Tương lai của khoa học hậu laser

Từ những hình ảnh thiên văn sắc nét và tìm kiếm các sóng hấp dẫn cho đến việc tạo ra các ngưng tụ Bose–Einstein và đo các tính chất của ADN, laser đã có sự tác động hết sức to lớn trên nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tương lai của khoa học hậu laser Tương lai của khoa học hậu laser Từ những hình ảnh thiên văn sắc nét và tìm kiếm các sóng hấp dẫn cho đếnviệc tạo ra các ngưng tụ Bose–Einstein và đo các tính chất của ADN, laser đã có sựtác động hết sức to lớn trên nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học. Ở đây, sáu vịchuyên gia hồi tưởng lại câu chuyện laser đã mang đến sự tiến bộ như thế nào chonhững lĩnh vực yêu thích của họ - và tranh luận xem rồi đây laser đã mang nhữnglĩnh vực này đi tới đâu nữa. Ảnh: Hank Morgan/Science Photo Library Thiên văn học Claire Max Claire Max là nhà thiên văn học và là giám đốc Trung tâm Quang học Thíchnghi tại trường Đại học California, Santa Cruz, Mĩ. Chúng ta ai cũng biết rằng các nhiễu loạn trong khí quyển làm cho các ngôisao nhấp nháy, nhưng nó còn làm mờ đi nghiêm trọng đối với các ảnh chụp thiênvăn. Newton đã nhận ra điều này tận hồi năm 1730, khi ông viết trong quyểnOpticks rằng “Không khí mà qua đó chúng ta nhìn lên các Ngôi sao, luôn luôn bịRung động... Phương thức chữa duy nhất là Không khí trong trẻo nhất và tĩnh lặngnhất, thí dụ như không khí người ta có thể tìm thấy trên đỉnh những Ngọn núi caonhất trên nhất tầng mây”. Trên lí thuyết, các kính thiên văn có đường kính càng lớn sẽ có thể phân giảinhững chi tiết càng nhỏ trong các ảnh chụp thiên văn. Nhưng sự nhòe ảnh do nhiễuloạn khí quyển gay gắt đến mức ngay cả những chiếc kính thiên văn mặt đất lớnnhất ngày nay (đường kính 8 – 10 m) cũng chẳng trông rõ hơn bao nhiêu so vớicác kính thiên văn 20 cm dùng trong vườn nhà mà nhiều nhà thiên văn nghiệp dưsử dụng trong những buổi tối cuối tuần. Để khắc phục tình hình này, các nhà thiên văn đã chuyển sang quang họcthích nghi, một kĩ thuật đo ảnh chộp nhanh của nhiễu loạn khí quyển rồi sau đóhiệu chỉnh cho sự biến dạng quang thu được sử dụng một cái gương có khả năngbiến dạng đặc biệt (thường là một cái gương nhỏ đặt phía sau gương chính củakính thiên văn). Vì sự nhiễu loạn trong khí quyển thay đổi liên tục theo thời gian,nên những phép đo và hiệu chỉnh này phải được thực hiện hàng trăm lần mỗi giây. Những hệ quang học thích nghi ban đầu sử dụng ánh sáng phát ra nhữngmột ngôi sao sáng để đo sự nhiễu loạn. Tuy nhiên, đa số các vật thể thiên văn muốnnghiên cứu không có những ngôi sao sáng ở đủ gần, vì thế sự bao quát bầu trời củaquang học thích nghi khá hạn chế. Sau đó, vào đầu những năm 1980, các nhà thiênvăn nhận ra rằng họ có thể sử dụng một laser để tạo ra một “ngôi sao” nhân tạothay thế cho ngôi sao tự nhiên. Sự sáng suốt này đã mở rộng đáng kể phạm vi baoquát của các hệ quang thích nghi, vì các laser có thể chiếu vào hướng của bất kìmục tiêu quan sát nào trên bầu trời. Trogn 5 năm qua, những hệ quang thích nghi“ngôi sao dẫn hướng” bằng laser này đã thật sự mang lại thành quả, đến mức mỗichiếc kính thiên văn chính 8 – 10 m ngày nay đều chưng diện hệ thống đèn hiệulaser của riêng nó. Các laser dùng trong những đèn hiệu này có công suất trung bình đáng nểchừng 5 – 15 W (một đèn trỏ laser tiêu biểu, trái lại, có công suất chưa tới 1 mW).Thật vậy, các dự luật liên bang yêu cầu các đài thiên văn Mĩ phải tắt đèn laser củahọ khi có máy bay đang tiến đến gần; các đài thiên văn cũng phải đệ trình các kếhoạch quan sát của họ với Bộ chỉ huy Vũ trụ để tránh va chạm với những tài sản vũtrụ nhạy cảm. Hai loại laser đang chiếm ưu thế. Thứ nhất là một hệ chế tạo theo đơn đặthàng phát ra vạch cộng hưởng vàng 589 nm của sodium trung hòa, tạo ra một ngôisao dẫn hướng ở độ cao khoảng 95 km bằng cách kích thích các nguyên tử sodiumcó mặt tự nhiên trong khí quyển tầng trên của trái đất. Loại thứ hai phát ra bướcsóng màu lục hoặc thậm chí bước sóng cực tím và sử dụng sự tán xạ Rayleigh củacác phân tử và hạt bụi trong khí quyển để tạo ra một ngôi sao dẫn hướng ở độ cao15-20 km. Ưu điểm của laser xanh và laser tử ngoại là chúng có sẵn trên thị trường,khiến chúng rẻ tiền hơn là dùng các hệ quang thích nghi khai thác ánh sáng màuvàng. Nhờ quang học thích nghi ngôi sao dẫn hướng bằng laser, các kính thiên văn8-10 m ngày nay đã có độ phân giải không gian tốt hơn ở những bước sóng quansát hồng ngoại so với Kính thiên văn vũ trụ Hubble, đơn giản là vì kích cỡ lớn củanhững chiếc gương của chúng. Những chiếc kính thiên văn khổng lồ đã đề xuất, thídụ như Kính thiên văn Ba mươi mét, Kính thiên văn Magellan Lớn, và Kính thiênvăn Cực Lớn châu Âu, đều có kế hoạch sử dụng nhiều ngôi sao dẫn hướng bằnglaser đồng thời. Điều này sẽ cho phép các nhà thiên văn đo, và hiệu chỉnh, sự nhiễuloạn khí quyển trong toàn bộ cột không khí 3D phía trên kính thiên văn. Những hệlaser bội này sẽ sử dụng các kĩ thuật xạ quang – tương tự như kĩ thuật dùng trongmáy quét xạ quang trục đã lập trình hóa của kĩ thuật chụp ảnh y khoa – để tái dự ...