Khám phá vũ trụ bao la – Phần 2 – 10 vạn câu hỏi vì sao?

Khám phá vũ trụ bao la – Phần 2 – 10 vạn câu hỏi vì sao?

Thiên thạch ở dạng băng là như thế nào?

Vật thể thiên nhiên ở trạng thái cố định rơi xuống mặt đất từ không gian vũ trụ xuyên qua tầng khí quyển Trái đất gọi là sao Băng, sao Băng có thể chia làm 3 loại: sao Băng đá, sao Băng sắt và sao Băng sắt đá. Ngoài ba loại sao Băng này ra còn có loại saoBăng từ chất thuỷ tinh, gọi là băng thiên thạch.

Trong quá trình sao Băng rơi xuống mặt đất, nhiệt độ bề mặt có thể đạt tới trên 4000 độ C, rất nhiều vật chất đều lần lượt bị khí hoá dưới nhiệt độ cao như vậy, vì thế mà mọi người đều rất khó tưởng tượng ra rằng sao lại có băng thiên thạch rơi xuống mặt đất?

Những ghi chép liên quan đến băng thiên thạch thực sự rất hiếm. Trong những tài liệu thời xưa của Trung Quốc từng ghi lại một đoạn văn tự như sau: “Mùa thu năm Đồng trị thứ nhất (năm 1962), giữa trưa có ngôi sao lớn rơi xuống cánh đồng nhà họ Lôi, thôn Tây huyện Linh Lăng. Nó to như cái đấu và tròn, tiếng nổ như sấm, lâu dần biến thành nước”. “Ngôi sao” lớn này chính là vị khách đến từ ngoài Trái đất – băng thiên thạch hay là băng đá? Theo những ghi chép lúc đó mà nói thì vẫn chưa đủ để tiến hành giám định khoa học. Ngày 11 tháng 04 năm 1983, cửa Đông thành phố Vô Tích đã rơi xuống một mảng băng, sau đó là một đám khói nổi lên. Một người qua đường còn đặt mảng băng vỡ mà ông nhặt được vào bình nước nóng. Sau này, trước sự cố gắng của các nhà thiên văn học Trung Quốc, từ bức hình chụp được từ vệ tinh nhân tạo ngày hôm đó, họ đã tìm thấy các dấu vết quỹ đạo từ không gian vũ trụ tiến vào tầng khí quyển, từ đó đã chứng minh nó là mảng sao băng thuỷ tinh hiếm thấy.

Những ghi chép liên quan đến sao Băng thuỷ tinh của nước ngoài cũng rất ít. Ngày 30 tháng 8 năm 1955, một mảng sao Băng thuỷ tinh rơi xuống bên ngoài thành phố Kaston, bang Alaska của Mỹ, với trọng lượng vào khoảng 3000 gram. Ngày 27 tháng 8 năm 1963, một mảng sao băng thuỷ tinh rơi xuống một vườn cây trong một nông trang ở khu vực Matxcơva thuộc Liên Xô cũ, tổng trọng lượng các mảng băng vỡ vào khoảng 5000 gram.

Một số nhà khoa học đoán rằng, nguồn gốc có thể nhất của sao băng thuỷ tinh chính là sao chổi, khi ngôi sao chổi nhỏ va vào bầu khí quyển, có lẽ có một số chưa bị đốt cháy hoàn toàn trong bầu khí quyển nên bị rơi xuống mặt đất. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có học giả nào thể hiện thái độ phủ định về sao Băng thuỷ tinh, họ cho rằng vẫn chưa đủ chứng cứ để chứng minh chúng là những vị khách đến từ bên ngoài Trái đất. Họ cho rằng những tảng băng rơi từ trên trời xuống đất rất có thể là sản phẩm trong bầu khí quyển Trái đất.

Làm thế nào để biết một hòn đá là thiên thạch?

Nếu đặt trước mắt bạn một đống đá và sắt cục, bạn có phân biệt được hòn nào là thiên thạch, hòn nào là đá hay sắt tự nhiên không? Chẳng khó lắm đâu. Để ý một chút, bạn sẽ thấy thiên thạch có lớp vỏ mỏng và những rãnh không khí rất đặc trưng.

Khi bay vào bầu khí quyển, thiên thạch cọ sát với không khí nên bề mặt chúng bị nóng lên đến mấy nghìn độ, và chảy thành nước. Sau đó, khi nguội dần, bề mặt nóng chảy này đóng lại thành một lớp vỏ mỏng gọi là lớp vỏ nóng chảy, thường lớp vỏ này chỉ dày độ 1 mm, có màu nâu hoặc màu nâu đen.

Trong quá trình lớp vỏ này nguội dần, không khí thổi qua bề mặt nó và để lại những vết hằn rõ, được gọi là các rãnh không khí, trông giống như vết ngón tay để lại khi ta nắm bột mì. Lớp vỏ nóng chảy và những rãnh không khí là đặc điểm chủ yếu của thiên thạch. Nếu nhìn thấy tảng đá hay cục sắt nào đó có các đặc điểm kể trên, thì có thể khẳng định đó chính là thiên thạch.

Một số thiên thạch rơi xuống đất lâu ngày, bị mưa nắng phong hoá làm bong mất lớp vỏ cứng. Trường hợp đó, khó nhận ra các rãnh không khí nhưng đã có cách khác để nhận ra chúng. Thiên thạch đá trông rất giống đá trên Trái đất, nhưng với cùng một thể tích, bạn sẽ thấy nó nặng hơn nhiều. Chúng thường chứa một lượng sắt nhất định, có từ tính, dùng nam châm thử là biết ngay. Ngoài ra, quan sát kỹ mặt cắt của thiên thạch đá, bạn sẽ thấy trong đó có rất nhiều hạt tròn nhỏ, đường kính 1 – 3 mm. 90% thiên thạch đá đều có những hạt tròn nhỏ như vậy.

Thành phần chủ yếu của thiên thạch đá là sắt và niken, trong đó sắt chiếm khoảng 90%, niken 4 – 8%. Lượng niken trong sắt tự nhiên trên Trái đất không nhiều như vậy. Nếu mài nhẵn mặt cắt của thiên thạch sắt rồi dùng axit nitric bôi vào, sẽ xuất hiện những vết rỗ rất đặc biệt, giống như các ô hoa. Đó là vì thành phần các chất trong thiên thạch sắt phân bố không đều, chỗ nhiều chỗ ít niken. Chỗ chứa nhiều niken khó bị axit ăn mòn và ngược lại, tạo nên các đường vân. Đây cũng là một cách để nhận biết thiên thạch.

Ánh sáng – “vô địch vũ trụ” về tốc độ

Các nhà vật lý đã khẳng định rằng vận tốc ánh sáng (xấp xỉ 300.000 km/giây) là cực đại trong vũ trụ. Thậm chí chúng ta cũng không thể đẩy một thể nhẹ như electron bay với vận tốc ánh sáng được. Có thể giải thích điều này như thế nào?

Electron, thành phần của nguyên tử, là một hạt tí hon có khối lượng cực nhỏ. Trong thực tế, các nhà khoa học đã làm cho nó chuyển động với vận tốc xấp xỉ 99,99% vận tốc ánh sáng, nhưng vẫn chưa đạt được con số mong muốn. Năm 1964, trong khi cố gắng tăng tốc electron, W. Bertozzi đã thấy rằng càng nhận nhiều công, electron chuyển động càng nhanh, nhưng khi gần đạt tới vận tốc ánh sáng, nó không còn chuyển động nhanh hơn nữa, mà chỉ thu thêm động năng (năng lượng sinh ra trong quá trình chuyển động).

Điều gì sẽ xảy ra khi động năng đạt tới một mức cao? Chúng ta hãy nghiên cứu công thức vật lý nổi tiếng của nhà bác học Albert Einstein: E = mc2, trong đó E là năng lượng, m là khối lượng vật thể và c là vận tốc ánh sáng (không đổi).

Phương trình này chứng tỏ: Khi một electron gần đạt tới vận tốc ánh sáng, động năng nó thu được tăng lên và khối lượng cũng tăng theo. Nói cách khác, càng chuyển động nhanh “đuổi theo ánh sáng”, electron càng nặng. Các nhà khoa học tính ra rằng để làm một electron chuyển động nhanh tới gần 300.000 km/giây, cần phải có năng lượng vô hạn. Đáng tiếc, trong vũ trụ không tồn tại năng lượng vô hạn, do đó, không có cách nào làm electron bay nhanh hơn ánh sáng được, ít nhất là vào thời điểm hiện nay.

Điều này đúng với một hạt vật chất nhẹ như electron thì cũng đúng với mọi thứ khác trong thực tế. Chuyển động nhanh như ánh sáng là điều không tưởng.

Làm thế nào để khai thác kim loại quý hiếm trong vũ trụ?

Các tiểu hành tinh trong vũ trụ được cho là chứa một khối lượng lớn các kim loại quý hiếm như cacbon, kim cương, titan và dầu mỏ, được sinh ra từ bụi than và khí ngưng tụ.

Còn nằm sâu hơn dưới lớp bề mặt của các tiểu hành tinh có thể là các lớp cacbon và silicon. Theo các quy luật vật lý, cacbon dưới lực ép lớn có thể chuyển thành kim cương. Các nhà vật lý của trường Đại học Princeton và trường Đại học Carnegie (Mỹ) cho rằng, các dòng sông, biển và thậm chí là đại dương của các tiểu hành tinh sẽ có rất nhiều khí metan và dầu mỏ.

Hiện tại con người chỉ có thể chiêm ngưỡng các mỏ kim cương và mỏ dầu tự nhiên trên các tiểu hành tinh. Nhưng theo nhà vật lý Katharina Lodders tại trường Đại học Washington, khối lượng kim loại có thể tồn tại ở những tiểu hành tinh gần hệ Mặt trời. Qua phân tích thông tin thu được bằng kính viễn vọng Huygens, nhà vật lý Lodders cho rằng trên sao Mộc có khả năng tồn tại titan.

Đến nay, các nhà khoa học cho rằng tâm của các hành tinh trong hệ Mặt trời được hình thành nhờ ion, nicken và canxo. Theo các giả thiết khoa học đó, ban đầu các chất hoá học này được tụ lại ở dạng đám mây bụi khí bao quanh Mặt trời. Tuy nhiên, nhà vật lý Lodders cho rằng vẫn còn tồn tại những lớp đá cuội và đá lăn trong các đám mây đó.

Những hòn đá cuội khi rơi xuống Trái đất có thể chứa grafit và thậm chí các phần tử kim cương. Chính những khối đá cuội qua hàng tỉ năm vận động có thể đã tạo ra một hành tinh có kích thước cực lớn chứa các mỏ dầu và kim cương.

Năm 1999, Mỹ đã hạ cánh thành công trạm vũ trụ NEAR lên hành tinh Eros. Sau khi phân tích cấu trúc bề mặt của hành tinh Eros, các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện thấy trên hành tinh Eros chứa khoảng 20 tỉ tấn nhôm và khoảng 20 tỉ tấn platin, vàng và một số kim loại quý hiếm khác. Nói cách khác, hiện đang có những mỏ kim loại quý hiếm khổng lồ bay xung quanh Trái đất, trị giá ước tính khoảng 20 – 30 nghìn USD.

Các hành tinh có kim cương và dầu mỏ nằm cách rất xa Trái đất và với khoa học hiện nay loài người chưa thể khai thác được nguồn tài nguyên quý giá này. Nhưng hy vọng với tốc độ phát triển khoa học như vũ bão hiện nay, không bao xa nữa con người có thể khai thác được các mỏ vàng và dầu khí trong vũ trụ để bổ sung cho nguồn năng lượng thế giới đang cạn kiệt dần như hiện nay.

Lời giải nào cho sự mất tích bí ẩn của các hạt neutrino?

Một nhóm nghiên cứu vật lý quốc tế vừa khẳng định đã có đáp án cho bí ẩn kéo dài 30 năm qua: sự mất tích của các hạt neutrino (dạng hạt cơ bản cấu thành vật chất) phát ra từ Mặt trời. Không ai khác, chính các hạt neutrino đã “thay hình đổi dạng” trên đường đến Trái đất khiến các nhà khoa học mất dấu chúng!

Neutrino là một trong số các hạt cơ bản cấu thành vật chất. Chúng thường được gọi là “bóng ma” do đặc tính tương tác quá yếu ớt với các dạng khác của vật chất. Chúng chia thành 3 dạng: electron – neutrino, moun – neutrino và tau – neutrino. Các neutrino sinh ra từ các phản ứng hạt nhân trong lòng Mặt trời đều là dạng electron – neutrion.

Đầu thập kỷ 70, các nhà khoa học đã thực hiện nhiều thí nghiệm để xác định lượng neutrino đến Trái đất. Tuy nhiên, họ chỉ tìm thấy khoảng 1/3 số hạt neutrino so với ước tính. Những hạt còn lại đi đâu? Có điều gì sai lầm trong lý thuyết về Mặt trời, hay trong nhận thức của chúng ta về neutrino?

Sau nhiều năm nghiên cứu, đến nay các nhà khoa học đã có được lời giải rõ ràng: Chính electron – neutrino, trong quá trình “chu du” từ nhân Mặt trời tới Trái đất, đã chuyển hoá sang dạng moun – neutrino và tau – neutrino khiến các nhà khoa học không phát hiện được. Thực tế, tổng lượng electron – neutrino được sinh ra từ Mặt trời vẫn bằng với số lượng tính toán theo mô hình.

Máy dò neutrino khổng lồ

Nghiên cứu được thực hiện bởi một máy dò neutrino khổng lồ đặt ngầm dưới lòng đất Canada – Đài nghiên cứu Neutrino Sudbury (SNO). Tổ hợp này nằm sâu tới 2 km trong một mỏ niken gần Sudbury, Ontario, gồm một quả cầu tròn chứa 1.000 tấn nước nặng, bên ngoài là các máy dò. Nhiệm vụ duy nhất của nó là phát hiện các dạng tương tác của neutrino.

Trong phân tử nước nặng, nguyên tử hydro được thay thế bằng đồng vị nặng deuterium. Khi một nguyên tử deuterium bị một electron – neutrino bắn phá, nó sẽ tách thành một proton và một neutron. Nhờ vậy các máy dò đếm được số hạt này. Hai dạng còn lại của neutrino không thể bẻ gãy nguyên tử deuterium.

So sánh số hạt đếm được với một kết quả khác do máy dò ở Nhật Bản thực hiện, số lượng các neutrino đếm được ở Nhật Bản nhiều hơn, với đủ cả 3 loại. Điều đó chứng tỏ trong hành trình bay đến Trái đất, electron – neutrion đã chuyển hoá thành moun – neutrion và tau – neutrion.

Các nhà khoa học cũng cho rằng, dù có số lượng rất lớn, nhưng tổng khối lượng của các neutrino lại rất nhỏ, do vậy, chúng hầu như không thể ngăn chặn quá trình nở rộng của vũ trụ.

Đơn vị thiên văn là gì?

Đơn vị thiên văn là một loại đơn vị dùng để đo khoảng cách trong thiên văn học, người ta lấy khoảng cách trung bình từ Trái đất đến Mặt trời làm đơn vị đo. Đối với các thiên thể trong hệ Mặt trời thường dùng đơn vị này. Một đơn vị thiên văn này bằng 149.600.000 km. Vì khoảng cách giữa các thiên thể là rất lớn, nên nếu dùng đơn vị đo là km thì các con số sẽ rất khổng lồ, bất tiện. Ngoài ra ánh sáng từ các vì sao đi đến Trái đất thường đòi hỏi thời gian mấy năm nên việc dùng đơn vị năm ánh sáng để đo khoảng cách giữa các thiên thể sẽ làm giảm bớt các phiền phức. Một năm ánh sáng bằng 9.460.000.000.000 km (9,460.1012 km). Có những nhà thiên văn học lại không dùng năm ánh sáng mà dùng độ ly giác là giây sai, một giây sai bằng 3.260.000.000.000 km (3,26.1012 km).

Ánh sáng Mặt trời cần 8 phút 19 giây đi từ Mặt trời tới Trái đất, đến sao Thiên vương cần phải 5 giờ 48 phút. Với khoảng cách này thì năm ánh sáng là một đơn vị quá lớn.

Khi nghiên cứu các thiên thể trong hệ Mặt trời, các ngôi sao và đám ngôi sao vì việc dùng đơn vị thiên văn là một việc làm rất thích hợp.

Vì sao vệ tinh khí tượng địa tĩnh có thể dự báo thời tiết?

Vệ tinh khí tượng địa tĩnh chuyển động quanh Trái đất với cùng một chu kỳ Trái đất tự quay, tức là chuyển động đồng bộ với Trái đất. Cho nên, khi ở mặt đất nhìn lên chúng ta cảm thấy nó đứng yên ở một chỗ cố định.

Vệ tinh khí tượng địa tĩnh “đứng yên” trên bầu trờim cách bề mặt Trái đất khoảng 36.000 km. Trên vệ tinh được trang bị máy ảnh tinh xảo để chụp liên tục hướng di chuyển của các tầng mây, sự biến đổi của nhiệt độ bề mặt và tình hình chuyển động của các cơn bão… trên một vùng rộng lớn và truyền kịp thời những hình ảnh đã chụp được về trạm thu ở dưới mặt đất.

Trên mặt đất sau khi đón những tín hiệu đến từ vệ tinh, liền chuyển đổi tín hiệu thành hình ảnh. Cho nên chúng ta có thể nắm được tình hình biến đổi của các tầng mây trên cao. Nếu đem những hình ảnh đó ghi lên bản đồ có sẵn thì có thể biết một cách tương đối chính xác về sự biến đổi của các tầng mây trên cao ở nhiều nơi. Vệ tinh khí tượng địa tĩnh chẳng những có thể dự báo chuẩn xác về sự biến đổi của nhiệt độ không khí, hướng gió sắp tới, đường đi của bão… Vì vậy nó có tác dụng lớn trong việc dự báo thiên tai…

Tại sao vệ tinh địa tĩnh có thể đứng yên?

Đứng ở một nơi nào nếu ném một quả cầu theo chiều nằm ngang, do lực hấp dẫn của Trái đất, quả cầu sẽ bay theo một đường cong và nhanh chóng rơi xuống đất. Khi bắn viên đạn từ một khẩu súng, viên đạn cũng không ra ngoài hiện tượng đó, chỉ có so với quả cầu thì viên đạn bay xa hơn.

Chúng ta hãy suy nghĩ một chút về đường bay của viên đạn. Vì mặt đất có dạng hình mặt cầu, nếu kéo dài ra xa mặt đất sẽ cong xuống, vì vậy nếu bắn một viên đạn với một vận tốc lớn, viên đạn sẽ bay với khoảng cách xa hơn điều mà chúng ta tưởng tượng. Vì mọi người cho rằng Mặt đất là một mặt phẳng nằm ngang, nếu như không có bầu không khí ngăn cản thì viên đạn có khả năng như một vệ tinh nhân tạo chuyển động trên một quỹ đạo. Muốn thế vận tốc viên đạn phải đạt tới 7,91 km và bay một vòng quanh Trái đất hết 1 giờ 24 phút càng cao thì lực hấp dẫn càng bé, viên đạn bay đi nhẹ nhàng. Ví như khi bay cao cách mặt đất 500 km thì cần 1 giờ 35 phút để bay một vòng quanh Trái đất, nếu bay cao 3000 km thì cần 2 giờ 31 phút, nếu ở độ cao 39.500 km thì để bay một vòng quanh Trái đất phải cần tới 24 giờ.

Giả sử rằng nếu ta đứng dưới mặt đất nhìn lên một vệ tinh bay theo một quỹ đạo tròn ở trên cao. Vì Trái đất tự quay một vòng hết 24 giờ, nên khi đứng trên mặt đất nhìn lên một vệ tinh cần 24 giờ để bay hết một vòng quanh Trái đất, thì trông vệ tinh tựa hồ như đứng yên một chỗ. Thực tế vệ tinh cùng mặt đất chuyển động đồng bộ. Vậy vệ tinh địa tĩnh cũng gọi là vệ tinh đồng bộ.

Tại sao phòng quan trắc thiên văn thường có mái tròn?

Thông thường mái nhà nếu không bằng thì cũng nghiêng, chỉ riêng mái của các phòng quan trắc của đài thiên văn thì hình tròn, trông xa giống như một cái bánh bao lớn. Phải chăng họ làm dáng cho nó hay chỉ để trông cho lạ mắt?

Không phải như vậy, bởi mái tròn có tác dụng riêng của nó. Nhìn từ xa, nóc đài thiên văn là một nửa hình cầu, nhưng đến gần sẽ thấy nóc mái có một rãnh hở chạy dài từ đỉnh xuống đến mép mái. Bước vào bên trong phòng, rãnh hở đó là một cửa sổ lớn nhìn lên trời, ống kính thiên văn khổng lồ chĩa lên trời qua cửa sổ lớn này.

Mái hình tròn của đài thiên văn được thiết kế để chuyên dụng cho kính thiên văn viễn vọng. Mục tiêu quan trắc của loại kính viễn vọng này nằm rải rác khắp bầu trời. Vì thế, nếu thiết kế như những mái nhà bình thường thì rất khó điều chỉnh ống kính về các mục tiêu. Trên trần nhà và xung quanh tường, người ta lắp một số bánh xe và đường ray chạy bằng điện để điều khiển nóc nhà di chuyển mọi góc độ, rất thuận tiện cho những người sử dụng. Bố trí như vậy, dù ống kính thiên văn hướng về phía nào, chỉ cần điều khiển nóc nhà chuyển động đưa cửa sổ đến trước ống kính, ánh sáng sẽ chiếu tới và người quan sát có thể nhìn thấy bất cứ mục tiêu nào trên bầu trời.

Khi không sử dụng, người ta đóng cửa sổ trên nóc nhà để bảo vệ kính thiên văn không bị mưa gió làm ảnh hưởng. Đương nhiên, không phải tất cả các phòng quan trắc của đài thiên văn đều thiết kế mái tròn. Một số phòng quan trắc chỉ quan sát bầu trời hướng Bắc – Nam nên chỉ cần thiết kế mái nhà hình chữ nhật hoặc hình vuông.

>> Xem thêm : Khám phá vũ trụ bao la – Phần 1 – 10 vạn câu hỏi vì sao?