Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí
Phần I

MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trong nghiên cứu thiên văn học, hoạt động quan sát đóng một vai trò hết sức
quan trọng. Hầu hết các quan sát bằng mắt thường đã được các nhà thiên văn cổ thực
hiện từ hàng trăm, hàng nghìn năm trước để xác định các chu kì chuyển động biểu kiến
của các thiên thể, dự đoán và xem xét các hiện tượng thiên văn, phân chia và xác định
các chòm sao .v.v….
400 năm trở lại đây, các quan sát của loài người đã tiến xa hơn rất nhiều nhờ sự
xuất hiện của kính thiên văn. Việc quan sát và nghiên cứu các ngôi sao, các thiên hà ở
rất xa, tìm hiểu cấu trúc của vũ trụ đòi hỏi sự có mặt của loại dụng cụ này.
Kính thiên văn là một trong những thiết bị được cho là đã tạo nên cuộc cách
mạng khoa học trong thế kỷ 17. Nó đã làm sáng tỏ nhiều hiện tượng của bầu trời và có
ảnh hưởng quyết định đến cuộc tranh cãi giữa những người theo trường phái địa tâm
truyền thống và những người theo trường phái nhật tâm do Côpécníc khởi xướng. Lần
đầu tiên con người đã có một dụng cụ để mở rộng giác quan của mình với thế giới bên
ngoài, điều này kể từ đó đã chuyển dần việc quan sát tự nhiên từ con người sang cho
các thiết bị, máy móc.
Ngày nay kính thiên văn làm việc hiệu quả nhất là kính thiên văn không gian
Hubble. Kính thiên văn Hubble được coi là “cuộc cách mạng” trong ngành thiên văn
Trung
Học
liệu ĐH
Thơ
học tâm
thế giới
với những


1

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

5. CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
5.1 Phương pháp
- Tra cứu tài liệu và tìm hiểu thực tế.
- So sánh, phân loại và tổng hợp kiến thức.
- Giải toán truyền thống.
- Giải toán trên máy vi tính.
5.2 Phương tiện
- Sách tham khảo, mạng Internet.
- Máy tính.

6. CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
- Tìm tài liệu, các khái niệm và thuật ngữ liên quan đến nội dung đề tài.
- Tìm hiểu mức độ thực hiện của các đề tài liên quan đến vấn đề này.
- Thực hiện nội dung đề tài phần lý thuyết và phần ứng dụng
- Hoàn chỉnh luận văn.

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

SVTH: Nguyễn Bá Thành


Communications Subsystem)
Trung tõm
HcHliu
H
Cn
Th
@ Ti
liu hcSubsystem)
tp v nghiờn cu
- DMS:
thng
quản
lý dữ
liệu (Data
Management
- DMU: n v qun lý d liu (Data Management Unit)
- DIU: B phn giao din d liu (Data Interface Units)
- PCS: Hệ thống iều khiển (Pointing Control Subsystem)
- SIC&DH: H iều khiển dụng cụ khoa hc v ơn vị xut dữ liệu (Science
Instrument Control and Data Handling Unit)
- NSCC-I: Máy tính tàu vũ trụ ca NASA (NASA Standard Spacecraft
Computer)
- SIU: Bộ phận giao diện chuẩn (Standard Interface Unit)
- CU/SDF: Đơn vị iều khiển/nh dng dữ liệu khoa học (control Unit/Science
Data Formatter)
- PCU: Ngun iu khin (Power Control Unit)
- RIU: Bộ phận giao diện từ xa (Remote Interface Units)
- ACS: Camera kho sỏt (The Advanced Camera for Surveys)
- WFC: Kờnh bng thụng rng (Wide Field Channel)
- HRC: Kờnh phõn gii cao (High Resolution Channel)

- AMA: Hệ gương Articulating Mirror Assembly
- IFOV: Thị trường tức thời (Instantaneous Field of View)
- PMT: Ống nhân quang điện tử
- ST-ECF: Space Telescope-European Coordinating Facility ()
- STScI: Viện khoa học viễn kính không gian (The Space Telescope Science
Institute)
- TDRSS: Hệ thống vệ tinh vô tuyến và viễn thông (Tracking and Data Relay
Satellite System).
- GSFC: Trung tâm không gian.
- STOCC: Trung tâm điều khiển các thao tác viễn kính không gian (Goddard's
Space Telescope Operations Control Center)

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

SVTH: Nguyễn Bá Thành

4

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí
Phần II

NỘI DUNG
1. VÀI NÉT VỀ KÍNH THIÊN VĂN VŨ TRỤ HUBBLE
HST được tàu con thoi đưa lên quỹ đạo vào ngày 24 tháng 4 năm 1990, từ trung
tâm không gian Kennedy, Florida vào trong một quỹ đạo ở độ cao 569 km so với mặt

những thiên hà mà trước kia chưa từng biết tới, sự hiển nhiên của các lỗ đen ở giữa các
thiên hà, sự tạo các vùng sao và sự hiểu biết hơn về quá trình vật lý trong vũ trụ.
Lyman Spitzer (1914-1997) là cha đẻ của kính thiên văn không gian mang tên
Hubble, được tàu con thoi đưa lên quỹ đạo vào tháng 4 năm 1990. Ngay từ cuối những
năm 1940, ông đã nêu ra ý tưởng đưa lên quỹ đạo bên trên bầu khí quyển của Trái Đất
một kính thiên văn lớn có khả năng bắt được cả ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy lẫn tử
ngoại. Ý tưởng này được đề xuất sớm gần chục năm, trước khi vệ tinh đầu tiên được
phóng lên Vũ trụ vào năm 1957. Ban đầu không ai tin là điều đó có thể làm được.
Spitzer phải tốn hàng chục năm mới thuyết phục được cộng đồng các nhà thiên văn về
ích lợi của dự án và thuyết phục được Quốc hội Mỹ đồng ý cấp kinh phí. Ban đầu, lẽ
ra kính phải có một gương đường kính 3m, nhưng do hạn chế về kinh phí, nên cuối
cùng rút lại chỉ còn 2,4m.

Hình 1c: Lyman Spitzer (1914-1997)
SVTH: Nguyễn Bá Thành

6

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

Hubble không hoạt động ngay lập tức như người ta hy vọng. Sau khi đưa lên
quỹ đạo, các nhà thiên văn mới nhận thấy rằng gương của cái “kỳ quan công nghệ”
thực sự có một sai hỏng nghiêm trọng. Kính thiên văn nhìn bị nhòe! Điều này đã gây
nên sự thất vọng kinh khủng. Tuy không thể quan sát được các đối tượng ở xa, nhưng
Hubble cũng đã gửi về rất nhiều thông tin về các thiên thể sáng như các hành tinh

Ngày 24 tháng 4 năm 2005, trung tâm Chabot Space and Science Center
(10000 Skyline Boulevard, Oakland, CA 94619) đã tổ chức lễ kỷ niệm 15 năm tuổi
của tâm
HST vào
10h ĐH
(giờ Cần
địa phương)
và khai
số hình
ảnh
Trung
Họclúcliệu
Thơ @
Tài mạc
liệucuộc
họctrưng
tậpbày
và một
nghiên
cứu
độc đáo mới do HST phát hiện và chụp được. Mọi nguời được mời vào xem những
hình ảnh chưa hề được công bố do kính thiên văn Hubble chụp, và xem khu trưng bày
hình ảnh về kính này.

Hình 1g: HST hiện nay
HST nặng 11 tấn, dài 13,2m, đường kính 4,2m và giá 2 tỉ USD. Ngoài ra, nó
còn được gắn thêm hai bản sử dụng năng lượng mặt trời. Là một kính thiên văn phản
xạ có 2 mặt kính; kính chính (kính sơ cấp) có đường kính 2,4m. Nó được mắc nối với
hai phổ kế khác nhau và 3 camera điện tử riêng biệt với một bộ lọc và khuếch tán ánh



2. CẤU TẠO KÍNH THIÊN VĂN VŨ TRỤ HUBBLE

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

Hình 2a: Minh họa ba hệ thống của Hubble
HST có ba hệ thống ảnh hưởng lẫn nhau:
- Hệ thống hỗ trợ (SSM): Một cấu trúc phía ngoài cung cấp cho những hệ thống
khác những dịch vụ như: năng lượng, truyền thông dữ liệu, …
- Hệ kính thiên văn quang học (OTA): tập trung ánh sáng vào mặt phẳng trung
tâm cho những dụng cụ khoa học.
- Các dụng cụ khoa học: thiết đặt ở bên trong tàu vũ trụ tại mặt phảng trung tâm
và đặt dọc theo chu vi của tàu vũ trụ.

SVTH: Nguyễn Bá Thành

10

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

2.1 Hệ thống hỗ trợ (SSM)

Hình 2.1a: Hệ trục tọa độ trên Hubble

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu

iều khiển những thao tác kính thiên văn không gian (Space Telescope Operations
Control Center STOCC) có thể iu khin cơ chế úng cửa bảo vệ cho những sự
quan sát trong giới hạn 20 độ.
2.1.1.2 Mn chn ánh sáng
Nó nối ca ng kớnh vi vỏ trc. phớa ngoi ca Hubble trờn những cạnh đối
diện là những chốt cửa để giữ an toàn bng thu nng lng Mt Tri (SA) v anten
li cao (HGA) khi xp gn. Gần những chốt cửa SA l những đĩa kim loại mòn, lớn
bảo vệ bọc bên trong. Mn chn ánh sáng Anten li thp (LGA) phớa trc, hai từ
kế l hai sensor nhạy ỏnh sỏng mặt trời.
Cỏc tay vn bao quanh mn chn ánh sáng, h tr nh du hnh v tr lm vic
trờn Hubble.
Mn chn di 4 m, vi đờng kính bên trong 3 m. Nú c lm bng Magie v
c bc lp ph nhit. Bờn trong mn chn có 10 mng ngăn ánh sáng, màu đen
Trung
tõm
Hc
@ Ti
liu
tp
cu
phẳng
để hp
thliu
ánh H
sáng Cn
nhiu. Th
nh sáng
i theo
mthc
ng


Trung tõm Hc liu H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu

Hỡnh 2.1.1.4. Mt ct cỏc thiết bị cn thit
Nh trong hỡnh: i theo chiu kim ng h t trc V3, nhng phn nh bao
gm:
- Phn 8: H iu khin điều khiển
- Phn 9: H bánh xe phản ứng
- Phn 10: Cỏc ơn vị SI C&DH
- Phn 1: H thng qun lý d liu
- Phn 2, 3, 4: H in nng
- Phn 5: H truyn thụng
- Phn 6: RWA
- Phn 4: Chốt quay hỗ trợ
- Phn 7: H điều khiển cơ chế hot ng khỏc

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

13

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.1.1.5. Vỏch ngn v mt sau uụi tu

Hỡnh 2.1.1.5. Vỏch ngn v mt sau uụi tu

c v nhng dữ liệu truyn i xuyờn qua HGA và LGA. Tất cả thông tin đợc
chuyển qua hệ thống quản lý dữ liệu (DMS).

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

14

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.1.2.1. Mỏy phỏt truy nhn S-Band (S-Band Single Access Transmitter
SSAT)
Kính thiên văn c trang bị với hai SSAT. S-Band xác định tần số mà dữ liệu
đợc truyền, và Single Access cho phộp anten trên TDRS c truyn d liu.

2.1.2.2. Anten li cao (HGA)
Mỗi HGA là một gng phn x dng parabôn gn lên trên cột anten với mt cơ
chế gm hai cacdang và thit b in t iu khin quay 100 độ theo mọi phơng
hớng.

Trung tõm Hc liu H
Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu
Hỡnh 2.1.2.2. Anten li cao (HGA)
Mỗi anten c iu chnh vi s chớnh xác một độ. Những anten truyền vi
hai tần số : 2255.5 MHz hoặc 2287.5 MHz (chờnh lch 10 MHz).


H thng máy tính cu hình nh ba máy tính độc lập (single-board computer
SBC). Mỗi máy tính cú hai megabyte của b nh truy xut ngu nhiờn và một megabyte
kí ức của b nh n nh. Máy tính giao tiếp với HST bng cỏch sử dụng khả năng truy
nhập b nh trực tiếp trên mỗi SBC xuyên qua dữ liệu. một thời điểm nht nh, ch
một SBC có thể điều khiển kính thiên văn. Cỏc SBCs có thể tt ngun, trạng thái ch,
H thng máy tính đo cú kớch thc 0,48 x 0,46 x 0,33 m và v nặng 32 Kg. Nó
đợc định vị trong phn 1 mt cỏt thit thiết bị SSM.

Trung tõm Hc liu H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu
Hỡnh 2.1.3.1. H thng mỏy tớnh
2.1.3.2. n v qun lý d liu (DMU)
DMU liên kết với máy tính. Nó mã hóa dữ liệu và gi tin thông báo tới những
đơn vị kính thiên văn đợc chọn. DMU nhận và giải mã tất cả các lệnh đầu vào, rồi
truyền lệnh xử lý c thc hin. DMU nhận dữ liệu khoa học t nhng n v SIC v
DH. Dữ liệu kỹ thut, gồm tình trạng sensor và phần cứng (nh nhiệt độ hoặc điện áp),
đến từ mỗi hệ thống kớnh thiờn vn. Dữ liệu có thể đợc cất giữ trong những máy ghi
dữ liệu.
2.1.3.3 Bn b phn giao din d liu (DIU)
Bốn DIUs cung cấp một lệnh và nối dữ liệu giữa DMS và hp điện tử kính thiên
văn. DIUs nhận những lệnh và dữ liệu của DMU và chuyển dữ liệu hoặc thông tin tr
v DMU. OTA DIU đợc định vị trong OTA. Mỗi DIU cú kớch thc 38 x 41 x 18 cm
and nng 16 kg.
2.1.1.4 Ba mỏy ghi d liu khoa hc, cụng ngh
DMS bao gồm ba máy ghi dữ liệu kỹ thut hoặc dữ liệu mà không thể truyền tới
mt t nền. Những máy ghi đợc định vị trong mt ct thit b ti phn 5, 8 v ct gi
12 t bit thụng tin. Hai máy ghi đợc sử dụng trong những thao tác bình thờng. Cỏi
th ba dựng sao chộp, lu tr d liu. Mỗi máy ghi cú kớch thc 30 x 23 x 18 cm v
nng 9 kg.
SVTH: Nguyn Bỏ Thnh


Hỡnh 2.1.5b: Mt ct bn pin ca Hubble

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

17

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.1.6. H iều khiển dụng cụ khoa hc v ơn vị xut dữ liệu (SIC&DH )
SIC&DH giữ cho tất cả hệ thống dụng cụ khoa học đồng bộ hóa. Nó làm việc
với DMU để xử lý, định dạng, cất giữ tạm thời dữ liệu trờn những máy ghi, hoặc truyền
tất cả dữ liệu khoa học và kỹ thut v mt t. SIC&DH là một tập hợp những thit b
điện tử gán ti phn 10 trong thiết bị SSM.
2.1.6.1. Cu to
Thnh phn ca SIC&DH gm cú: Máy tính tàu vũ trụ ca NASA (NASA
Standard Spacecraft Computer - NSCC-I), hai mạch giao diện cho máy tính, hai bộ
phận điều khiển/những đơn vị nh dng dữ liệu khoa học, hai CPU, một PCU, hai
RIU, và nhiều b nh dữ liệu.
Máy tính NASA
NSSC-I gm một CPU và tám b nh, mi b nh giữ 8192 ký t tám bít. Một
phần mềm chạy máy tính. Nó di chuyển dữ liệu, những cõu lệnh, và thao tác chng
trình (gọi những ứng dụng) cho những dụng cụ khoa học riêng lẻ trong và truyn ra
đơn vị xử lý. B nh cất giữ những lệnh thao tác thực hiện khi kính thiên văn không
thc hin lnh t mt t. Mỗi đơn vị b nh có năm vùng dựng lu trữ những cõu
lệnh và những chơng trình duy nhất tới mỗi dụng cụ khoa học.

Ngun iu khin (PCU)
PCU phân phối và chuyển đổi nng lng giữa những thành phần của SIC&DH.
Ví dụ: Những bảng b nh máy tính c cung cp in ỏp +5 vôn, -5 vôn, và +12
vôn.
Bộ phận giao diện từ xa (RIU)
RIUs truyền những cõu lệnh, những tín hiệu hệ thống v dữ liệu kỹ thut giữa
cỏc thit b khoa học và SIC&DH. RIUs không gửi dữ liệu khoa học. Có sáu RIUs
trong kính thiên văn : năm gn cho những thit b khoa học và một dành cho CU/SDF
và PCUs trong SIC&DH.
2.1.6.2 Vn hnh
SIC&DH điều khiển hệ thống dụng cụ theo dõi, xử lý cõu lệnh và xử lý dữ liệu.
Hệ thống theo dõi
những khong thi gian thụng thờng, thay đổi từ 500ms đến 40s, SIC&DH
quét tất cả các thiết bị thiết kế những dữ liệu và chuyển dữ liệu qua tới NSCC-I hoặc
máy tính SSM.

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

18

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

Xử lý cõu lệnh
Những lệnh vào CU/SDF xuyên qua SSM Command DIU hoặc DIU. CU/SDF
kiểm tra và định dng lại những lệnh rồi đi tới RIUs hoặc NSCC-I lu gi v ct gi

xy rahc
trctp
khi v
thcnghiờn
hin Servicing
Mission 3A. Nguyờn nhõn l bờn trong 3 con quay hi chuyn cn c thay th, vi
si dõy rt mng ó b n mũn.

Hỡnh 2.1.7: Mt sensor gn hai con quay hi chuyn

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

19

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Lun vn tt nghip

Ngnh SP Vt Lớ

2.2. H kớnh thiờn vn quang hc (OTA)
OTA gm kớnh vin vng ln tiờu c 57,6 m gn vi kớnh vin vng nh tiờu
c 6,4 m, cả hai gơng cú dạng hyperbol. Vài gơng nhỏ hơn trong những khoa học
đợc thiết kế tng tự dẫn đờng ỏnh sỏng vo bên trong thit b khoa học.

Hỡnh 2.2a: Minh ha ỏnh sỏng i vo Hubble
Hệ thống này là một thiết kế Ritchey - Chretien vi hai gng tập trung hình
ảnh vi th trng ln nht cú th.
nh sỏng i vo ca ng kớnh Hubble v i thng xung vỏch ngn chớnh, vỏch


21

GVHD: ThS. Lê Văn Nhạn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

Hình liệu
2.3b: ĐH
Các thiết
với các@
cổng
tại mặt
tâm
Trung tâm Học
Cầnbị Thơ
Tàivàoliệu
họcphẳng
tập trung
và nghiên
cứu
2.3.1. Camera khảo sát (ACS)
Camera khảo sát thuộc thế hệ thứ ba, được thiết đặt trong viễn kính không gian
Hubble trong thời gian thực hiện sứ mệnh 3B (Servicing Mission 3B) bằng tàu con
thoi Columbia lúc 6h22 ngày 07/03/2007.
Mục đích chính của nó là làm tăng hiệu quả khám phá tạo ảnh 10 lần cho HST
gấp, với sự kết hợp giữa hệ thống máy tách sóng và hiệu ứng lượng tử vượt trội hơn

Ngoài
ra, liệu
máy tan
máyThơ
đo phân
chohọc
ACS tập
trở thành
thiết bị đacứu
năng
và mạnh mẽ. Camªra ACS cã cöa chíp tèc độ cao; thËm chÝ thêi gian phơi sáng ng¾n
nhÊt cũng không ảnh hưởng đáng kể đến thời gian hoạt động của cöa chíp.
ACS là một dụng cụ đa năng có phạm vi bước sóng mở rộng từ tử ngoại, ánh
sáng khả kiến đến hồng ngoại gần.
Ba chức năng chính của ACS:
- Tạo hình ảnh rộng, sâu từ ánh sáng khả kiến đến bước sóng hồng ngoại gần.
- Tạo hình ảnh có độ phân giải cao từ tử ngoại gần đến sóng hồng ngoại dài.
- Tạo hình ảnh tử ngoại không rõ ràng của mặt trời
Đây là những con mắt của Hubble dùng để săn lùng những cụm thiên hà và
thiên hà cổ xưa hoặc rất xa trong khi thiên hà của chúng ta còn rất trẻ.
ACS có ba kênh (3 camera) cho những mục đích đặt biệt:
- Kênh băng thông rộng (WFC): thị trường 202 x 202 arcsecond với bước sóng
từ 3500 Å đến 11000 Å với năng suất đỉnh khoảng 48%. Độ phân giải 0,05
arcseconds/điểm tại bước sóng 11600 Å.
- Kênh phân giải cao (HRC): thị trường 29 x 26 arcsecond từ 1700 Å đến 11000
Å với năng suất đỉnh khoảng 29%. Độ phân giải 0,027 arcseconds/điểm tại bước sóng
6300 Å. Nó dùng để chụp những hình ảnh (phân giải cao) của ánh sáng từ trung tâm
của các thiên hà với những lỗ đen không lồ cũng như các thiên hà bình thường, những
đám sao, những tinh vân, … bị che khuất.
- Kênh nhận trực tiếp ánh sáng mặt trời (): thị trường 34,6 x 30,5 arcsecond từ

tớch np ln (vài nghìn điện tử), mất một ít điện tử không phải là một sai s ln, nhng
vi những tín hiệu nhỏ (khong 100 e- hoặc ít hơn), nó có thể có một hiệu ứng thật.
CTE ợc đo tiờu biu nh một điểm hiệu ng di chuyển và c đồng nhất nh một
CCD hoàn hảo.

Trung tõm
Hc
liu
H Cn Th @ Ti liu hc tp v nghiờn cu
Cỏch
thit
k ACS
Cỏch thit k ACS hp nht hai kờnh quang hc chớnh: mt cho WFC, mt
dựng chung cho HRC v SBC.

SVTH: Nguyn Bỏ Thnh

24

GVHD: ThS. Lờ Vn Nhn


Luận văn tốt nghiệp

Ngành SP Vật Lí

Trung tâm Học
liệu
ĐHThiết
CầnkếThơ