MỘT MẸO CỦA ĐỒNG HỒ NGUYÊN TỬ, HƯỚNG VỀ MẶT TRỜI

Để tìm một “anh em song sinh” của Trái Đất quanh một ngôi sao khác, các nhà thiên văn quan sát sự lắc lư của ngôi sao. Một hành tinh có khối lượng bằng Trái Đất quay quanh một ngôi sao giống Mặt Trời ở khoảng cách bằng Trái Đất chỉ làm ngôi sao dịch chuyển 8,9 centimét mỗi giây, trong một năm hoặc lâu hơn. Chuyển động nhỏ bé đó làm các vạch phổ của ngôi sao dịch đi vài phần mười tỷ.

Những thiết bị săn hành tinh tốt nhất tiến gần tới mức đó bằng cách trải ánh sáng sao lên những cách tử lớn và lấy trung bình độ dịch của hàng trăm hoặc hàng nghìn vạch cùng lúc. Ngay cả khi được hiệu chuẩn bằng lược tần số laser, chúng vẫn đo vị trí ánh sáng rơi trên một đầu thu — tức là một bước sóng, chứ không phải một tần số.

Vay mượn từ đồng hồ nguyên tử

Đồng hồ quang học, những cỗ máy đo thời gian chính xác nhất, hoạt động theo cách khác. Chúng khóa một tia laser vào một chuyển mức nguyên tử và đếm tần số của nó bằng một lược tần số (frequency comb), một loại laser mà ánh sáng tạo thành một chiếc thước gồm các tần số cách đều nhau. Điểm vướng: chúng cần ánh sáng laser sạch trong phòng thí nghiệm, chứ không phải thứ ánh sáng nhiệt hỗn loạn của một ngôi sao.

Connor Fredrick, Ryan K. Cole và các đồng nghiệp tại Đại học Colorado Boulder và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST), với Scott Diddams dẫn dắt dự án, nay đã áp dụng công thức của đồng hồ cho ánh sáng Mặt Trời. Họ gọi kết quả là một đồng hồ quang học Mặt Trời (solar optical clock).

Một vạch, một tia laser

• Một thiết bị bám Mặt Trời nhỏ trên mái nhà đưa ánh sáng từ toàn bộ đĩa Mặt Trời vào một sợi cáp quang đơn mode — Mặt Trời được quan sát như thể nó là một ngôi sao xa xôi.
• Trong phòng thí nghiệm, ánh sáng Mặt Trời được trộn với một tia laser trên một đầu thu. Tần số của laser được rung qua lại, tạo ra một tín hiệu giảm về không đúng tại tâm của một vạch hấp thụ của sắt gần 1.565,28 nanomét, một vạch rộng khoảng 4,3 gigahertz. Bề rộng đó không phải là khuyết điểm của thiết bị: nhiệt và sự đối lưu sôi trào của khí Mặt Trời làm vạch phổ nhòe ra, và phải tìm tâm vạch ngay bên trong dải mờ ấy.
• Một vòng phản hồi giữ cho laser luôn khóa tại đó. Trong khi đó, một lược tần số gắn với một maser hydro — một đồng hồ nguyên tử hydro, rất ổn định trong vài giờ, được dùng ở đây làm mốc thời gian — được NIST hiệu chuẩn, liên tục đếm tần số của laser — một mối liên kết trực tiếp với định nghĩa chính thức của giây.

Một phần tỷ của tần số

Trong một giây, tia laser tìm ra tâm vạch với độ chính xác khoảng 3 megahertz, tức một phần một nghìn bốn trăm bề rộng của vạch. Quy ra tốc độ, đó là 4,7 mét mỗi giây: hiệu ứng Doppler làm tần số của ánh sáng dịch đi tỷ lệ với tốc độ của nguồn, và ở bước sóng này 1 mét mỗi giây tương ứng khoảng 0,64 megahertz. Lấy trung bình trong vài nghìn giây sẽ hạ con số này xuống khoảng 200 kilohertz — khoảng 30 centimét mỗi giây, hay một phần tỷ tần số của ánh sáng.

Độ chính xác này bám rất sát giới hạn lượng tử được dự đoán từ sự đến ngẫu nhiên của các photon trong loại phép đo này: không có nhiễu thiết bị nào cộng thêm vào đó một cách thấy được trong những khoảng thời gian lấy trung bình đã đo. So với thiết bị trước đây của nhóm, vốn quét chậm qua vạch phổ, tia laser được khóa chính xác hơn gần mười lần.

(a) Các phép đo tâm vạch trong 5.000 giây bằng laser được khóa (xanh đậm) và thiết bị quét (xanh nhạt); (b) dao động của Mặt Trời hiện ra thành một đỉnh gần 5,5 phút; (c) độ chính xác cải thiện theo thời gian lấy trung bình, tiến về giới hạn lượng tử (nét đứt). — Hình 4, Fredrick, Cole và cộng sự (2026), arXiv:2610.28485.

Mặt Trời thở, Mặt Trăng đi qua

Các phép đo hé lộ chuyển động của chính Mặt Trời. Một đỉnh rõ ràng ở 5,5 phút cho thấy các dao động âm học của bề mặt nó, những sóng âm thăm dò bên trong Mặt Trời. Chúng cũng là một sự phiền toái: độ chính xác chỉ cải thiện mạnh khi khoảng thời gian lấy trung bình bao trùm được chu kỳ năm phút của chúng.

Ngày 8 tháng 4 năm 2024, nhóm nghiên cứu quan sát nhật thực một phần từ Boulder, nơi Mặt Trăng che khuất khoảng 80% Mặt Trời. Vì Mặt Trời tự quay, một mép tiến về phía chúng ta còn mép kia lùi ra xa. Khi Mặt Trăng che một mép rồi đến mép kia, vạch sắt dịch đi tới khoảng 500 mét mỗi giây — đó là hiệu ứng Rossiter-McLaughlin, cũng chính là dấu hiệu được dùng để nghiên cứu các hành tinh đi ngang qua ngôi sao của chúng.

Nhật thực ngày 8 tháng 4 năm 2024 qua cả hai thiết bị: (a) vạch phổ dịch về một phía, rồi về phía kia, khi Mặt Trăng đi qua đĩa Mặt Trời; (b, c) laser được khóa (xanh đậm) phân tán ít hơn nhiều so với thiết bị quét (xanh nhạt). — Hình 5, Fredrick, Cole và cộng sự (2026), arXiv:2610.28485.

Từ Mặt Trời đến những ngôi sao khác

Các tác giả ước tính rằng một kính thiên văn 25 đến 40 mét có quang học thích ứng — cỡ Kính thiên văn Magellan Khổng lồ (Giant Magellan Telescope) và Kính thiên văn Cực lớn (Extremely Large Telescope) đang được xây dựng — có thể đưa độ chính xác trên một vạch này tới những ngôi sao giống Mặt Trời gần nhất trong vài giờ. Điều biến sắc nét hơn, thời gian lấy trung bình dài hơn và nhiều vạch được đo cùng lúc có thể đẩy độ chính xác tiến tới 10 centimét mỗi giây.

Các ngôi sao tự đặt ra giới hạn của chúng. Bề mặt sôi sục của chúng, tức hiện tượng tạo hạt (granulation), thêm vào nhiễu cỡ vài chục centimét mỗi giây ngay cả khi lấy trung bình trong một giờ. Việc đo từng vạch một, mỗi vạch nhạy theo cách riêng với từ trường và độ sâu, lại chính là điều có thể giúp phân biệt sự bồn chồn của một ngôi sao với lực kéo của một hành tinh vô hình.