Nhiệt độ trung bình ở bề mặt Mặt Trời thường vào khoảng 5.540°C; nhiệt độ trên bề mặt của ngôi sao Eta Carinae khoảng 40.000°C. Ở những nơi nóng đến như vậy, nếu đo bằng các thiết bị đo đạc thông thường thì có lẽ chưa đến bề mặt của vật thể thì chúng đã nóng chảy ra hết rồi!

Vậy bằng cách nào người ta có thể thu được các số đo đáng kinh ngạc như thế?

Bây giờ chúng ta sẽ cùng nhau giải đáp thắc mắc này nhé! Trước tiên, ta phải tìm hiểu hai khái niệm “bức xạ” và “quang phổ”.

Nhiệt độ của ngôi sao hay vật thể và cường độ quang phổ thu được có mối liên hệ với nhau.

Bức xạ là sự lan tỏa hoặc truyền dẫn năng lượng trong không gian dưới dạng sóng hoặc hạt. Mọi vật thể đều phát ra bức xạ nhiệt, do các phân tử hay nguyên tử cấu tạo nên vật thể chuyển động nhiệt không ngừng. Tất cả các vật chất với nhiệt độ lớn hơn “độ không tuyệt đối” đều phát ra bức xạ nhiệt. Vật thể càng nóng, nhiệt độ tỏa ra càng cao, các bộ phận cấu thành của nó di chuyển càng nhanh, và năng lượng chúng tỏa ra càng nhiều (tức cường độ bức xạ càng mạnh hay lượng bức xạ càng lớn).

Độ không tuyệt đối là trạng thái nhiệt động học lý tưởng của vật chất, trong đó mọi chuyển động nhiệt đều ngừng.

Giống như tần số và bước sóng, cường độ là đặc tính cơ bản của bức xạ điện từ. Không vật thể tự nhiên nào phát ra bức xạ điện từ ở duy nhất 1 tần số. Thay vào đó, năng lượng thường phân bố trên một khoảng tần số nào đó.

Vậy làm thế nào người ta xác định được nhiệt độ thông qua cường độ bức xạ của nó nhỉ?

Câu trả lời là nghiên cứu cách mà cường độ của bức xạ phân bố trong quang phổ. Cụ thể ở đây là quang phổ liên tục, một dải màu biến thiên liên tục từ đỏ tới tím. Từ đó, chúng ta có thể hiểu được nhiều hơn đặc tính của vật thể phát ra bức xạ đó.

Độ tập trung quang phổ quyết định màu sắc biểu kiến của ngôi sao.
Định luật Wien đã chỉ ra rằng: Nhiệt độ càng cao, đỉnh đồ thị bức xạ càng dịch chuyển về phía bước sóng ngắn với công thức:

Và thứ chúng ta nghiên cứu đó chính là đồ thị bức xạ vật đen tuyệt đối. Vật đen tuyệt đối là vật thể hấp thụ tất cả bức xạ rơi vào nó. Các nghiên cứu về vật đen tuyệt đối hết sức gần gũi với kĩ thuật và đời sống. Bởi vì hầu hết các vật rắn, nơi có sự phân bố vật chất đậm đặc, đều có tính chất phát xạ rất gần với vật đen tuyệt đối. Những ngôi sao được coi là vật đen tuyệt đối gần hoàn hảo.

Định luật Stefan-Boltzman về năng suất bức xạ của vật đen tuyệt đối
Trong đó, hệ số tỉ lệ σ được gọi là hằng số Stefan-Boltzmann, RT là năng suất phát xạ toàn phần
Có nghĩa rằng vật càng bị nung nóng thì sẽ có tổng năng lượng bức xạ càng lớn.

Các nhà thiên văn học sử dụng đường cong bức xạ vật đen như là nhiệt kế để xác định nhiệt độ của các vật thể xa xôi ngoài không gian. Nghiên cứu của Boltzmann và Stefan chỉ ra rằng: Tổng năng lượng bức xạ trên một đơn vị diện tích bề mặt của một vật đen qua tất cả các bước sóng trong một đơn vị thời gian, tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối.

Bằng chứng là bảng phân loại các loại sao dựa trên nhiệt độ và màu sắc của nhà thiên văn học Annie Jump Cannon.

Loại SaoMàuNhiệt Độ
OXanh Dương30 000 – 80 000
BXanh Dương10 000 – 30 000
AXanh Dương7 500 – 10 000
FTrắng6 000 – 7 500
GVàng5 000 – 6 000
KCam3 500 – 5 000
MĐỏ2 000 – 3 500
Vào đầu thế kỉ 20, nhà thiên văn Annie Jump Cannon phân loại bầu trời theo cấp sao dựa trên sự liên hệ với quang phổ và nhiệt độ của chúng.

Các loại quang phổ của các vật thể trên vũ trụ

Các vật thể ngoài vũ trụ có bề mặt lạnh hơn hoặc nóng hơn nhiều so với Mặt Trời thì hầu hết chúng phát ra các bức xạ ở các phần “vô hình” của quang phổ. Đồ thị bức xạ của một số vật thể trong vũ trụ được thể hiện thông qua các hình phía dưới.

Tập trung quang phổ của các đám mây phân tử tối với bức xạ radio

Tập trung quang phổ của ngôi sao trẻ mờ với bức xạ hồng ngoại

Tập trung quang phổ của ngôi sao giống Mặt Trời với bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy

Tập trung quang phổ của ngôi sao sáng và nóng với bức xạ cực tím mạnh mẽ

Vậy nên bằng cách phân tích đường cong vật đen trong quang phổ, các nhà khoa học có thể xác định nhiệt độ tương đối của của vật thể trong vũ trụ bao la một cách dễ dàng mà không cần đến nhiệt kế!

Tìm hiểu và chia sẻ bởi Nguyễn Đức Hoàng, Phạm Thị Minh Ngọc, Ban Học Thuật
CLB Thiên văn học Đà Nẵng