Từ Y tế đến Wi-Fi: Ứng dụng Vật lý Thiên văn vào đời sống

Tưởng là xa xôi và hàn lâm thuần túy, nhưng vật lý thiên văn đã có những ứng dụng rất quan trọng, từ y tế đến an ninh hàng không, đóng một vai trò không thể thiếu trong đời sống thường ngày của chúng ta.

Trẻ em đang được hướng dẫn cách sử dụng kính thiên văn ở Ethiopia trong khuôn khổ sự kiện 100 giờ với thiên văn do Hiệp hội Thiên Văn Quốc Tế tổ chức năm 2019 
Hình ảnh: Mekbeb Tamrat

Mối liên hệ của loài người với vũ trụ cùng với sự thần bí đến từ vũ trụ có lẽ là lý do mà những hình ảnh thiên văn lung linh trở nên rất phổ biến trong văn hóa ngày nay. Tuy nhiên không nhiều người biết rằng, vật lý thiên văn và các lĩnh vực có liên quan luôn đi đầu trong KH&CN; nó trả lời cho các câu hỏi cơ bản, tạo sức ép để các kỹ sư phát triển lên trình độ cao hơn và thúc đẩy cách tân.

Nhìn suốt lịch sử phát triển của vật lý thiên văn, từ những nền văn hóa sơ khai đầu tiên, các vì tinh tú đã gắn liền với tín ngưỡng của con người. Con người quan sát chuyển động của các ngôi sao trên bầu trời và từ đó đưa ra tiên tri về những gì sẽ xảy ra trong tương lai. Thiên văn cũng được sử dụng để tính toán thời gian, xác định mùa màng, và trong ngành hàng hải nó giúp con người xác định phương hướng khi lênh đênh trên các đại dương.

Ngày nay, cùng với sự tiến bộ của tri thức về thế giới, chúng ta nhận thấy rằng mối liên hệ giữa chính bản thân loài người và quan điểm của chúng ta về thế giới với vũ trụ thậm chí còn mật thiết hơn. Việc khám phá ra những nguyên tố cơ bản mà các nhà khoa học tìm thấy trong các ngôi sao, cùng với khí và bụi xung quanh sao cũng chính là những nguyên tố tạo nên cơ thể của chúng ta đã làm cho mối quan hệ giữa con người và vũ trụ càng trở nên thêm sâu sắc. Thiên văn cũng giúp chúng ta mở rộng nhãn quan và suy nghĩ về những điều vĩ đại hơn.

Y tế  

Các ứng dụng của thiên văn vào Y tế khá rộng, từ việc cải tiến các kỹ thuật chẩn đoán đến việc nâng cao chất lượng xử lý hình ảnh y tế.

Một trong những chuyển giao công nghệ thiết yếu nhất giữa hai lĩnh vực này là kỹ thuật giao thoa thường được các nhà thiên văn sử dụng để thu hình ảnh có độ phân giải cao của bầu trời ở bước sóng vô tuyến. Kỹ thuật giao thoa chính là kỹ thuật mô phỏng hiệu ứng của một đĩa rất lớn bằng cách tổng hợp điện tử các tín hiệu từ nhiều kính thiên văn vô tuyến đơn đĩa nhỏ, và các kính nhỏ này được bố trí ở nhiều nơi có khoảng cách rất xa nhau. Kỹ thuật tổng hợp dữ liệu từ nhiều kính thiên văn để tạo ra một hình ảnh duy nhất được gọi là “tổng hợp khẩu độ”, được Martin Ryle, một nhà thiên văn vô tuyến từng đạt giải Nobel Vật lý phát triển. Một ứng dụng quan trọng của kỹ thuật này là phương pháp Cộng hưởng từ (MR) nhằm nâng cao độ chi tiết của hình ảnh và giảm thời gian soi quét trong các chẩn đoán y khoa. Chụp cộng hưởng từ (MRI) sử dụng các nam châm mạnh và các xung tần số vô tuyến để phân cực và kích thích các proton đơn lẻ trong phân tử nước trong mô người. Khi các xung bị tắt, các proton bị kích thích sẽ “thả lỏng ra” và phát ra sóng vô tuyến. Những sóng này được quan sát và ghi lại bởi thiết bị thu tần số vô tuyến trong máy MRI, sau đó sẽ được xử lý thành hình ảnh tương tự như hình ảnh giao thoa.

Thiết kế của kính thiên văn để đo được bức xạ phát ra từ một số hiện tượng năng lượng cao nhất trong vũ trụ đã được ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh y tế thông qua kỹ thuật chụp cắt lớp quanh trục bằng máy tính hay chụp cắt lớp trục (CAT scan).

Một ví dụ quan trọng khác về ứng dụng của nghiên cứu thiên văn vào Y tế là phát triển các phòng sạch. Việc chế tạo kính thiên văn không gian đòi hỏi một môi trường cực kỳ sạch để ngăn bụi và các hạt nhỏ có thể làm mờ hoặc cản trở gương hay dụng cụ trên kính viễn vọng. Các quy chuẩn khắt khe về phòng sạch, lọc không khí, trang phục trong phòng sạch và các kỹ thuật đã được phát triển để xây dựng phòng sạch trong thiên văn hiện nay cũng được sử dụng trong các bệnh viện và phòng thí nghiệm dược phẩm.

Việc chế tạo kính thiên văn không gian và các vệ tinh đã mang lại ảnh hưởng trong ngành y tế thông qua việc cải tiến tiêu chuẩn và phát triến các khu vực làm việc sạch (phòng sạch).
Hình ảnh: NASA/Dominic Hart

Biến đổi khí hậu 

Công nghệ và phương pháp nghiên cứu được phát triển trong vật lý thiên văn cũng đã được sử dụng để phát triển các phương tiện có giá trị nhằm tìm hiểu hệ thống Trái đất và biến đổi khí hậu.

Thông qua việc nghiên cứu Kim tinh bằng cách sử dụng kỹ thuật thiên văn, các nhà nghiên cứu đã làm phong phú thêm hiểu biết về khí hậu của Trái đất. Với kích thước và thành phần tương tự Trái đất, Kim tinh cho ta một cơ hội quý giá để nghiên cứu một hệ thống khí hậu đang biến đổi giống với Trái đất có trong hệ mặt trời của chúng ta. Ngày nay, bầu khí quyển của Kim tinh dày hơn gấp 90 lần so với bầu khí quyển của Trái đất. Các nhà khoa học cho rằng nguyên nhân là do hành tinh này đã gặp phải hiện tượng hiệu ứng nhà kính mất kiểm soát xảy ra sau quá trình tăng nhiệt độ bề mặt và mức nước có trong khí quyển. Nhà khí hậu học James Hansen đã sử dụng các mô hình truyền xạ để tính toán truyền bức xạ điện từ xuyên qua bầu khí quyển của Kim tinh và sau đó cũng đã sử dụng rất hiệu quả những kỹ thuật này để mô hình hoá những hiệu ứng khí hậu của các khí vi lượng và aerosols (sol khí) ở trong bầu khí quyển của Trái đất.  

Thời gian gần đây, sự phát triển của các kỹ thuật phân cực để nghiên cứu bầu khí quyển của các ngoại hành tinh đã dẫn đến việc sử dụng các dụng cụ SPEX (Máy phổ phân cực dùng để khám phá hành tinh) để nghiên cứu tác động của các hạt bụi trong bầu khí quyển Trái đất đối với khí hậu và sức khỏe của loài người. Sáng kiến này dẫn đến việc hình thành chiến dịch khoa học iSPEX với sự tham gia của nhiều người dân và các nhà khoa học nghiệp dư để đo mức độ ô nhiễm không khí. Công nghệ này cũng đang được thương mại hóa  để đo lường ô nhiễm không khí trên mặt đất và được điều chỉnh phù hợp hơn cho việc vận hành bệ phóng vệ tinh quan sát Trái đất.

Hình ảnh Trái đất được chụp vào năm 2014 từ Trạm Không gian Quốc tế bởi nhà du hành vũ trụ của cơ quan Vũ Trụ châu Âu, Alexander Gerst.
Hình ảnh: ESA/NASA

Kỹ thuật tính toán

Việc xử lý dữ liệu thiên văn đã hỗ trợ cho sự phát triển của các phương pháp tính toán, bao gồm điện toán lưới và điện toán phân tán, và các sáng kiến khoa học thiên văn lớn với sự tham gia của người dân.

Trong những thập kỷ gần đây, lượng dữ liệu được các nhà thiên văn thu thập đã tăng lên đáng kể. Các kính thiên văn và dự án không gian mới đều đã góp phần vào việc phát triển các công cụ và phương pháp mới để phân tích dữ liệu thu được. Các nhà khoa học cần số lượng lớn các nguồn tài nguyên tính toán để xử lý, từ đó dẫn đến sự phát triển điện toán lưới. Đây là phương pháp mà qua đó các máy tính phân bố ở khắp nơi được kết nối với nhau trên một mạng chung và là một phương pháp hiệu quả để chia sẻ và sử dụng khối lượng lớn các tài nguyên đã thu thập được. Các nhà thiên văn đang thu thập lượng số liệu rất lớn theo hàm số mũ, thường được gọi là kỷ nguyên của “dữ liệu lớn”, và nhờ vào đó mà cách thức làm khoa học đang được thay đổi.

Việc tìm kiếm trí thông minh ngoài trái đất của các nhà thiên văn vô tuyến cũng đã được hình thành trong khi xuất hiện điện toán lưới – cụ thể là khi tập hợp số lượng lớn máy móc được phân bố rải rác trên toàn thế giới cho việc tính toán của một lượng lớn nhân lực thông qua internet để giải quyết các bài toán khoa học phức tạp.

Trong lịch sử, có hai dự án điện toán phân tán đầu tiên đã được khởi động là dự án để giải quyết các vấn đề toán học (GIMPS, 1996) và mật mã (distributed.net, 1997). Dự án thứ ba (nổi tiếng nhất) là sáng kiến SETI@home được bắt đầu vào năm 1999. SETI – dự án Tìm kiếm Trí thông minh ngoài Trái đất (the Search for Extra-Terrestrial Intelligence)- mục đích để tìm kiếm dấu hiệu của các dạng sống thông minh khác thông qua việc truyền tín hiệu vô tuyến. SETI@home là dự án đầu tiên trong số nhiều dự án khoa học mới với sự tham gia của cả người dân mà đã có sự hợp tác và đóng góp cho các sáng kiến khoa học có giá trị theo những cách chưa từng có trước đây. Dự án này vẫn đang tiếp tục duy trì cho đến tận ngày hôm nay và đã khai thác được sự tham gia của hơn 1,7 triệu người dùng, tất cả đều đóng góp năng lực tính toán của họ cho SETI@home.

Trung tâm dữ liệu ở trụ sở chính của Đài Thiên văn phía Nam của châu Âu (ESO) đặt tại Garching, Munich, Đức. Đây là nơi lưu trữ và phân phối dữ liệu thu được từ các kính thiên văn của ESO.
Hình ảnh: ESO

Xác định thời gian 

Vị trí tương đối của Trái đất và các ngôi sao trên bầu trời đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc xác định thời gian, từ những loại lịch đầu tiên cho đến các dịch vụ định vị và định vị vệ tinh thời nay.

Theo chiều dài lịch sử, nhiều loại lịch đã được phát triển nhưng những loại lịch này chủ yếu là gắn liền với văn hóa hoặc đặc điểm của từng vùng. Khái niệm thời gian được hình thành thông qua quan sát chuyển động của Mặt trời, Mặt trăng, các ngôi sao và nhịp điệu của đêm và ngày. Khái niệm về một ngày được hình thành dựa trên chuyển động của Mặt trời, còn quan niệm về một tháng thì xuất phát từ những quan sát về sự thay đổi hình thái và vị trí của Mặt trăng. Khái niệm về một giờ có thể được bắt nguồn từ người Ai Cập, họ đã chia ngày thành 10 phần, với một phần thêm ở trước và sau với ý nghĩa là để cho mặt trời mọc và mặt trời lặn.

Ngày nay, việc xác định chính xác thời gian được thực hiện bằng đồng hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao, trong đó tần số dao động của nguyên tử được sử dụng làm tiêu chuẩn để đo thời gian. Trên thế giới có khoảng vài trăm chiếc đồng hồ nguyên tử được đặt ở nhiều viện khác nhau. Thời gian của thế giới được xác định dựa trên Giờ nguyên tử quốc tế hiển thị trên những chiếc đồng hồ này.

Nhiệm vụ tổng hợp thời gian của tất cả các đồng hồ nguyên tử trên khắp thế giới do Văn phòng Cân đo Quốc Tế và Ban hệ thống tham chiếu quốc tế và tự quay Trái Đất đảm nhiệm. Ban này có trách nhiệm duy trì các đồng hồ nguyên tử hoạt động đồng bộ với chuyển động của Trái đất quanh Mặt trời và sự tự quay quanh trục của Trái đất. Trong đó, sự tự quay và quay quanh Mặt trời của Trái đất, hay còn gọi là thời gian thiên văn, được đo rất chính xác bằng cách sử dụng các nguồn thiên văn vô tuyến xa và mạnh làm mốc, chẳng hạn như các chuẩn tinh hoặc các thiên hà vô tuyến.

Khả năng xác định thời gian chính xác thực sự rất cần thiết cho các vệ tinh của Hệ thống định vị toàn cầu (GPS). Các vệ tinh này đều được trang bị đồng hồ nguyên tử chính xác đã được điều chỉnh theo thời gian thiên văn. Sự nhận biết chính xác về thời gian và vị trí của vệ tinh giúp cho việc sử dụng tín hiệu của chúng để xác định vị trí chính xác trên bề mặt Trái đất.

Các vệ tinh của hệ thống định vị toàn cầu (GPS) phụ thuộc rất nhiều vào việc xác định chính xác thời gian. Mỗi vệ tinh đều được trang bị một đồng hồ nguyên tử đã được điều chỉnh theo thời gian thiên văn.
Hình ảnh: Căn cứ không quân ở Los Angeles.

Tạo ảnh 

Một trong các ví dụ điển hình nhất về chuyển giao công nghệ giữa thiên văn học và công nghiệp là các tiến bộ trong công nghệ tạo ảnh và truyền thông.

Hiện nay, một loại phim chụp có tên Kodak Technical Pan đang được các nhà quang phổ y tế và công nghiệp, nhiếp ảnh gia công nghiệp và nghệ sĩ sử dụng rất rộng rãi. Tuy nhiên, mục đích ban đầu khi tạo ra loại phim này là để các nhà thiên văn có thể ghi lại những thay đổi trong cấu trúc bề mặt của Mặt trời.

Vào năm 2009, Willard S. Boyle và George E. Smith đã được trao giải thưởng Nobel Vật lý cho phát minh một thiết bị có thể được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp – cảm biến CCD (Charge Coupled Device, có nghĩa là “thiết bị tích điện kép”). Đây là loại cảm biến chụp ảnh được phát minh nhằm để phục vụ cho việc chụp ảnh thiên văn và được sử dụng lần đầu tiên trong thiên văn là vào năm 1976. Những cảm biến này nhanh chóng thay thế cho phim chụp không chỉ trong kính thiên văn, mà còn trong máy ảnh, webcam và điện thoại di động. Sự cải tiến và phổ biến của các bộ cảm biến CCD là do ảnh hưởng bởi việc sử dụng công nghệ CCD siêu nhạy trên kính thiên văn không gian Hubble của NASA. Ngày nay, tất cả các trạm quan sát thiên văn trên thế giới đều lựa chọn dùng công nghệ CCD, cho dù là các trạm trong không gian hay các trạm trên mặt đất, và dùng cho các quan sát từ bước sóng hồng ngoại đến tia X. Các bộ cảm biến cũng được sử dụng trong các kính thiên văn của các nhà thiên văn nghiệp dư, chính điều này đã làm cho các quan sát thiên văn từ bên trong thành phố trở nên khả thi hơn.

Cùng với sự cải tiến các kỹ thuật tạo ảnh, thiên văn còn góp phần vào việc phát triển nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau giúp cho việc xử lý hình ảnh trở nên dễ dàng hơn, ví dụ như ngôn ngữ lập trình IDL và IRAF. Những ngôn ngữ này cũng được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng trong y tế.

Ngoài ra, nhiều công cụ thiên văn khác cũng được ứng dụng ở trong lĩnh vực hàng không. Chẳng hạn như công nghệ được phát triển cho quan sát thiên văn bằng tia gamma ở tầm xa hiện giờ được sử dụng trong máy soi quét hành lý sân bay. Hoặc là máy sắc ký, một thiết bị được dùng để tách và phân tích các hợp chất, đã được cải tiến và nén gọn lại để sử dụng cho dự án chinh phục sao Hoả. Với sự điều chỉnh kích thước làm cho máy sắc ký trở nên nhỏ gọn và nhẹ hơn, nó đã được đưa vào ứng dụng để kiểm tra và phác hình ảnh những hành lý có chứa ma tuý và chất nổ.

Cảm biến CCD lần đầu tiên được sử dụng trong thiên văn và sau đó đã trở thành một bộ phận phổ biến của máy ảnh cá nhân và điện thoại di động.

Truyền thông 

Trong lĩnh vực truyền thông, thiên văn vô tuyến đã cung cấp vô số công cụ, thiết bị và phương pháp xử lý dữ liệu rất hữu ích. Có rất nhiều công ty truyền thông thành công, lúc ban đầu được thành lập bởi các nhà thiên văn vô tuyến.

Kỷ nguyên của truyền thông vệ tinh bắt nguồn từ điện thoại nhưng sau đó đã nhanh chóng được mở rộng sang truyền hình, đài phát thanh và trao đổi dữ liệu. Có điều này phần lớn do sự phát triển và xây dựng các ăng ten parabol phản xạ có kích cỡ lớn mà các nhà thiên văn vô tuyến sử dụng để thu thập bức xạ vô tuyến từ các vật thể ở trong vũ trụ như Mặt trời, các hành tinh, dải Ngân hà và từ nhiều nguồn khác ngoài thiên hà. Với những tín hiệu thiên văn rất yếu thì đòi hỏi phải có các gương phản xạ kích cỡ lớn có đường kính từ 25 đến 75 mét, đồng thời nó phải được phát triển với sự phối hợp chặt chẽ giữa các nhà thiên văn vô tuyến và bên công nghiệp. Một số công ty trên thế giới đã tận dụng những kỹ thuật mới được tiếp nhận này để bước chân vào lĩnh vực trạm truyền thông vệ tinh đặt ở mặt đất. Tận dụng các cáp quang có công suất cao sẵn có, hiện nay người ta đang tân trang lại một số ăng-ten truyền thông cao 30 mét đã ngừng hoạt động để tạo thành Mạng lưới giao thoa có đường cơ sở rất dài ở châu Phi (AVLBIN). Tương tự, các nhà thiên văn vô tuyến cũng là những người tiên phong trong việc phát triển hệ thống thu vi sóng có độ nhạy cao, chẳng hạn như bộ khuếch đại tham số, từ đó dẫn đến sự hình thành nhiều công ty mới để đáp ứng nhu cầu của truyền thông vệ tinh. Đến ngày nay, quá trình này vẫn đang tiếp tục với việc phát triển các thiết bị để phát hiện và khuếch đại các tín hiệu có bước sóng hồng ngoại và dưới một milimet, từ đó mang lại nhiều ứng dụng thương mại, chẳng hạn như các trạm kiểm soát an ninh trong sân bay và các ứng dụng dùng để tránh va chạm xe cộ.

Các angten của mạng Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). ALMA là một mạng giao thoa thiên văn gồm có 66 kính thiên văn vô tuyến đặt tại sa mạc Atacama, phía bắc của Chile.
Hình ảnh: ESO/B. Tafreshi (twanight.org) 

Wifi  

Trong số nhiều công cụ, thiết bị và phương pháp xử lý dữ liệu được triển khai và phát triển bắt nguồn từ lĩnh vực thiên văn vô tuyến, chúng ta cũng nên ghi nhận sự đóng góp  của lĩnh vực này trong việc phát minh ra Wi-Fi.

Với việc sử dụng các kỹ thuật để phân tích phát xạ vô tuyến từ các lỗ đen, một nhóm các nhà khoa học thuộc Tổ chức khoa học và nghiên cứu công nghiệp liên bang Úc (CSIRO) đã phát triển một kỹ thuật mới để truyền thông tin không dây. Họ đã phát triển một mạch vi xử lý cho phép sóng vô tuyến được sử dụng trong các môi trường phức tạp nơi mà sự phản xạ của tín hiệu ra khỏi nhiều bề mặt có thể gây nhầm lẫn cho việc truyền đạt thông tin. Các bằng sáng chế được cấp cho các nhà phát minh đã mở đường cho nhiều công ty trên toàn thế giới bắt đầu sử dụng Wi-Fi để trao đổi thông tin giữa các mạng và thiết bị di động. Cuộc sống hiện đại phụ thuộc rất lớn vào dòng chảy của dữ liệu và khoa học – bao gồm cả thiên văn vô tuyến – sẽ tiếp tục cho ra đời các công nghệ mang lại lợi ích cho toàn nhân loại.

Kỹ thuật thiên văn dùng để tổng hợp dữ liệu từ nhiều kính thiên văn nhằm tạo ra một hình ảnh duy nhất, được gọi là “tổng hợp khẩu độ”. Kỹ thuật này đã được áp dụng cho cộng hưởng từ (MR) để tăng các chi tiết hình ảnh và làm giảm thời gian soi, quét trong chuẩn đoán y tế. 

​TS Hoàng Chí Thiêm và cộng sự dịch

Nguồn: https://www.iau.org/static/archives/announcements/pdf/ann19022a.pdf.