Giáo trình vật lý thiên văn 0 DỤC VIỆT NAM NGUYỄN ĐÌNH NOÃN (Chủ biên) NGUYỄN ĐÌNH HUÂN PHAN VÀN ĐỒNG NGUYỀN QUỲNH LAN GIÁO TRÌNH VẬT LÝ THIÊN VẪN (T á i bán làn th ú n hất) N H À X U Ấ T B Ả N G I Á[.]
0 DỤC VIỆT NAM NGUYỄN ĐÌNH NỖN (Chủ biên) NGUYỄN ĐÌNH HUÂN - PHAN VÀN ĐỒNG - NGUYỀN QUỲNH LAN GIÁO TRÌNH VẬT LÝ THIÊN VẪN (Tái bán th ú nhất) N H À X U Ấ T B Ả N G IÁ O D U C V IÊ T N A M LỜI NĨI Đấu Mơn Thiên văn giảng dạy ỏ trường Đ ại học Sư phạm Cuốn "Giáo trình thiên văn" cùa tác giả Phạm V iết Trinh Nguyễn Đình Nỗn đă Hội đồng thẩm định sách Bộ G iáo dục Đ tạo giới thiệu làm sách dùng chung cho trường Đ ại học Sư phạm Tuy nhiên, sách biên soạn vào thập kỷ 70 th ế kỷ trước nên nhiều nội dung chưa cập nhật với thành tựu Thiên văn học Thiên văn vật lý Hơn nữa, theo chương trình mới, mơn Thiên văn cịn đưa vào chương trình C ao đẳng Sư phạm số tiết chương trình trung học phổ thơng định luật K epler chuyển động hành tinh, cấu tạo chuyển động Hệ M ặt Trời, tiến hoá sao, Ngân hà Thiên hà, thuyết Big B a n g Vì vậy, N hà xuất G iáo dục tổ chức biên soạn giáo trình V ậ t lý thiên vãn Trong trình biên soạn tác giả cố gắng cập nhật thành tựu số liệu V ậ t lý thiên văn cuối kỷ X X đầu kỷ X X I, đồng thời bám sát yêu cầu đổi việc học tập giảng dạy trường Sư phạm Trong q trình biên soạn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Kính mong nghiệp độc già góp ý kiến Mọi ý kiến đóng góp xin gửi Công ty c ổ phần Sách Đại học - Dạy nghề, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội Xin chân thành cảm ơn CÁC TÁC GIẢ PHẨN MỞ ĐẦU I - ĐỐI TƯỢNG VÀ NỘI DUNG Thiên văn học ngành khoa học đòi sớm lịch sử nhân loại, cách khoảng ngàn năm Do nhu cầu dự báo nước lũ sông Nin, tu sĩ Ai Cập qua quan sát bầu trời thấy rằng, Thiên Lang xuất buổi sáng vài tháng sau có lũ lớn Do đó, Các Mác đả rằng: "Sự cần thiết phải tính chu kỳ nước sơng Nin lên xuống mà ngành thiên văn đòi tu sĩ Ai Cập trở thành người đạo canh tác" Ở Á Đông, cách 4500 năm, người ta quan sát thiên văn để đặt âm lịch có chu kỳ 60 năm Hiện nay, lịch dùng chu kỳ thứ 77 Thiên vàn học sử dụng cơng cụ Tốn học thành tựu ngành khoa học tự nhiên, đặc biệt vật lý học để nghiên cứu chuyển động, chất vật lý, thành phần hố học, q trình phát sinh, phát triển thiên thể hệ thiên thể Mặt Trời, Mặt Trảng, hành tinh (kể Trái Đất), vệ tinh, sao, thiên hà vũ trụ nói chung n - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN c ứ u Trước Galileo dùng kính thiên văn (1609), nhà thiên văn quan sát mắt để mô tả đo cung dịch chuyển thiên thể bầu trời nhằm nghiên cứu chuyển động chúng Trong kỷ XVII, XVIII XIX, nhờ phát triển Vật lý học, phương pháp quan trắc đo lượng xạ thiên thể, nhờ phương pháp quang phổ mà biết cấu tạo hoá học nhiệt độ thiên thể Năm 1868 ngưòi ta phát vạch quang phổ nguyên tố quan trọng quang phổ Mặt Tròi mà chưa hể thấy nguyên tố Trái Đất Đó hêli (theo tiếng latinh, helio Mặt Trời), đến năm 1897 tìm thấy hêli Trái Đất Nhờ định luật vạn vật hấp dẫn I Newton toán học, ngành học thiên thể phát triển thu thành tựu kỳ diệu nhữ tìm Hải Vương tinh Vị trí Hải Vương tinh xác định tính tốn lý thuyết, hành tinh không thê quan sát mắt thường mà nhìn thấy qua kính thiên văn Vào thê kỷ XX, kính thiên văn vơ tun đời, cho phép ta quan sát thiên thể mà khơng phụ thuộc vào thịi tiêt Trong thập kỷ cuối thê kỷ XX, trạm vũ trụ bay quanh Trái Đât có người điều khiển, kính thiên văn vũ trụ Hubble phát nhiều đối tượng thiên văn xa nhỏ mà Trái Đất quan sát Việc cho người đổ lên Mặt Trăng, phóng trạm tự động lên hành tinh làm cho ngành khoa học thiên văn có thêm khả nghiên cứu có tính chất thực nghiệm III- Ý NGHĨA VÀ VAI TRÒ CỦA THIÊN VĂN HỌC Ở nước ta văn minh cổ đại thê giới, thiên văn học địi sớm Trên trơng đồng Ngọc Lũ có hình tượng thiên văn Thiên văn đo lưòng nghiên cứu phương pháp xác định phướng hướng, xác định thòi gian toạ độ địa lý để xây dựng mạng lưới trắc địa nhà nước lập đồ phục vụ cho nhiều ngành kinh tế quốc phòng Trước năm 60 kỷ XX, việc xác định thời gian xác để có chuẩn tần sơ" xác cần đến phép đo thiên văn Cơ sở hệ thơng tính thời gian dài việc làm lịch hàng năm dựa vào chu kỳ nghiên cứu thiên văn học Việc dự báo nước thuỷ triều, xác định gia tốc trọng trường điểm khác mặt đất phục vụ cho việc nghiên cứu cấu tạo bên lòng đất để thăm dò khống sản, dầu khí cần đến tri thức thiên văn Thiên văn hàng hải, thiên văn hàng không phục vụ cho việc lại biển bầu tròi Việc sử dụng thiên thể nhân tạo (vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ, trạm tự động ) phục vụ cho kinh tế qc phịng, phải sử dụng tư liệu nghiên cứu thiên văn Thiên văn vật lý giúp ngưòi hiểu biết dạng tồn vật chất vũ trụ Có trạng thái vật chất vũ trụ mà không thê thực phịng thí nghiệm mặt đất Các kêt nghiên cứu thiên văn vật lý thúc đẩy ngành khoa học khác phát triên học, vật lý, hoá học, sinh học Việc nghiên cứu phản ứng hạt nhân lòng Mặt Trời sao, việc nghiên cứu tiến hoá gợi mỏ nhiều vấn đề vật lý hạt nhân hạt Các kiến thức kết nghiên cứu Thiên văn có ý nghĩa to lớn việc xây dựng giới quan vật biện chứng, phê phán quan niệm tâm thần bí loại trừ mê tín dị đoan Đặc biệt ngày nay, khoa học công nghệ vũ trụ phát triển, thiên văn học có vai trị quan trọng Chính có tác dụng nhiều mặt đến sống nên đòi sớm thiên văn học ngày mũi nhọn khoa học đại Ỏng cha ta sớm nhận thức: thiên địa tinh thông Các triều đại phong kiến Việt Nam có quan khảo cứu thiên văn lịch pháp: Đời Lý có Lầu Chính dương để xem giị, đời Trần có Thái Sử cục, đời Lê có Thái Sử viện, đời Lê Trung Hưng có Tư Thiên giám, đời Nguyễn có Khâm Thiên giám Trước cách mạng tháng năm 1940, nưóc ta có đài thiên văn Phủ Liễn (Kiến An, Hải Phòng) Sau cách mạng tháng , tinh giản chương trình nên trường trung học môn thiên văn không giảng dạy cách liên tục rộng khắp Ngày 22 tháng năm 1993, Hội Thiên văn Vũ trụ Việt Nam thành lập, với giúp đỡ Hội Thiên văn Quốic tế, trường đại học tổ chức Thiên văn giới, việc giảng dạy Thiên văn phát triển Các trường đại học sư phạm có cán giảng dạy thiên văn Nhiều trang thiết bị thiên văn lắp đặt: kính thiên văn, nhà chiếu hình vũ trụ thiết bị nghe nhìn phục vụ cho cơng tác giảng dạy học tập thiên văn Chương trình thiên văn đưa vào trường cao đẳng sư phạm Trong chương trình vật lý trường trung học phổ thơng có số tiết vật lý thiên văn Ngày 19/04/2008 nước ta phóng vệ tinh nhân tạo VINASAT-1 Hy vọng rằng, thiên văn học có vị trí xứng đáng để phát huy tác dụng cơng cơng nghiệp hố, đại hố đất nước, Việt Nam hồ nhập với trình độ phát triển khoa học nưóc khu vực giới PHẦN THỨ NHẤT HỆ MẶT TRỜI Chương I DỘNG Lực Hi• m ặt • • HỌC • • trời I- HỆ MẶT TRÒI TRONG v ũ TRỤ Trong vũ trụ, Mặt Tròi ngơi phát sáng cỡ trung bình, khác có khơi lượng cỡ từ 0,01 đến 100 lần khơi lượng Mặt Trời Mặt Trịi sơ" tạo nên thiên hà Quanh Mặt Trịi có hành tinh quanh hành tinh có vệ tinh chuyển động Hành tinh, vệ tinh thiên thê không tự phát sáng Trái Đất hành tinh Mặt Trời Mặt Trăng vệ tinh Trái Đất Cách 2000 năm, nhà Thiên văn cho Mặt Trời, Mặt Trăng, hành tinh tạo nên hệ riêng, gọi lằ Hệ Mặt Tròi rút đặc điểm chuyển động nhìn thấy chúng sau: - Mặt Trời, Mặt Trăng dịch chuyển theo chiều từ tây sang đông (chiều thuận) - Các hành tinh chuyển động theo chiều thuận, có chuyển động ngược lại, quỹ đạo bầu trời đường nút — —Thuỷ tinh Kim tinh dao động quanh Mặt Tròi với biên độ cực đại tương ứng 28° 48° — Mặt Trời, Mặt Trăng, hành tinh chuyển dịch gần Hình 1.1 Quỹ đạo đường nút mặt phẳng hành tinh II- CÁC MƠ HÌNH VỂ HỆ MẶT TRỜI Thiên văn thời cổ đại - Mơ hình địa tâm Vào khoảng thê kỷ thứ II, nhà Thiên văn quan sát hành tinh: Thuỷ tinh (Mercury), Kim tinh (Vernus), Hoả tinh (Mars), Mộc tinh (Jupiter) Thổ tinh (Saturn) Năm 125 (sau CN), c Ptolemy, nhằ Thiên văn ngưòi Hy Lạp đưa phác thảo mơ hình vũ trụ địa tâm sở quan sát thiên văn thời giò sau: - Trái Đất trung tâm vũ trụ —Vũ trụ bị giới hạn mặt cầu chứa cô định —Mặt Trời, Mặt Trăng chuyển động quỹ đạo trịn với vận tốc khơng đồi, với chu kỳ lớn chu kỳ nhật động - Các hành tinh chuyển động vởi tốc độ không đổi vòng tròn nhỏ (vòng ngoại luân) Tâm vòng ngoại luân chuyên động quỹ đạo tròn (vịng đạo) xung quanh Trái Đất — Tâm vịng ngoại luân hành tinh (Kim tinh Thuỷ tinh) nằm đường nối tâm Mặt Tròi Trái Đất - Các thiên thể quay xung quanh Trái Đất, theo thứ tự xa dần Trái Đất là: Mặt Trăng, Thuỷ tinh Kim tinh, Mặt Trời, Hoả tinh, Mộc tinh Thổ tinh (Ị ẫ ỳ ỳ ỳ ỳ Ặ ỳ H ình 1.2 Mơ hình địa tâm Ptolemy T ngoài: T rá i Đ ấ t, M ặ t T răn g, Thuỳ tinh, Kim tinh, M ặt Trời, H oả tinh, M ộc tinh, T h ổ tinh m ặt cầu chứa Mơ hình địa tâm Ptolemy giải thích quan sát thiên văn với độ xác thời giị Khi độ xác phương pháp phương tiện quan trắc thiên văn tăng lên Mơ hình địa tâm bổ sung, phức tạp khơng thể giải thích nổi, tình trạng bế tắc phải kéo dài vịng 1.300 năm Thiên văn học lúc dẫm chân chỗ H ình 1.3 Ptolemy cho dến kỳ XVI9 Thiên văn thời trung cổ - Mơ hình nhật tâm Quan sát phân tích số liệu quan trắc chuyển động thiên thể, năm 1543, vào nâm cuôi đơi ông, Nicholas Copernicus (1473 - 1543), nhà thiên văn học người Ba Lan đưa mơ hình nhật tâm sau: - Mặt Tròi nằm yên trung tâm vũ trụ - Các hành tinh chuyển động xung quanh Mặt Trời quỹ đạo tròn chiều - Trái Đất quay xung quanh trục chuyển động quanh Mặt Tròi - Mặt Trăng chuyển động quỹ đạo tròn quanh Trái Đất - Các hành tinh, kể theo thứ tự tăng dần từ Mặt Tròi là: Thuỷ tinh, Kim tinh, Trái Đất, Hoả tinh, Mộc tinh Thổ tinh - Các xa cố định thiên cầu Hình 1.4 Mơ hình nhật tâm: Mặt Trời, hành tinh vịng ngồi: Thuỷ tinh, Kim tinh, Trái Đât có Mặt Trăng quay xung quanh, Hoả tinh, Mộc tinh Thổ tinh Mơ hình nhật tâm giải thích chuyển động nhìn thấy thiên thê, tính tốn chu kỳ chuyển động hành tinh khoảng cách cua chúng đên Mặt Trịi Mơ hình nhật tâm mở đường cho tiến triển cua khoa học lại bị giáo lý nhà thò chống đối đối lập với tiên đê kinh thánh Các nhà khoa học J Bruno, Kepler, Galileo ung hộ quan điêm đắn mơ hình nhật tâm Copernicus 10 Cuối kỷ XVI, nhà triết học chân Bruno (Italia) cho vũ trụ, Mặt Tròi, xung quanh có hành tinh Vũ trụ có sơng thiên thể khác Bruno bị kết án tội phản nghịch bị giai cấp thống trị thiêu sông vào nàm 1600 Rôma Không lâu sau Copernicus qua đời, T Brahe (1546 —1601), nhà Thiên văn ngưòi Đan Mạch thực loạt quan sát Hoả Hình 1.5 Nicholas Copernicus tinh hành tinh khác (1473 - 1543) vịng 20 năm Năm 1597, ơng chuyển đến làm việc Praha năm cuôi địi ơng làm việc ngưịi trợ lý đắc ^ực, người học trò tài ba J Kepler III- QUY LUẬT CHUYỂN ĐỘNG CỬA CÁC HÀNH TINH TRONG HỆ MẶT TRỜI Nguồn gốc Thiên văn đại - Các định luật Kepler Dựa sô" liệu quan trắc T Brahe số liệu mình, J Kepler (1571 — 1630), nhà Tốn học ngưòi Đức phát minh định luật tiếng chuyển động hành tinh: !" VN\r> HUM * jù r \ Iv.u ìnto^vn —Định luật 1, (1609) Các hành tinh chuyển động trên quỹ đạo elip, Mặt Trời tiêu điểm — Định luật 2, (1609) Bán kính vectơ hành tinh quét diện tích khoảng thời gian Hình 1.6 Kepler (1571-1630) 11