Một đội nghiên cứu quốc tế vừa phát triển một loại con quay hồi chuyển mới lần đầu tiên đo được “sự chao đảo” trục quay của Trái đất từ một phòng thí nghiệm trên mặt đất. Các nhà thiên văn thường phát hiện sự chao đảo này bằng cách theo dõi liên tục vị trí của những vật thể ở xa, thí dụ như các quasar. Nhưng phương pháp mới này sẽ mang lại một giải pháp đơn giản và rẻ tiền hơn nhiều cho những số đo thiên văn vĩ mô này.
Hội Đo đạc Quốc tế, cơ quan tham gia trong nỗ lực này, có trách nhiệm duy trì hệ quy chiếu địa cầu và thiên cầu, tạo nên cơ sở thiết yếu cho sự đạo hàng và nghiên cứu Trái đất. Hệ quy chiếu địa cầu thích hợp cho người quan sát ở trên mặt đất. Thí dụ, nó mô tả tại sao Mặt trời có vẻ mọc lên và lặn xuống mỗi ngày, khi chúng ta biết rằng bản thân Trái đất đang quay tròn. Hệ quy chiếu thiên cầu – xây dựng trên tâm của hệ mặt trời – được tính với 212 thiên thể ở xa như các quasar và dùng để xác định vị trí của các hành tinh, kể cả Trái đất.
Ảnh Trái đất với trục quay và các đường sức từ của nó. (Ảnh: Shutterstock/Snowbelle)
Những vật chỉ thị ở xa
Việc biết chính xác chuyển động quay của Trái đất và sự định hướng của trục quay của nó là một hàm của thời gian là cần thiết để liên hệ hai hệ quy chiếu này với độ chính xác thích hợp. Trong nhiều thập niên qua, yêu cầu này được thực hiện qua việc sử dụng các quan sát với kính thiên văn vô tuyến, dựa trên một kĩ thuật gọi là Giao thoa kế Đường cơ sở Rất Dài (VLBI). Thật không may, kĩ thuật này là một phương pháp đắt tiền và quy mô, sử dụng nhiều trạm quan sát trên toàn bộ Trái đất, và cho đến nay, hệ thống này vẫn không thể hoạt động liên tục. Không biết chính xác độ dài của ngày và sự định hướng của Trái đất thì không thể thu được đủ chính xác các vị trí địa phương từ Hệ thống Vệ tinh Đạo hàng Toàn cầu (GNSS).
Thế giới đang chao đảo
Việc theo dõi sự định hướng này là phức tạp bởi thực tế Trái đất chao đảo xung quanh trục của nó. Cả sự chao đảo Chandler và chao đảo thường niên đều là những dị thường nhỏ trong vị trí của trục địa lí của Trái đất và do đó là một sự chuyển dịch trục quay của nó. Sự chao đảo thường niên là do một sự biến đổi nhỏ ở trục nghiêng là hệ quả của sự hút hấp dẫn do quỹ đạo Trái đất hơi lệch tâm một chút. Sự chao đảo Chandler là một dao động 435 ngày của trục quay Trái đất do các yếu tố như biến thiên áp suất đáy đại dương và gió. Vì tín hiệu Chandler đặc biệt khó dự báo, nên cần thiết phải đo và theo dõi nó liên tục.
Nay Ulrich Schreiber tại trường Đại học Kĩ thuật Munich cùng các đồng sự sử dụng các vòng laser – đã được sử dụng trong dẫn hướng máy bay trong nhiều năm qua – và đã tăng độ nhạy và độ ổn định của chúng lên vài bậc độ lớn để làm cho chúng thích hợp cho việc theo dõi những biến thiên lâu dài ở trục quay của Trái đất, như sự chao đảo Chandler.
Vòng laser
Một vòng laser sử dụng hai chùm tia laser đơn mode truyền vòng quanh một hộp laser kín theo hai hướng ngược nhau. Nếu như vòng laser đang quay, thì hai sóng ngược nhau hơi lệch tần số một chút và người ta quan sát thấy hình ảnh giao thoa phách, nó tỉ lệ với tốc độ quay. Vì bộ cảm biến đó gắn chặt với Trái đất, nên nó có khả năng cảm nhận những biến thiên nhỏ trong tốc độ quay của Trái đất và hướng của trục quay. “Vòng G của chúng tôi nằm ngang. Nếu chúng tôi đặt nó lên xích đạo, chúng tôi sẽ chẳng thấy gì hết – phép chiếu không còn – và trên địa cực thì tín hiệu sẽ là cực đại, nhưng chuyển động cực sẽ không còn”, Schreiber nói.
Đội nghiên cứu đã thiết kế ra một phiên bản cỡ lớn của một vòng laser máy bay. “Các dụng cụ thương mại có mỗi cạnh xấp xỉ 10 cm, còn của chúng tôi mỗi cạnh là 4 m”, Schreiber giải thích. Dụng cụ trên được đặt trong một tầng hầm ổn định nhiệt để cho có thể trích ra những tín hiệu tần số thấp cỡ 25 nHz. Kĩ thuật chế tạo gương cũng cần có sự phát triển nhảy vọt để cho con quay hồi chuyển hoạt động và Schreiber giải thích rằng cái vòng của họ có khả năng chạy liên tục. Dụng cụ của họ chế tạo bằng zerodur – một loại thủy tinh ceramic có sự giãn nở nhiệt rất thấp.
Nhạy và ổn định
Nhờ sự nhạy và ổn định của con quay hồi chuyển vòng laser lớn, đội nghiên cứu đã có thể đo trực tiếp tác dụng kết hợp của sự chao đảo Chandler và sự chao đảo thường niên của Trái đất đang quay tự do. Số liệu đo của họ phù hợp tốt với những số đo độc lập sử dụng phương pháp thiên văn học.
Khi so sánh với phương pháp VLBI đã thử nghiệm, Schreiber cho biết vẫn hãy còn sớm cho phương pháp của họ. “Chúng tôi vẫn kém hiệu quả hơn VLBI năm lần và chúng tôi vẫn phải giảm sự trôi giạt bộ cảm biến thêm nữa. Tuy nhiên, khi chúng tôi lần đầu tiên đề xuất các vòng laser cho mục đích này hồi giữa thập niên 1990, thì tất cả mọi người đánh giá đều bàn ra – lập luận của họ là chúng tôi không thể nào giảm sự trôi giạt hơn vài bậc độ lớn và hiệu quả khoảng sáu bậc độ lớn về độ nhạy là không thực tế”, Schreiber nhiệt tình phân trần. Như vậy, những phát triển thêm nữa là cần thiết đối với kĩ thuật của nhóm Schreiber.
Nguồn: physicsworld.com
