NHỮNG TIA LAZE VÔ TUYẾN
THIÊN NHIÊN KỲ DIỆU
Một trong những đặc tính kỳ diệu nhất của những đám mây khí phân tử là khả năng phát ra những sóng vô tuyến cực kỳ mạnh, như những tia laze (LASER, chữ tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: sự khuếch đại ánh sáng do bức xạ cảm ứng) dùng trong quang học. Tia Laser vô tuyến này gọi là bức xạ maze (MASER, chữ tắt của Microware Amplifcation by Stimulated Emission of Radiation: sự khuếch đại sóng vi ba, tức là sóng vô tuyến, do bức xạ cảm ứng). Máy made được chế tạo trong các phòng thí nghiệm và trong công nghiệp để khuếch đại các tín hiệu vô tuyến. Trong Vũ trụ, sóng vô tuyến của một thiên thể khi chuyển qua một đám khí phân tử có khả năng khuếch đại bằng hiệu ứng made. Những đám khí có khả năng khuếch đại lớn nhất là khí hơi nước (H2O), khí Hyđrôxin (OH) và khí Silic mônôxit (SiO). Mỗi loại phân tử chỉ khuếch đại bức xạ trên một tần số nhất định. Khí OH khuếch đại trên tần số 1665 megahec, khí H2O trên tần số 22235 megahec, và khí SiO trên tần số 86243 megahec. Ta có thể giải thích sơ lược hiệu ứng made như sau:
Như ta đã biết, năng lượng của những phân tử thay đổi một cách gián đoạn, theo từng mức. Các vạch phân tử được tạo ra bởi sự chuyển động của eletron và các hạt nhân trong phân tử. Nội năng của những phân tử trong đám mây khí phụ thuộc vào sự chuyển động này. Trong mỗi phân tử, sự chuyển động của eletrôn chung quanh hạt nhân của mỗi nguyên tử phối hợp với sự dao động và sự tự quay của các hạt nhân để tạo thành một hệ thức năng lượng đặc biệt của phân tử đó. Hệ mức năng lượng của phân tử phức tạp hơn hệ của nguyên tử. Trong một đám khí, chẳng hạn hơi nước H2O, những phân tử nước có năng lượng bằng nhau thì cùng ở trên một mức năng lượng. Thông thường, sự phân bố “dân số” phân tử trên mỗi mức năng lượng tuân theo một định luật trong cơ học thống kê, gọi là định luật Boltzmann (Bônxơman). Trong trạng thái này trạng thái “cân bằng nhiệt động” - mức năng lượng càng cao bao nhiêu thì “dân số” phân tử càng thưa thớt bấy nhiêu.
Cũng như những du khách tới tham quan Vạn Lý Trường Thành, muốn ngắm phong cảnh hùng vĩ phải leo lên những bậc thang cao. Ở những bậc dưới bao giờ cũng chen chúc, nhưng càng lên cao thì càng thấy thoải mái ít người hơn; những bậc thang dưới chứa rất nhiều người vì họ không muốn dùng nhiều năng lượng, còn các bậc trên thưa thớt dành cho một số người có năng lượng cao. Nhưng nếu ở chân Vạn Lý Trường Thành có một hệ thống thang máy thì sự phân bố dân số trên những mức thang dứt khoát bị đảo ngược. Lúc đó, ai cũng muốn lên cao nên sẽ có nhiều người ở bậc cao hơn là bậc thấp.
Đứng về phương diện vật lý, trong đám khí phân tử, vì “dân số” phân tử ở những mức năng lượng cao ít ỏi, nên xác suất phân tử tự chuyển xuống mức dưới để phát ra bức xạ không nhiều lắm. Vì vậy, cường độ của vạch phân tử phát ra bởi đám khí không mạnh. Nguyên tắc tạo ra hiệu ứng made hay lazer là “bơm dân số” ở những mức năng lượng thấp lên những mức năng lượng cao, như một thang máy chở người lên những tầng cao, để “nghịch đảo” dân số và phá vỡ thế cân bằng nhiệt động. Lúc đó có nhiều “dân số” phân tử ở những mức năng lượng cao và đám mây ở trong trạng thái ''bất cân bằng nhiệt động''. Một khi đám khí ở trong trạng thái này thì nó hoạt động như một máy made. Khi đám mây made phân tử được một bức xạ vô tuyến rọi vào thì những phân tử đổ xô xuống những mức năng lượng dưới và phát ra rất nhiều bức xạ trên một tần số nhất định. Đó là nguyên tắc của sự khuếch đại bằng hiệu ứng made. Một khi bức xạ truyền qua đám khí made thì cường độ của bức xạ có thể tăng lên hàng tỷ lần. Tuy nhiên, khả năng khuếch đại chỉ xảy ra trong một vùng nhỏ của phổ bức xạ và bức xạ phát ra trên một tần số đặc trưng của phân tử. Nếu là một đám mây hơi nước thì vạch bức xạ made phát ra trên tần số 22235 megahec. Đám mây made cũng có khả năng khuếch đại vạch bức xạ mà nó tự phát ra. Những điều kiện lý hoá sẵn có trong Vũ trụ đã phát huy hiệu ứng made thiên nhiên. Những phôtôn tử ngoại phát ra bởi các ngôi sao và bụi là những ''bơm" rất hiệu nghiệm. Sự va chạm với hyđrô trong đám khí cũng có thể kích thích phân tử nhảy vọt lên những mức năng lượng cao và gây nên nghịch đảo “dân số”.
Những ngôi sao đang hình thành, những vỏ sao già khổng lồ đỏ và trung tâm một số Thiên hà là những môi trường tương đối nóng, có nhiều bụi và khí. Đó là những yếu tố cần thiết cho sự tổng hợp các phân tử làm nghịch đảo “dân số”, tạo thành những nguồn xạ made rất mạnh. Những nguồn xạ made trong Vũ trụ có kích thước ít nhất bằng đường kính của quỹ đạo Trái đất trong hệ Mặt trời, khoảng 150 triệu kilômét. Vì made Vũ trụ rất đồ sộ so với những máy made và lazer dùng trong phòng thí nghiệm, nên dễ phát hiện được. Cường độ của bức xạ made Vũ trụ rất lớn nhưng thay đổi rất nhiều. Bởi vì bức xạ made dễ nhậy cảm trước những biến đổi của điều kiện vật lý, như nhiệt độ và mật độ trong đám khí. Sự biến đổi cường độ là một đặc tính để xác định bức xạ made.
