cao. Khi đó sự phân
8


bố ngun tử khơng cịn tn theo định luật Boltzmann. Thậm chí sau khi được
bơm, mật độ nguyên tử ở những mức năng lượng cao có khả năng vượt hơn hẳn
mật độ nguyên tử ở̉ những mức năng lượng thấp. Hiện tượng “đảo ngược mật độ”
tạo ra tình trạng có rất nhiều nguyên tử tập trung ở những mức năng lượng cao,
chẳng hạn ở mức m. Khi một bức xạ có tần số v = (Em – El)/h chiếu vào thì khơng
cịn nhiều ngun tử ở mức năng lượng thấp l để hấp thụ bức xạ. Trái lại, bức xạ
khởi động một quá trình tương tự như một loại “phản ứng dây chuyền”, làm những
nguyên tử tập trung ở mức năng lượng cao m đột nhiên đổ xô xuống mức năng
lượng dưới l và phát ra các bức xạ. Quá trình này tạo ra laser rất mạnh. Các nhà vật

lý sử dụng nhiều “thủ thuật” để bơm nguyên tử lên những mức năng lượng cao.
Chẳng hạn họ dùng các chùm bức xạ có cơng suất lớn và năng lượng cao để bơm
nguyên tử lên những mức năng lượng rất cao. Từ đây nguyên tử dần dần tự rơi
xuống những mức năng lượng thấp hơn qua cơ chế bức xạ tự phát và tạm dừng lại
ở một mức năng lượng m nào đó kém bền vững. Khi đó chỉ cần một bức xạ có tần
số thích hợp chiếu vào là ngun tử đổ xuống một mức năng lượng thấp hơn và tạo
ra bức xạ laser. Vậy Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation)
phát ra những tia xạ trên lĩnh vực sóng khả kiến, tử ngoại (ultraviolet) và hồng
ngoại (infrared). Cịn maser (Microwave amplification by stimulated emission of
radiation) hoạt động theo nguyên tắc của laser nhưng trên miền sóng vi ba (vơ
tuyến).
Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về maser và những ứng dụng của nó trong
ngành vật lý thiên văn.

9


Chương I: Một số kiến thức cơ sở về maser
1. Giới thiệu
Mặc dù laser đã rất quen thuộc đối với chúng ta, nhưng nghiên cứu về các
tính chất và những ứng dụng tuyệt vời của chúng vẫn là một vấn đề đang được
nhiều người quan tâm. Vì vậy, ngay từ ban đầu, sự hiện diện của laser trong tự
nhiên đã làm chúng ta hơi ngạc nhiên, nhưng chúng đã được phát hiện trên ít nhất ở
sáu hành tinh trong Hệ Mặt trời, trong nhiều ngôi sao, thiên hà và môi trường giữa
các vì sao. Vậy laser thiên nhiên được tạo ra như thế nào? Chúng đến từ đâu và
chúng mang những thơng tin gì về q trình hình thành và tiến hóa của vũ trụ ?
Nghiên cứu các laser thiên nhiên sẽ giúp chúng ta khám phá được những gì về vũ
trụ mà chúng ta đang sống?
Sau đây chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về những cơ chế tạo thành, tính chất của laser
thiên nhiên (hay cịn gọi là maser) và những ứng dụng của chúng trong Vật lý thiên

văn.
Không lâu sau khi phịng thí nghiệm đầu tiên về maser được xây dựng, với
độ phân giải cao được cung cấp bởi VLBI (hệ thống giao thoa kế có đường cơ sở
dài) đã cho thấy rằng một số nguồn vô tuyến ở các vùng hình thành sao có nhiệt độ
chói sáng rất cao. Các nhà khoa học đã cho rằng các nguồn này có thể là một maser
vật lý thiên văn. Khi tiếp tục nghiên cứu sâu, chúng đã được khẳng định gần như
chắc chắn là maser. Vì thế chúng đã mở ra một hướng nghiên cứu mới cho các nhà
khoa học, họ cho rằng sự tồn tại của một cái gì đó kỳ lạ như maser phải chứa những
thơng tin quan trọng về môi trường thiên văn. Điều này đã thúc đẩy một cách mạnh
mẽ nhiều nhà khoa học tập trung vào nghiên cứu. Kết quả cho thấy sự tồn tại phổ
biến maser trong vũ trụ (mặc dù laser trong vũ trụ vẫn cịn hiếm), vì chủ yếu trong
vũ trụ mật độ vật chất rất thấp nên cho phép trạng thái plasma tự nhiên tồn tại khác
xa trạng thái cân bằng nhiệt động lực học. Để có thể biết được maser mang đến cho

10


chúng ta những thơng tin gì về vũ trụ thì trước hết chúng ta cần có một sự hiểu biết
chi tiết về các tính chất vật lý và hóa học của maser.
Vài lưu ý về thuật ngữ: trong phịng thí nghiệm, sự khác biệt giữa laser và
maser là: công nghệ laser sử dụng các hiệu ứng chuyển tiếp điện tử, trong khi
maser sử dụng các hiệu ứng chuyển tiếp quay hoặc dao động của phân tử. Trong
vật lý học thiên văn, người ta thường dùng các thiết bị công nghệ để dị sóng bức
xạ vi ba và các máy dị lượng tử ánh sáng. Các nghiên cứu đều hướng tới vùng
hồng ngoại xa, do đó việc nghiên cứu trên Trái đất gặp nhiều khó khăn. Hơn nữa,
có sự khác biệt đáng kể giữa vật lý maser trong phịng thí nghiệm với maser quan
sát được trong vật lý thiên văn. Sau đây chúng tôi sẽ sử dụng thuật ngữ maser
chung cho cả laser và maser.
1.1. Maser gián đoạn
Maser vật lý thiên văn phát sinh từ hiệu ứng chuyển tiếp giữa các trạng thái

gián đoạn của các nguyên tử, phân tử hoặc các ion. Do đó bức xạ của chúng nằm
trong vùng sóng vơ tuyến, hồng ngoại, hoặc vùng khả kiến. Phần lớn các maser
được nghiên cứu dựa trên hiệu ứng chuyển tiếp phân tử, vì thế dải sóng của chúng
thuộc vùng sóng vơ tuyến.
Hiện tượng cơ bản tạo ra bức xạ maser phát xạ tự phát là khi một photon tác
động đến một phân tử đang ở trạng thái kích thích thì làm phân tử đó phát xạ một
photon có cùng mức năng lượng và chuyển xuống trạng thái có mức năng lượng
thấp hơn. Hiện tượng kỳ lạ này đã được Einstein dự đốn, để nghiên cứu và tạo ra
được nó chúng ta cần sử dụng những định luật Planck về các đặc tính vi mơ của
ngun tử. Bức xạ maser chỉ xẩy ra khi có sự đảo lộn mật độ tích lũy, nghĩa là khi
các phân tử khơng ở trong trạng thái cân bằng nhiệt. Với các nghiên cứu trên mặt
đất thì các điều kiện vật lý để cho maser xảy ra là rất khó, nhưng trong các mơi
trường vật lý thiên văn mật độ phân tử khí thấp do đó các phân tử bụi khí khơng tồn
11


tại ở trạng thái cân bằng nhiệt là khá phổ biến, vì thế maser tự nhiên là khá phổ
biến. Các nghiên cứu trên mặt đất cũng thường đòi hỏi các gương phản xạ ánh sáng
có đường kính lớn nhưng kích thước maser được tạo ra là khiêm tốn hơn nhiều so
với maser tự nhiên (đường kính tối thiểu cỡ vài đơn vị thiên văn – một đơn vị thiên
văn có chiều dài 1,5.1011 m)
Gọi  là hệ số hấp thụ vĩ mơ có thể liên quan hệ các hệ số Einstein B 12 và
B21, các trạng thái có mật độ phân tử tương ứng là n 1 và n2, và gọi  (ν) là đường) là đường
chuẩn hóa. Ta có
 

h
 ( )(n1 B12  n2 B21 )
4
n

B

g

2
12
1
Điều này có nghĩa rằng nếu n  B  g thì chúng ta có một hệ số hấp thụ âm. Vì
1
21
2

trong trường hợp khơng có phát xạ địa phương
  ds
I I  ,0 e 

Với hệ số hấp thụ âm sẽ tạo ra khả năng khuếch đại theo tăng theo hàm mũ rất
nhanh. Trong điều kiện nhiệt độ chói sáng (làm việc ở phần của quang phổ
Rayleigh-Jeans), ta có
Tm = Tb e   ds .

Lưu ý rằng nhiệt độ này của bức xạ khơng bị giới hạn bởi bất kì hệ thống nào vì
vậy có thể sẽ rất cao. Nhiệt độ chói sáng cao, quan sát bằng cách sử dụng kỹ thuật
VLBI người ta xác định được kích thước của nguồn lớn hơn rất nhiều so với dự
kiến, là dấu hiệu đầu tiên về sự tồn tại của maser vật lý thiên văn.
Ngay sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về sự phát triển của nhiệt độ chói sáng theo cấp
số nhân.
Nếu có một đám hơi bất thường (có sự đảo lộn mật độ) ở trong chất khí, khi
đó cường độ bức xạ theo mỗi hướng sẽ tăng với cấp số nhân theo chiều dài của

hướng đó. Do đó nếu có một bức xạ kích thích vào đám khí theo một hướng nào đó
12


sẽ làm cho cường độ bức xạ phát ra theo hướng đó tăng lên gấp bội. Tuy nhiên, sự
phát triển theo cấp số nhân không thể tăng đến vô hạn. Khi bức xạ kích thích được
tăng cường sẽ làm cho số lượng phát xạ kích thích tăng lên, đồng thời làm suy giảm
sự đảo lộn mật độ. Khi cường độ cao, maser được xem là bão hịa (xem hình 2).

Hình 2: Lúc đầu, cường độ của maser là một hàm số phát triển theo cấp số nhân
(hàm mũ), sau đó khi công suất của các phương tiện bơm đủ lớn thì nó trở nên
tuyến tính.
Việc phân tích maser bão hịa khá phức tạp bởi thực tế ánh sáng truyền trong tất cả
các hướng làm suy yếu nghịch đảo mật độ, do đó cường độ theo các hướng khác
nhau được kết hợp. Rất may là trong một phạm vi hẹp, sự phát triển của chùm
maser chưa bão hòa theo cấp số nhân được tập trung hầu hết theo một hướng nhất
định, do đó, mục đích chính của chúng ta có thể tập trung vào một mơ hình hai
chiều.

13


1.1.1. Maser chưa bão hòa và maser bão hòa
a) Maser chưa bão hòa
Khi maser chưa bão hòa, cường độ quan sát tỷ lệ thuận với cường độ của

nguồn: I I ,0 e , ở đó độ sâu quang học τv là số âm. Điều này có một số tác dụng


cho việc quan trắc thiên văn.

Hiệu ứng quan sát rõ ràng nhất là maser thực sự phục vụ như một bộ khuếch
đại tín hiệu phía sau nó. Điều này đã được quan sát, ví dụ, ở đi của sao chổi
Kouhoutek khi nó đi phía trước của một nguồn vơ tuyến. Do đó các maser vật lý
thiên văn có thể được sử dụng như bộ khuếch đại trong việc tìm kiếm những thông
tin từ vũ trụ. Việc phát hiện ra maser OH chưa bão hòa khuếch đại các rung động
từ pulsar đã chứng tỏ có thể tạo ra được maser với khoảng thời gian xung cỡ
miligiây, nhưng vấn đề chính chúng ta cần quan tâm là hoạt động từ bên trong của
maser.

Hình 3: Đồ thị thu hẹp trong mơ hình maser đơn giản.

14


Độ nhạy theo hàm mũ độ sâu quang học của maser chưa bão hòa cũng áp dụng cho
sự phụ thuộc tần số khi tần số dịch chuyển ra xa đỉnh của đồ thị, khuếch đại sẽ
giảm xuống. Làm cho độ rộng vạch phổ của chúng hẹp hơn độ rộng của vạch phổ ở
nhiệt độ tự nhiên. Trong thực tế, hình dạng đồ thị là rất nhạy cảm với các điều kiện
tại vùng maser, do đó hình dạng đồ thị sẽ cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin để
khám phá các vùng maser trong tự nhiên.
b) Maser bão hòa
Khi cường độ của trường bức xạ phát triển mạnh mẽ, đủ để ảnh hưởng đáng
kể đến những thay đổi bức xạ của các đám mây bụi. Để tạo ra và duy trì được trạng
thái maser ổn định chắc chắn phải có một số q trình mà ở đó các phân tử được
chuyển mức năng lượng từ một trạng thái khác. Bây giờ giả định rằng các phân tử
được tạo ra ở trạng thái kích thích nhiều hơn trạng thái cơ bản.
n

n

1
2
Trong trạng thái ổn định, một maser bão hịa có mật phân tử g  g sẽ không hấp
1
2

thụ cũng không phát xạ kích thích. Q trình bơm thêm một dịng ổn định cho các
hạt trong trạng thái năng lượng cao, với cường độ bức xạ đủ mạnh để đảm bảo phát
xạ cưỡng bức xảy ra gần như ngay lập tức. Như vậy, ngoài một lớp mỏng nơi
maser là chưa bão hòa, gần như tất cả các maser được chuyển đổi nhờ nguồn bơm
photon maser. Ngoài ra, cần chú ý sự hấp thụ của maser cân bằng với phát xạ kích
thích, do đó, bức xạ đi qua khu vực khơng tiêu hao. Đặc biệt, điều này có nghĩa là
cường độ maser là tỷ lệ thuận với khối lượng maser (chính xác là với đầu vào năng
lượng bơm).

15


Hình 4: Phổ hoạt động của maser trong một vùng của gradient vận tốc không
đổi. Hiệu ứng Doppler do sự dịch chuyển là 0,01 độ rộng dòng cho mỗi độ sâu
quang học.
1.1.2. Phổ maser
Số lượng quang phổ của maser có thể cho chúng ta biết được nhiều thông tin
về môi trường của nó. Kể từ khi các maser được tạo ra từ hiệu ứng chuyển tiếp
phân tử, tần số của các dòng maser được quan sát cho ta một phép đo trực tiếp của
dịch chuyển đỏ tại vị trí của maser.
Chiều rộng của đồ thị, kết hợp với cường độ của nó (so với vạch phát xạ gần
đó), có chứa thơng tin về mức độ bão hịa của maser. Một phân tích phức tạp hơn
về maser bão hịa lại cho kết quả khác. Đồ thị không thu hẹp hơn mà trong thực tế
đồ thị có thể mở rộng theo chiều rộng của nhiệt độ. Điều này được giải thích trong

mơ hình của hai đường, khi maser hoạt động trong một chế độ bão hòa gần như tất
cả các phân tử kích thích góp phần để khuếch đại, bất kể vận tốc nào của nó, vì vậy

16


đỉnh và nhánh của đồ thị được khuếch đại như nhau. Khi sử dụng đầy đủ mơ hình
ba chiều, vấn đề là rất phức tạp.
Dịch chuyển Doppler của dòng maser trong một nhóm nguồn nhất định có
thể chứa đựng nhiều thơng tin về chuyển động của các đám mây khí trong khu vực.
Ví dụ như các thơng tin có thể được sử dụng để ước tính khối lượng của vật thể ở
trung tâm. Tuy nhiên, nghiên cứu maser bão hòa là một vấn đề khá phức tạp. Hình
3 là một ví dụ về vùng quang phổ (mơ phỏng) hoạt động của maser bão hòa trong
một khu vực nơi mà các phương tiện laser di chuyển với một gradient vận tốc
không đổi. Dao động đặc thù phát triển là một kết quả của sự bão hòa của khu vực
nhất định.
1.1.3. Điều kiện phát xạ maser
Điều kiện cần thiết cho maser phát xạ là phải có sẵn mật độ đảo ngược. Phân
tử có thể được đưa lên trạng thái năng lượng cao hơn theo nhiều cách khác nhau,
nhưng một số quá trình có xu hướng nhiệt hóa sự phân bố. Các cơ chế chính là phát
xạ và va chạm. Với mật độ cao của bức xạ, đặc biệt là bức xạ nhiệt, các hạt được
phân bố lại. Tuy nhiên, hệ thống vật lý thiên văn mà chúng ta có thể quan sát trực
tiếp là các dụng cụ quang học mỏng, cho phép bức xạ truyền qua mà không ảnh
hưởng đến trạng thái cân bằng của các hạt, đó là cách quan sát các hệ vật lý thiên
văn thường xuyên trong trạng thái cân bằng nhiệt động lực học cục bộ nếu có, chứ
không phải là trạng thái cân bằng nhiệt động lực học đầy đủ. Nhưng vấn đề đáng
quan tâm hơn là các va chạm có xu hướng nhiệt hóa sự phân bố mật độ các hạt.
Với mơ hình maser đơn giản, có thể maser được nằm chìm trong mơi trường
của các đám mây bụi được phân bố ở một vài nhiệt độ T (Đây là trường hợp bình
thường trong các hệ vật lý thiên văn, nơi các loại maser được tạo ra do các hạt

hydro và heli được phân bố gián đoạn thành những vùng có kích thước nhỏ trong
các đám mây bụi rất lớn). Dựa vào mơ hình hai trạng thái đơn giản, gọi C 12 và C21
17


là tốc độ dịch chuyển do va chạm cảm ứng, giả sử tất cả các bức xạ thoát ra ngay
lập tức, và bỏ qua trọng số thống kê. Sau đó, tính tốn chi tiết sự cân bằng cho ta
n2 (C21  A21 ) n1C12 (1).

Theo giả thiết của chúng tôi thì loại maser này bị nhiệt hóa do va chạm,
C12 C21e



h
kT

(2).

Từ (1) và (2) suy ra n1 
n2



h
kT

e
.
1  A21 / C21

Khi so sánh với phân bố Maxwell-Boltzmann, chúng ta kì vọng sự phân bố
được nhiệt hóa nếu C21 >> A21, có nghĩa là, chúng tơi hy vọng sự phân bố mật độ
các hạt theo các định luật của nhiệt động lực học khi các va chạm chiếm ưu thế (Vì
phát xạ tự phát là một yếu tố làm giảm nhiệt độ nên phân bố nhiệt cũng được kì
vọng nếu các phát xạ tự phát khơng thốt được khỏi vùng maser). Với hiệu ứng
chuyển động quay đặc trưng của phân tử hai nguyên tử, A ≈ 10 -6 s-1, diện tích mặt
cắt ngang là 10-15 cm2, vận tốc nhiệt sẽ là 105 cm/s, cho ta hệ số tỷ lệ va chạm là
10-10 cm3/s. Sau đó các va chạm sẽ chiếm ưu thế khi mật độ lớn hơn khoảng 10 4 cm3

. Đây là mơi trường chân khơng rất khó tạo ra trong phịng thí nghiệm thiên văn,

nhưng nó lại rất phổ biến trong mơi trường giữa các ngơi sao. Vì vậy, trong phịng
thí nghiệm, các đám khí có xu hướng đạt trạng thái cân bằng nhiệt động, nhưng
trong môi trường giữa các ngơi sao thì nhiệt độ có thể bé hơn nhiều ngay cả khi
đám khí đang ở trạng thái cân bằng.
Tất nhiên, ở trên chúng ta đang xét với các trường hợp đơn giản nên thực tế
thì sự đảo ngược mật độ là chưa thể xẩy ra. Tuy nhiên, sự va chạm là một thước đo
rất quan trọng để xác định mức độ cân bằng nhiệt động của hệ. Trong các hệ thực
tế thì vấn đề va chạm được dự đốn là cịn phức tạp hơn nhiều.

18


1.1.4. Các cơ chế bơm maser
Các thảo luận ở trên đã chưa đề cập đến câu hỏi làm thế nào để đưa các phân
tử chuyển lên trạng thái kích thích. Điều này có thể thực hiện bằng cơ chế bơm có
nguồn gốc của năng lượng tự do được laser phát ra. Cơ chế bơm này rất phức tạp,
các mức năng lượng được tạo ra nhờ quá trình chuyển đổi trạng thái của nhiều loại.
Từ khi biết được maser là quá trình khơng cân bằng thì các phương trình cân bằng

ít được sử dụng, người ta phải dùng mơ hình để theo dõi được tất cả các trường hợp
của các loại quần thể có liên quan (cũng như tất cả các bức xạ ở các bước sóng có
liên quan). Việc nghiên cứu gặp khó khăn hơn bởi những thơng tin chi tiết lại phụ
thuộc vào các quá trình va chạm và các quá trình hấp thụ lạ thường. Ngay cả khi
các mơ hình đã được tính tốn trước, thì mơ hình nghiên cứu cũng chỉ cấp cho
chúng ta những dấu hiệu quan trọng của cơ chế bơm. Sau đây chúng ta sẽ xét hoạt
động của các cơ chế bơm trong maser vật lý thiên văn.
Nguyên tắc hoạt động của bơm phát xạ đơn giản là: các loại maser hấp thụ
bức xạ tại một bước sóng, sau đó phân rã thơng qua một chuỗi các q trình cho
đến khi nó đạt đến một trạng thái mật độ đảo ngược. Mơ hình đơn giản nhất là một
hệ thống bốn mức (mô phỏng theo q trình hoạt động hiệu quả nhất của laser
trong phịng thí nghiệm). Trong mơ hình như vậy các loại maser có bốn mức (Các
mức được đặt theo thứ tự năng lượng tăng dần là từ mức 1 đến mức 4), sự phát xạ
tự phát 2 → 1 là nhanh hơn nhiều so với sự phát xạ tự phát 3 → 2, và trạng thái
phát xạ chủ yếu là từ trạng thái 4 đến trạng thái 3. Sự đảo ngược mật độ xảy ra giữa
các trạng thái 3 và 2 vì phát xạ 3 → 2 gần như ngay lập tức sau khi phát xạ 2 → 1
để cho mật độ lớn không bao giờ được tạo ra ở trạng thái 2. Q trình bơm diễn ra
khi một photon kích thích một nguyên tử từ trạng thái 1 đến trạng thái 4. Tất nhiên,
nếu có bức xạ nhiệt nó sẽ thúc đẩy q trình chuyển đổi khơng mong muốn như 1
→ 2 và 3 → 4, tuy nhiên có nhiều trường hợp nguồn được chìm trong bức xạ phi
19


nhiệt. Vì thực tế, người ta thường quan sát thấy quang phổ bức xạ và hấp thụ của
khí bụi ở vùng hồng ngoại chỉ phụ thuộc vào tần số của nó và khác xa với quang
phổ của vật đen.
Một thực tế quan trọng cần lưu ý về bơm bức xạ là số lượng của các photon
do maser phát xạ không thể vượt quá số lượng photon phát ra bởi nguồn ở tần số
bơm. Để có thể giải thích sự phát ánh sáng nhiệt độ cao của maser có thể dùng
phép tính sau: Giả sử chúng ta có một nguồn bơm maser với nhiệt độ ánh sáng Tp,

bơm photon được pha lỗng bởi hệ số Wp, khi đó chuyển đổi photon maser có hiệu
suất là η rồi cho phát vào một góc khối ΔΩm. Do đó nhiệt độ độ trưng ánh sáng là
2

 4    p /  p    p 
Tm W p 

   Tp
  m   m / m   m 

Độ rộng tương đối của đồ thị ở các tần số bơm và maser là tương tự nhau,
nhưng có một hiệu ứng rất rực rỡ tuy không mạnh mẽ như laser trong phịng thí
nghiệm (theo phương thức cộng hưởng quang học). Vì vậy, hầu hết các độ sáng là
2

v 
do giới hạn  p  , vì trong thực tế ở phần Rayleigh-Jeans của quang phổ số lượng
 vm 

các photon phát ra giảm xuống theo tần số, do đó ở tần số thấp hơn thì số lượng
photon tạo ra độ trưng ánh sáng cao hơn nhiều.
Maser cũng có thể được bơm va chạm với các quần thể khác nhau, ví dụ, các
electron năng lượng cao, gió sao, hoặc sóng xung kích. Độ sáng của maser như vậy
được hạn chế bởi năng lượng tự do có sẵn và điều kiện là khơng đầy đủ cho q
trình nhiệt hóa do va chạm. Do đó việc thăm dị các tính chất của maser là khó khăn
hơn, chúng ta khó có thể thực hiện được một phép đo chính xác năng lượng bơm có
sẵn bằng cách đo độ sáng của bức xạ bơm, nhưng vẫn có thể so sánh được sự tương
đương giữa năng lượng tự do có sẵn từ bơm va chạm với năng lượng tự do có sẵn
từ bơm bức xạ.
20