Tài liệu Sử Dụng phần mềm Iraf trong quang trắc thiên văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ …….o0o……. Nguyễn Hữu Mẩm SỬ DỤNG PHẦN MỀM IRAF TRONG QUANG TRẮC THIÊN VĂN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC TP. Hồ Chí Minh – 2012 Nguyễn Hữu Mẩm BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ ……o0o…... Nguyễn Hữu Mẩm SỬ DỤNG PHẦN MỀM IRAF TRONG QUANG TRẮC THIÊN VĂN Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. CAO ANH TUẤN TP. Hồ Chí Minh – 2012 Nguyễn Hữu Mẩm LỜI CẢM ƠN Đề tài “Sử dụng phần mềm IRAF trong quang trắc thiên văn” yêu cầu rất nhiều vào trình độ tin học, trình độ ngoại ngữ bởi vì phần mềm IRAF chỉ chạy trên hệ điều hành LINUX, một hệ điều hành rất khó sử dụng với những câu lệnh phức tạp và rất ít người biết đến, còn tài liệu liên quan đến phần mềm IRAF đa số là tài liệu nước ngoài. Việc cài đặt hệ điều hành LINUX trên máy tính cũng khá khó khăn và việc cài đặt phần mềm IRAF thì rất phức tạp, tôi biết rằng đây là một đề tài rất khó, nhưng tôi cảm nhận từ Thầy sự nhiệt tình với học trò, luôn chỉ bảo tận tình, giúp cho tôi cảm thấy tự tin hơn vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận văn này. Thầy đã tạo cho tôi mọi điều kiện tốt nhất để cho tôi có thể hoàn thành tốt đề tài này, hướng dẫn tôi qua các bước cài đặt phần mềm IRAF, xử lý hình ảnh, đo đạc số liệu, giúp tôi tiếp cận được phương pháp nghiên cứu khoa học đối với bộ môn Thiên Văn Học, một môn khoa học rất mới ở nước ta. Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành tới Thầy Cao Anh Tuấn, cảm ơn quý Thầy Cô trong khoa Vật Lý đã truyền thụ kiến thức cho tôi, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi. Xin cảm ơn các bạn của tôi đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. TP. Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 4 năm 2012 Sinh viên thực hiện Nguyễn Hữu Mẩm Nguyễn Hữu Mẩm MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ................................................................................................................. 1 Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt ........................................................................... 3 Danh mục bảng biểu và sơ đồ .................................................................................. 5 Danh mục hình vẽ và biểu đồ ................................................................................... 6 PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 13 PHẦN TỔNG QUAN ............................................................................................... 15 CHƯƠNG 1 .............................................................................................................. 16 LÝ THUYẾT QUANG TRẮC THIÊN VĂN .......................................................... 16 1.1. QUAN SÁT BẦU TRỜI........................................................................................... 16 1.1.1 Thiên cầu............................................................................................................. 16 1.1.2. Hệ tọa độ chân trời ............................................................................................. 16 1.1.3. Hệ tọa độ xích đạo ............................................................................................. 17 1.2. ÁNH SÁNG – QUANG PHỔ .................................................................................. 17 1.2.1. Bức xạ điện từ .................................................................................................... 17 1.2.2. Bức xạ điện từ có bản chất nhiệt ........................................................................ 18 1.2.2.1. Phát xạ vật đen tuyệt đối ............................................................................. 18 1.2.2.2. Quang phổ liên tục ...................................................................................... 18 1.2.3. Bức xạ điện từ phi nhiệt ..................................................................................... 18 1.2.3.1. Bức xạ Synchrotron .................................................................................... 18 1.2.3.2. Quá trình tán xạ Compton ngược................................................................ 19 1.2.4. Bức xạ điện từ phát ra từ nguyên tử, phân tử - quang phổ vạch ........................ 19 1.2.4.1. Quang phổ nguyên tử .................................................................................. 19 1.2.4.2. Quang phổ nguyên tử Hydro ...................................................................... 19 1.2.4.3. Quang phổ phân tử ...................................................................................... 19 1.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG THIÊN VĂN ............................................................................ 20 1.3.1. Khoảng cách: đơn vị thiên văn, năm ánh sáng, parsec. ..................................... 20 1.3.2. Thị sai nhật tâm.................................................................................................. 20 1.3.3. Cấp sao ............................................................................................................... 20 1.3.3.1. Cấp sao nhìn thấy ........................................................................................ 20 1.3.3.2. Cấp sao tuyệt đối......................................................................................... 21 1.3.3.3. Color index – độ lệch màu .......................................................................... 21 1.4. SAO .......................................................................................................................... 21 1.4.1. Sao ổn định ........................................................................................................ 21 1.4.2. Sự tiến hóa sao – giản đồ H-R: nhiệt độ theo độ trưng...................................... 21 1.4.3. Sao biến quang ................................................................................................... 21 1.4.4. Cụm sao khuếch tán ........................................................................................... 22 1.4.5. Cụm sao cầu ....................................................................................................... 23 1.4.6. Kết thúc của các sao........................................................................................... 23 1.4.6.1. Sao lùn trắng ............................................................................................... 24 1.4.6.2. Sao nơtron ................................................................................................... 24 1.4.6.3. Lỗ đen ......................................................................................................... 24 CHƯƠNG 2 .............................................................................................................. 26 KÍNH THIÊN VĂN TAKAHASHI VÀ MÁY CHỤP CCD.................................... 26 Nguyễn Hữu Mẩm 2.1. HỆ KÍNH TAKAHASHI .......................................................................................... 26 2.2. CCD CAMERA ........................................................................................................ 26 2.3. CỞ SỞ LÝ THUYẾT HOẠT ĐỘNG VÀ THU ẢNH CỦA CCD .......................... 27 2.3.1. Cấu tạo CCD ...................................................................................................... 27 2.3.2. Nguyên tắc hoạt động của CCD ........................................................................ 27 2.4. Phương pháp xử lý ảnh ............................................................................................. 29 2.4.1. Xử lý nhiễu ........................................................................................................ 29 2.4.2. Quang trắc sao ................................................................................................... 29 CHƯƠNG 3 .............................................................................................................. 31 PHẦN MỀM IRAF VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH LINUX ................................................. 31 3.1. PHẦN MỀM IRAF VÀ HỆ ĐIỀU HÀNH LINUX ................................................. 31 3.2. MỘT SỐ LỆNH LINUX CĂN BẢN ....................................................................... 32 3.2.1. Các lệnh liệt kê tập tin: ...................................................................................... 32 3.2.2. Thay đổi thư mục: .............................................................................................. 32 3.2.3. Quản lí tập tin và thư mục: ................................................................................ 32 3.2.4. Giải nén : ............................................................................................................ 33 3.2.5. Xem thông tin hệ thống : ................................................................................... 33 3.3. QUÁ TRÌNH CÀI ĐẶT IRAF, DS9, X11 ............................................................... 34 3.3.1. Quá trình cài đặt X11iraf: .................................................................................. 34 3.3.2. Quá trình cài đặt DS9: ....................................................................................... 35 3.3.3. Quá trình cài đặt IRAF 2.16 (32bit) ................................................................... 36 3.4. MỘT SỐ LỆNH CĂN BẢN CỦA IRAF ................................................................. 37 3.5. CÁC BƯỚC XỬ LÝ ẢNH ....................................................................................... 38 3.6. ĐO CẤP SAO NHÌN THẤY CỦA CÁC NGÔI SAO TRÊN CÁC ẢNH HOÀN CHỈNH ............................................................................................................................. 45 3.6.1. Quang trắc với imexamine: ................................................................................ 45 3.6.2. Quang trắc với lệnh Daofind.............................................................................. 46 CHƯƠNG 4 .............................................................................................................. 62 KẾT QUẢ QUANG TRẮC ...................................................................................... 62 4.1. KẾT QUẢ XỬ LÝ:................................................................................................... 62 4.2. CỤM SAO CẦU M3: ............................................................................................... 63 4.3. TINH VÂN M42:...................................................................................................... 65 4.4. CỤM SAO MỞ M50: ............................................................................................... 67 4.5. THIÊN HÀ M51: ...................................................................................................... 69 4.6. THIÊN HÀ M63: ...................................................................................................... 71 4.7. THIÊN HÀ M74: ...................................................................................................... 73 4.8. THIÊN HÀ M83: ...................................................................................................... 75 4.9. CỤM SAO MỞ NGC1981: ...................................................................................... 77 4.10. CỤM SAO MỞ NGC2420: .................................................................................... 78 4.10. CỤM SAO MỞ NGC2420: .................................................................................... 79 4.11. SAO 116863: .......................................................................................................... 81 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 85 KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ......................................... 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 87 Nguyễn Hữu Mẩm Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt TVH: Thiên văn học. H – R: Họa đồ Hertzsprung – Russel. CCD ST7: Charge – Coupled Devices ST7. IRAF: Interactive Reduction and Analysis Facility. α : Xích kinh. δ : Xích vĩ. A: Độ phương. h: Góc tính từ đường chân trời lên thiên thể. ε : Năng lượng photon. λ max : Bước sóng cực đại. f max : Tần số cực đại. T: Chu kỳ. E: Độ dọi của sao. L: Độ trưng của sao. M: Cấp sao tuyệt đối của sao. m: Cấp sao nhìn thấy của sao. π : Góc thị sai. T: Nhiệt độ quang cầu của sao. d: Khoảng cách từ Trái đất tới ngôi sao. K: Đơn vị nhiệt độ Kenvin. A/D: Anolog – to – digital (bộ chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu số). Nguyễn Hữu Mẩm CPU: Central Processing Unit (đơn vị xử lý trung tâm). f: Tần số photon. ADU: Đơn vị tín hiệu. A ap : Mật độ số đếm. S sky : Diện tích vòng tròn chứa ngôi sao. N ap : Tổng số đếm trong diện tích chứa ngôi sao. t exp : Thời gian phơi ảnh. FWHM: Full Width at Half Maximum (Bề rộng một nữa chiều cao của tổng số điếm của sao). PSF: Point Spread Function (hàm phân bố). MFWHM: Bề rộng chiều cao một nữa tối đa. σ : Hệ số Stefan – Boltzmann. Stddev: Standard Deviation (độ lệch chuẩn). m: Khối lượng ban đầu của sao. m MT : Khối lượng của Mặt Trời. R S : Bán kính Schwarzschild. Nguyễn Hữu Mẩm Danh mục bảng biểu và sơ đồ Bảng 1.1: Các đặc trưng cơ bản của sao và âm sắc .................................................. 18 Bảng 4.1: Những số liệu được xử lý ......................................................................... 60 Nguyễn Hữu Mẩm Danh mục hình vẽ và biểu đồ Hình 1.1: Hệ tọa độ chân trời .................................................................................... 15 Hình 1.2: Hệ tọa độ xích đạo .................................................................................... 15 Hình 1.3: Thị sai nhật tâm ......................................................................................... 18 Hình 1.4: Giản đồ H – R .......................................................................................... 21 Hình 2.1: Kính thiên văn Takahashi tại ĐH Sư Phạm TP. Hồ Chí Minh ................ 24 Hình 2.2: CCD camera ST7 ..................................................................................... 25 Hình 2.3: Thứ tự từ trong ra R 1 , R 2 , R 3 ................................................................... 28 Hình 3.1: Các thông số của darkcombine ................................................................ 37 Hình 3.2: Các thông số của flatcombine .................................................................. 39 Hình 3.3: Sao 116863 đã được xữ lý hoàn chỉnh ..................................................... 46 Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn đường phân bố Gauss của Sao 116863 ......................... 46 Hình 3.5: FWHM tối đa và các thông tin của Sao 116863 ...................................... 48 Hình 3.6: Các thông số của tvmark .......................................................................... 49 Hình 3.7: Các ngôi sao được phát hiện trong Cụm sao mở M50 ............................. 53 Hình 3.8: Các thông số của qphot ............................................................................ 55 Hình 3.9: Các thông số quan trọng của gói qphot ..................................................... 57 Hình 3.10: Tọa độ và cấp sao nhìn thấy của cụm sao mở M50 ................................ 59 Hình 4.1: Cụm sao cầu M3 ...................................................................................... 61 Hình 4.2: Dark2 ........................................................................................................ 61 Hình 4.3: Flat ........................................................................................................... 61 Hình 4.4: FlattruDarkchiaMean ............................................................................... 61 Hình 4.5: M3 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.1 .............................. 61 Hình 4.6: Cụm sao cầu M3 được xử lý hoàn chỉnh ................................................. 62 Hình 4.7: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Cụm sao cầu M3 ...... 62 Hình 4.8: Tinh vân M42 ........................................................................................... 63 Hình 4.9: Dark2 ........................................................................................................ 63 Hình 4.10: Flat ......................................................................................................... 63 Nguyễn Hữu Mẩm Hình 4.11: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 63 Hình 4.12: M42 chưa được khử nhiễu được phong to từ Hình 4.8 .......................... 63 Hình 4.13: Tinh vân M42 được xử lý hoàn chỉnh .................................................... 64 Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Tinh vân M42 ........ 64 Hình 4.15: Cụm sao mở rộng M50 .......................................................................... 65 Hình 4.16: Dark2 ...................................................................................................... 65 Hình 4.17: Flat ......................................................................................................... 65 Hình 4.18: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 65 Hình 4.19: M50 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.15 ........................ 65 Hình 4.20: Cụm sao mở rộng M50 được xử lý hoàn chỉnh ..................................... 66 Hình 4.21: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Cụm sao mở M50 .. 66 Hình 4.22: Thiên hà M51 ......................................................................................... 67 Hình 4.23: Dark2 ...................................................................................................... 67 Hình 4.24: Flat ......................................................................................................... 67 Hình 4.25: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 67 Hình 4.26: M51 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.22 ........................ 67 Hình 4.27: Thiên hà M51 được xử lý hoàn chỉnh .................................................... 68 Hình 4.28: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Thiên hà M51 ........ 68 Hình 4.29: Thiên hà M63 ......................................................................................... 69 Hình 4.30: Dark2 ...................................................................................................... 69 Hình 4.31: Flat ......................................................................................................... 69 Hình 4.32: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 69 Hình 4.33: M63 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.29 ........................ 69 Hình 4.34: Thiên hà M63 đã được xử lý hoàn chỉnh ............................................... 70 Hình 4.35: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Thiên hà M63 ........ 70 Hình 4.36: Thiên hà M74 ......................................................................................... 71 Hình 4.37: Dark2 ...................................................................................................... 71 Hình 4.38: Flat ......................................................................................................... 71 Hình 4.39: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 71 Nguyễn Hữu Mẩm Hình 4.40: M74 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.36 ........................ 71 Hình 4.41: Thiên hà M74 được xử lý hoàn chỉnh .................................................... 72 Hình 4.42: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Thiên hà M74 ........ 72 Hình 4.43: Thiên hà M83 ......................................................................................... 73 Hình 4.44: Dark2 ...................................................................................................... 73 Hình 4.45: Flat ......................................................................................................... 73 Hình 4.46: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 73 Hình 4.47: M83 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.43 ......................... 73 Hình 4.48: Thiên hà M83 đã được xử lý hoàn chỉnh ............................................... 74 Hình 4.49: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Thiên hà M83 ........ 74 Hình 4.50: Cụm sao mở NGC1981 .......................................................................... 75 Hình 4.51: Dark2 ...................................................................................................... 75 Hình 4.52: Flat ......................................................................................................... 75 Hình 4.53: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 75 Hình 4.54: NGC1981 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.50 ............... 75 Hình 4.55: Cụm sao mở NGC1981 đã được xử lý hoàn chỉnh ................................ 76 Hình 4.56: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Cụm sao mở NGC1981 ................................................................................................................. 76 Hình 4.57: Cụm sao mở NGC2420 .......................................................................... 77 Hình 4.58: Dark2 ...................................................................................................... 77 Hình 4.59: Flat ........................................................................................................ 77 Hình 4.60: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 77 Hình 4.61: NGC2420 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.57 ............... 77 Hình 4.62: Cụm sao mở NGC2420 đã được xử lý hoàn chỉnh ................................ 78 Hình 4.63 Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Cụm sao mở NGC2420 ................................................................................................................. 78 Hình 4.64: Sao 116863 ............................................................................................. 79 Hình 4.66: Flat ......................................................................................................... 79 Hình 4.65: Dark2 ...................................................................................................... 79 Nguyễn Hữu Mẩm Hình 4.67: FlattruDarkchiaMean ............................................................................. 79 Hình 4.68: Sao 116863 chưa được khử nhiễu được phóng to từ Hình 4.64 ............ 79 Hình 4.69: Sao 116863 đã được xử lý hoàn chỉnh ................................................... 80 Hình 4.70: Đồ thị biểu diễn số photon của các ngôi sao trong Sao 116863 ........... 80 Nguyễn Hữu Mẩm PHẦN MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Từ xa xưa việc quan sát thiên văn trở nên quan trọng trong cuộc sống và trong nghiên cứu khoa học. Galileo là nhà bác học đầu tiên chế tạo thành công kính viễn vọng giúp cho Trái Đất và vũ trụ bao la thu hẹp khoảng cách. Kể từ lúc này lĩnh vực quan sát thiên văn phát triển mạnh mẽ, nhiều thiết bị được ra đời và hiện đại nhất là những kính viễn vọng không gian, với nhiều cửa sổ quan sát giúp cho con người có thể quan sát, nghiên cứu được các thiên thể trong vũ trụ cách chúng ta hàng tỷ năm ánh sáng và điểm khởi nguồn của vũ trụ. Sử dụng các thiết bị để ghi nhận cường độ bức xạ của Thiên Hà, Cụm Sao, Sao được gọi là quang trắc. Ở nước ta ngành thiên văn học (TVH) bắt đầu được chú ý và phát triển, kính thiên văn và thiết bị quan sát đã được dạy và thực hành ở một số trường đại học. Như tất cả mọi người, khi còn bé, tôi rất thích nhìn ngắm bầu trời, Mặt Trời, Mặt Trăng, các vì Sao, ... và ước mơ bay vào vũ trụ, do đó ngành thiên văn học vũ trụ luôn là niềm đam mê của tôi và sở thích này càng mãnh liệt hơn khi tôi được học bộ môn TVH lúc là sinh viên năm 4. Từ đó tôi được mở rộng rất nhiều kiến thức về TVH và tôi ao ước được nghiên cứu sâu hơn nữa. Thật may mắn khi chọn đề tài luận văn tốt nghiệp là TVH và thầy hướng dẫn chọn đề tài “Sử dụng phần mềm IRAF trong quang trắc thiên văn”. 2. MỤC ĐÍCH Mục đích chính của đề tài là tìm hiểu phương pháp quang trắc, sử dụng phần mềm IRAF, X11, DS9 để xử lý hình ảnh từ đó đo cấp sao nhìn thấy của Cụm Nguyễn Hữu Mẩm Sao và Sao. Đề tài cũng cung cấp những kiến thức về các bước cài đặt IRAF, X11, DS9, các lệnh cơ bản của LINUX, IRAF. 3. ĐỐI TƯỢNG Sử dụng kính Takahashi, CCD ST7 và các phần mềm liên quan như: IRAF, X11, DS9 để quang trắc Thiên hà, Sao và Cụm Sao. 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Tìm hiểu các lệnh cơ bản của LINUX, IRAF. Xây dựng các bước cài đặt phần mềm IRAF, X11, DS9. Từ những hình ảnh chụp được từ CCD ta sẽ tiến hành xử lý hình ảnh qua phần mềm IRAF sau đó chúng ta sẽ tìm cấp sao nhìn thấy của Sao và Cụm Sao. 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Qua đề tài nghiên cứu giúp chúng ta hiểu thêm về cách đo cường độ bức xạ của Sao và Cụm Sao qua sử dụng kính Takahashi, CCD ST7. Dùng phần mềm IRAF để xử lí ảnh chụp được qua CCD ST7. 6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:  Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến phần mềm IRAF, CCD ST7 và một số phần mềm cần thiết khác.  Nghiên cứu các lệnh trong hệ điều hành LINUX và phần mềm IRAF. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn:  Nguyên tắc hoạt động của CCD ST7.  Xử lý ảnh qua các phần mềm IRAF, X11, DS9. Nguyễn Hữu Mẩm PHẦN TỔNG QUAN Hầu hết các công trình nghiên cứu khoa học của các tác giả nước ngoài đều sử dụng phương pháp phân tích quang phổ để xác định cấu tạo hóa học, nhiệt độ, giản đồ H – R và các thông số vật lý khác của cụm sao. Ở trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh chỉ có thiết bị đo cường độ bức xạ của các thiên thể, chưa có thiết bị chụp phổ, chỉ có CCD có thể thực hiện phép đo quang trắc sao, chụp ảnh thiên văn: tinh vân, thiên hà, hành tinh. Tuy nhiên, hiện nay trong nước cũng chưa có những tài liệu hay hình ảnh chụp thiên văn bằng CCD được công bố. TVH chỉ mới được chú ý phát triển trong vài năm nay ở nước ta, khoa học thiên văn thế giới thì phép quang trắc rất thông dụng, nhưng lại rất cơ bản. Hiện nay phép quang trắc vẫn được thực hiện đối với kính thiên văn vệ tinh “gaiza” để vẽ lại chính xác giản đồ H – R thông qua đo cấp sao và nhiệt độ bề mặt của sao. Nguyễn Hữu Mẩm CHƯƠNG 1 LÝ THUYẾT QUANG TRẮC THIÊN VĂN Một số khái niệm cơ bản và các đại lượng thiên văn làm cơ sở lý thuyết cho việc nghiên cứu quang trắc thiên văn. 1.1. QUAN SÁT BẦU TRỜI 1.1.1 Thiên cầu Khi ta quan sát bầu trời từ Trái đất, ta quá nhỏ bé so với Trái đất, tầm nhìn bị giới hạn bởi đường chân trời. Đường chân trời bao quanh chúng ta, khi đó bầu trời như một mặt cầu khổng lồ úp xuống, gọi là Thiên cầu, trên đó có các vì sao và thiên thể. Vị trí của mỗi thiên thể được xác định bằng hệ tọa độ: hệ tọa độ chân trời và hệ tọa độ xích đạo.[1] Trên Thiên cầu, các vì sao được con người chia thành từng nhóm gọi là các chòm sao, khoảng cách giữa chúng gần như không đổi. Vì Trái đất quay, nên ta quan sát sẽ thấy các vì sao chuyển động cùng nhau vạch ra những quỹ đạo của chúng gọi là đường nhật động. Những đường nhật động là những đường tròn đồng tâm, có tâm gần sao Bắc đẩu. 1.1.2. Hệ tọa độ chân trời Tọa độ của thiên thể M xác định bằng độ cao h: góc tính từ đường chân trời lên thiên thể, và độ phương A: góc từ điểm Nam đến hình chiếu M’ của thiên thể trên đường chân trời (Hình 1.1). Vì nhật động, độ cao h và độ phương A của thiên thể M sẽ thay đổi, do đó hệ tọa độ này không thể ghi chép vị trí chính xác của một thiên thể. Nguyễn Hữu Mẩm Hình 1.1: Hệ tọa độ chân trời Hình 1.2: Hệ tọa độ xích đạo 1.1.3. Hệ tọa độ xích đạo Tọa độ của thiên thể M xác định bằng xích vĩ δ: góc tính từ đường xích đạo trời đến thiên thể và xích kinh α: góc từ điểm Xuân phân γ đến hình chiếu M’ lên đường xích đạo trời (Hình 1.2). Điểm Xuân phân là giao điểm của Hoàng đạo và Xích đạo trời nên như là một vị trí của một vì sao, khoảng cách của nó đến các vì sao khác là không đổi. Xích kinh là góc giữa Xích đạo trời và đường nhật động của sao M nên cũng không đổi. Hệ tọa độ xích đạo dùng xác định tọa độ nhất định của một thiên thể. 1.2. ÁNH SÁNG – QUANG PHỔ 1.2.1. Bức xạ điện từ Thông tin từ các thiên thể chiếu đến Trái đất là sóng điện từ: ánh sáng khả kiến và tất cả các tia khác trong thang sóng điện từ, tuy nhiên chỉ có những bước sóng khả kiến và một phần bước sóng hồng ngoại là có thể xuyên qua khí quyển Trái đất. Ngày nay với những kính thiên văn vệ tinh: Hubble, Hershell,… ta có thể quan sát tất cả các bước sóng của thang sóng điện từ. Bức xạ điện từ chia làm 2 loại theo bản chất: nhiệt và phi nhiệt. Nguyễn Hữu Mẩm 1.2.2. Bức xạ điện từ có bản chất nhiệt Những thiên thể nóng sáng: Mặt trời, sao, … các đám mây khí Hydrô bị ion hóa phát ra bức xạ điện từ theo cơ chế bức xạ nhiệt. Khi các hạt mang điện: hạt nhân, electron bị kích thích do nhiệt chuyển lên mức năng lượng cao, từ đó chúng trở về các mức năng lượng thấp hơn phát ra bức xạ điện từ. Những bức xạ này giống như bức xạ của vật đen tuyệt đối. 1.2.2.1. Phát xạ vật đen tuyệt đối Vật đen tuyệt đối sẽ hấp thụ toàn bộ các bức xạ chiếu đến nó và sau đó chúng sẽ bức xạ lại bức xạ liên tục với cường độ phụ thuộc vào bước sóng. Định luật Wien: λmax .T = 2,9.10 −3 (1.1) Định luật Stefan – Bonltzmann: ε = σT 4 (1.2) Hàm phân bố Planck: áp dụng cho trường hợp bước sóng nhỏ, khắc phục “tai họa vùng tử ngoại”. Bλ ( T ) = 2hc 2 / λ5 hc e λkT (1.3) −1 1.2.2.2. Quang phổ liên tục Quang phổ liên tục với cường độ sáng phụ thuộc vào bước sóng, xác định được nhiệt độ của các thiên thể. 1.2.3. Bức xạ điện từ phi nhiệt Bức xạ không có bản chất nhiệt như: synchrotron, bức xạ từ quá trình Compton ngược. Các photon phát ra không phải là do sự chuyển mức năng lượng của các hạt mang điện trong nguyên tử. 1.2.3.1. Bức xạ Synchrotron Khi electron chuyển động trong từ trường chịu tác dụng của lực Lorentz, đổi hướng và chuyển động xoắn ốc phát ra bức xạ điện từ synchrotron. f max ( MHz ) ≈ 16B ⊥ .E 2 Nguyễn Hữu Mẩm (1.4) 1.2.3.2. Quá trình tán xạ Compton ngược Electron năng lượng cao tán xạ với các photon năng lượng thấp, truyền năng lượng cho những photon này thành những photon năng lượng cao, từ bước sóng radio thành bước sóng tia X. 1.2.4. Bức xạ điện từ phát ra từ nguyên tử, phân tử - quang phổ vạch 1.2.4.1. Quang phổ nguyên tử Quang phổ nguyên tử là bức xạ bản chất nhiệt, do electron chuyển mức năng lượng, là quang phổ vạch: tùy điều kiện có nguồn nhiệt hay không mà có quang phổ vạch hấp thụ hay quang phổ vạch bức xạ. Quang phổ của các ion có ít nhất một electron cũng tương tự. 1.2.4.2. Quang phổ nguyên tử Hydro Quang phổ vạch Hydrô trãi ra trong thang sóng điện từ: tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại và cả vùng vô tuyến. - Vùng khả kiến: chuyển mức năng lượng về mức E 2 gồm 4 vạch Đỏ, Lam, Chàm, Tím: Hα, Hβ, Hγ, Hδ. - Vùng vô tuyến: vạch phổ 21 cm kết quả của chuyển mức năng lượng tương ứng giữa hai trạng thái song song và đối song song của hai mômen xung lượng hạt nhân và electron. 1.2.4.3. Quang phổ phân tử Phân tử là những nguyên tử liên kết với nhau bằng các liên kết hóa học, nên năng lượng của phân tử gồm: năng lượng electron, năng lượng dao động, năng lượng quay. - Năng lượng electron: quang phổ giống quang phổ nguyên tử, năng lượng ion. - Năng lượng dao động: năng lượng dao động của các mối liên kết. - Năng lượng quay: năng lượng quay quanh trục đi qua khối tâm. Nguyễn Hữu Mẩm Hình 1.3. Thị sai nhật tâm 1.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG THIÊN VĂN 1.3.1. Khoảng cách: đơn vị thiên văn, năm ánh sáng, parsec. 1.3.2. Thị sai nhật tâm Thị sai nhật tâm hay thị sai hằng năm là góc nhìn của một vì sao gần đến đường kính của quỹ đạo Trái đất quanh Mặt trời (Hình 1.3). Khi thị sai là bằng 1’’ thì khoảng cách từ Trái đất (từ Hệ Mặt trời) đến vì sao đó là 1 parsec (ps). 1.3.3. Cấp sao Để so sánh độ sáng quan sát được giữa các sao với nhau : Hipparchus (TCN) đề nghị cấp sao. So sánh độ sáng biểu kiến (Bảng 1.1). 1.3.3.1. Cấp sao nhìn thấy Bảng 1.1: Các đặc trưng cơ bản của sao và âm sắc Nguồn sáng : sao φ L Độ rọi: E = = S 4πR 2 Độ trưng : L Cấp sao : m = 2,5. lg I= Ptp P = S 4πR 2 Công suất phát toàn phần : P tp Mức cường độ âm: E0 E E 0 : sao chuẩn, m 0 = 0 Cấp sao m càng lớn sao càng mờ. Nguyễn Hữu Mẩm Nguồn âm Cường độ âm : L = 10 lg I I0 I 0 : âm chuẩn, L 0 = 0 Cường độ âm càng lớn âm càng lớn.