THIÊN VĂN VÔ TUYẾN VÀ NHỮNG ĂNGTEN KHỔNG LỒ
Thế kỷ XVII là một kỷ nguyên của thiên văn học nhờ có sự phát minh ra kính viễn vọng bởi Galilée và những thành tựu khoa học lớn của Kepler và Newton về lực hấp dẫn. Thiên văn học đã bước một bước dài từ Chiêm tinh học để trở thành một ngành khoa học tự nhiên. Vật lý học khởi đầu từ khi các nhà thiên văn học giải thích được sự chuyển động của các Thiên thể. Sau họ tìm tòi nghiên cứu năng lượng Mặt trời và các ngôi sao cùng nguồn gốc của Vũ trụ. Thiên văn vô tuyến dùng những ăngten để thu tín hiệu phát ra bởi các Thiên thể trên những bước sóng vô tuyến. Muốn nghiên cứu những điều kiện lý hoá trong một Thiên thể, không những ta phải quan sát bức xạ khả biến mà còn phải thu bức xạ trong vùng bước sóng khác của phổ điện từ, như các tia X, tử ngoại, hồng ngoại và vô tuyến. Mỗi loại bức xạ phát ra do một cơ chế vật lý cá biệt. Chẳng hạn, quan sát bức xạ khả biến để nghiên cứu sao và khí iôn hoá trong những Thiên hà. Thành phần bụi chỉ phát ra bức xạ hồng ngoại. Phân tử trong những đám mây đen trong môi trường giữa các sao phát ra bức xạ vô tuyến. Bức xạ phông Vũ trụ 2,7 K mạnh nhất trên phát ra giữa các sao phát ra bức xạ vô tuyến của Mặt trời không làm nhiễu xạ các Thiên thể. Hơn nữa, bức xạ phát trên những bước sóng vô tuyến centimét không bị cản trở bởi nước mưa, nên công việc quan sát không phụ thuộc vào thời tiết.
Năm 1932, ông Jansky làm việc tại Công ty điện thoại Mỹ Bell (Benlơ) tình cờ phát hiện ra bức xạ vô tuyến đầu tiên từ Vũ trụ tới. Đó là bức xạ phát ra bởi dải Ngân hà. Sau chiến tranh thế giới thứ Hai, ngành thiên văn vô tuyến bắt đầu phát triển nhờ kỹ thuật chế tạo ra những ăngten radar và máy thu tín hiệu vô tuyến. Cường độ bức xạ vô tuyến thu được từ các Thiên thể vào kính viễn vọng chỉ khoảng một phần triệu nghìn tỷ (10-18)W, cực nhỏ so với cường độ một bóng đèn điện 60W ta thường dùng để đọc sách! Cho nên những ăngten dùng trong ngành vật lý thiên văn phải rất lớn và bộ phận thu tín hiệu phải thật nhạy để “hứng” từng hạt phôtôn. Những nhà thiên văn đã thu được những nguồn bức xạ vô tuyến của Hệ Mặt trời, các vì sao, tinh vân trong Ngân hà, các Thiên hà và chuẩn sao (quasar) xa lắc. Nhờ những phương tiện quan sát trên bước sóng vô tuyến mà đã có những phát hiện bất ngờ như punxa, một loại sao quay và phát xạ như một hải đăng. Một thành tựu lớn của thiên văn vô tuyến là một yếu tố quan trọng củng cố thuyết Vụ nổ lớn tạo ra vũ trụ. Vài năm sau, các nhà thiên văn vô tuyến đã tìm thấy trong dải Ngân hà nhiều phân tử trong đó có cả phân tử hữu cơ phức tạp. Nhưng phân tử hữu cơ này là những mẩu của Axít amin trong chất đạm (prôtêin), chất đặc trưng của sự sống. Sự phát hiện ra phân tử trong Vũ trụ là một sự kiện quyết định trong công việc nghiên cứu các đám mây đen và đặc không quan sát thấy từ trước.
Kính viễn vọng dùng trong ngành thiên văn vô tuyến là ăngten như radar có thể theo dõi Thiên thể quay trên vòm trời. Tín hiệu phát ra từ các Thiên thể thu được trong kính viễn vọng vô tuyến tương tự như tiếng ồn nghe thấy trong máy thu thanh. Ta phải chế ra những máy thu và máy khuếch đại tín hiệu dùng đốt siêu dẫn có rất ít tiếng ồn để làm nổi bật tín hiệu của Thiên thể. Các bộ phận thu tín hiệu phải để trong một bình ướp lạnh bằng khí Hêli để giảm tiếng ồn do thiết bị phát ra. Số liệu được xử lý bằng máy tính và tín hiệu vô tuyến chuyển thành hình ảnh vẽ trên màn hình. Muốn cho ảnh Thiên thể hiện rõ trên màn hình, nhà thiên văn ''phải chụp'' ảnh Thiên thể thật lâu bằng cách theo dõi Thiên thể hàng giờ. Cũng như một nhà thiếp ảnh phải chọn một tốc độ đóng mở thật chậm khi đối tượng tối để nhiều ánh sáng lọt vào ống kính. Máy tính còn được dùng để điều khiển kính viễn vọng tự động quay tới hướng ngắm.
Bức xạ vô tuyến có bước sóng ngắn, bước sóng milimét, bị hấp thụ bởi hơi nước trong khí quyển. Những kính viễn vọng milimét thường đặt trên núi cao tại những địa điểm khô như những kính quan sát trong lĩnh vực khả kiến. Sự quán sát trên những bước sóng dài, sóng centimét và mét thường bị ảnh hưởng của nhiễu xạ nhân tạo như radar và những hệ thống truyền hình qua các vệ tinh. Những dải thiên văn vô tuyến thường đặt ở địa điểm hẻo lánh xa trung tâm công nghiệp. Một Uỷ ban Quốc tế được thành lập và dành riêng một số vùng sóng trong phổ điện từ cho các nhà thiên văn vô tuyến. Những vùng phổ này có nhiều vạch phân tử mà các nhà thiên văn học thường quan sát. Trên nguyên tắc không ai được phát những bước sóng trong vùng phổ bất khả xâm phạm này. Song, thực tế, vẫn có nhiễu xạ một phần vì quyết định của Uỷ ban Quốc tế không được tôn trọng hoàn toàn, một phần vì các máy thu bức xạ Vũ trụ ngày càng nhạy.
Kính viễn vọng vô tuyến có đường kính rất lớn từ 10 đến 300 mét. Hiện nay, có khoảng 40 kính viễn vọng vô tuyến trên thế giới. Vì mặt ăngten không cần mịn như mặt gương của các viễn kính dùng trong vùng khả kiến nên ăngten dễ làm hơn mặt gương lớn. Vả lại giới hạn phân giải trên bước sóng vô tuyến kém hơn trên bước sóng khả kiến. Nếu ta muốn có giới hạn phân giải khả năng phân tách được những chi tiết nhỏ) của vô tuyến viễn kính tương tự như giới hạn phân giải của một gương 10 mét trong vùng khả biến, thì kích thước ăngten phải lớn hơn 10 kilômét! Với kỹ thuật hiện đại, ta không thể chế tạo được một ăngten khổng lồ như thế. Tuy nhiên, ta có thể đạt được một giới hạn phân giải tốt như một ăngten khổng lồ 10 kilômét bằng cách dùng hai ăngten nhỏ đặt cách xa nhau 10 kilômét và hoạt động tương quan với nhau theo phương pháp giao thoa. Nguyên tắc của phương pháp này là trộn tín hiệu thu được từ mỗi ăngten với nhau. Theo những định luật quang học thì sự trộn tín hiệu làm tăng khả năng phân giải của viễn kính. Trên thực tế, một dãy ăngten thường được sử dụng để tăng thêm cả độ nhạy của hệ thống giao thoa. Hệ thống ăngten VLA (Very Large Array, dãy-ăngten cực lớn) gồm 27 ăngten, mỗi ăngten có đường kính 25 mét, đặt tại tiểu bang New Mexico ở Hoa Kỳ hoạt động trên những bước sóng centimét và milimét. Những ăngten của hệ thống VLA được xếp đặt theo quỹ đạo hình chữ Y. Khoảng cách tối đa giữa những ăngten khoảng 35 kilômét. Hệ thống giao thoa VLA có giới hạn phân giải tương đương với một ăngten có đường kính 35 kilômét và có khả năng phân tách được những chi tiết nhỏ bằng ngọn nến cách xa ít nhất 4 kilômét. Khoảng cách giữa những ăngten càng xa bao nhiêu thì chi tiết của những Thiên thể càng rõ bấy nhiêu. Mỗi năm có hơn 500 nhà vật lý thiên văn trên khắp thế giới sử dụng dây ăngten VLA, hiện nay có một mạng lưới giao thoa quốc tế dùng khoảng một chục ăngten cách xa nhau hàng nghìn kilômét, đặt trên các lục địa để có những giới hạn phân giải thật nhỏ. Có những đề án của Nga, Nhật và cộng đồng Âu Châu dự định phóng những ăngten quay trên quỹ đạo quanh Trái đất để tăng khoảng cách giữa những ăngten dùng quan sát những Thiên hà và các chòm sao xa lắc có kích thước góc cực nhỏ. Những hệ thống giao thoa này có khả năng phân tích những chi tiết nhỏ bằng một ngọn nến đặt trên mặt trăng.
