Tìm hiểu và quan sát qua kính thiên Takahashi

Tìm hiểu và quan sát qua kính thiên Takahashi

Bà kể Tuy nhiên Bà không thể giải thích được vì sao lại như thế, kể từ đó em luôn muốn mình trở thành một người biết thật nhiều chuyện, có thật nhiều kiến thức và giải thích được tất cả các sự vật hiện tượng trên thế giới Đến khi lớn lên tí nữa, đi dưới ánh nắng Mặt trời hay dưới ánh trăng em lại đặt ra câu hỏi: Tại sao Mặt trăng

và Mặt trời lại đi theo mình khi mình đi nhỉ? Và nó cũng sẽ dừng lại khi mình không đi nữa? Tại sao ban đêm lại có trăng và sao nhưng ban ngày lại không có? Đến những năm bước vào cấp II, khi được làm quen với nhiều môn khoa học tự nhiên mới thì Vật lý là môn đã để lại trong em niềm đam mê và thích học hỏi nhiều nhất vì nó giải thích được nhiều hiện tượng trong tự nhiên ví dụ như là: Tại sao khi chúng ta mặc nhiều áo mỏng lại ấm hơn khi mặc một chiếc áo dày? Tại sao khi chải đầu chiếc lược lại bị nhiễm điện? Tại sao lại xuất hiện cầu vòng sau mỗi cơn mưa? ….Niềm đam mê đó nó không dừng lại mà tiếp tục lớn theo em Tiếp tục học phổ thông, với nhiều định luật và lý thuyết mới những câu hỏi đó đã lần lượt được giải đáp nhưng chính sự thích tìm tòi, thích học hỏi, thích chinh phục những cái mới mà con người chúng ta không dễ gì bằng lòng với những gì mình đã có và

đã biết Thế giới vốn muôn màu và muôn vẽ, khoa học ngày càng phát triển nên khi chấm dứt tuổi học trò em vẫn mang trong mình nhiều câu hỏi tại sao? Chính vì lẽ đó

2

mà em đã đến với ngành sư phạm Vật lý, mong rằng mình có thể đem lại thật nhiều, thật nhiều điều thú vị cho học sinh

Sự phát triển của khoa học, kỹ thuật và công nghệ không chờ đợi một ai, nó

mở ra một kỷ nguyên mới cho loài người Vật lý học cũng phát triển như vũ bảo, thiên văn học cũng tiến lên một bước mới, lĩnh vực “Thiên văn cao không” bước vào giai đoạn phát triển rực rỡ, nhiệm vụ của nó là nghiên cứu tất cả các hiện tượng trên trên bầu trời đi từ thế giới vi mô đến siêu vĩ mô và giải quyết tất cả các vấn đề

bí ẩn của thiên văn Vật lý, nó trở thành một trong những ngành mũi nhọn của khoa học hiện đại Tuy nhiên đây là một môn học còn mới đối với nước ta, vì nó đòi hỏi phải có sự quan sát thực tế, với trang thiết bị dụng cụ thiên văn hiện đại… mà nước

ta thì không đủ điều kiện để phát triển rộng rải Chính vì vậy, môn học này chưa thể đưa vào chương trình phổ thông, nó chỉ được đưa vào một số trường đại học sư phạm nhằm giúp giáo viên nghiên cứu khoa học và giảng dạy cho sinh viên, tuy nhiên chỉ ở mức độ bắt đầu với thời lượng rất ít ỏi, tài liệu sách vở lại nghèo nàn Năm IV đại học khi đến với môn học này em lại có thêm cơ hội để tìm hiểu

về thế giới huyền bí nhưng nó rất gần gũi với chúng ta: Nguyên nhân nào để Mặt trời chiếu sáng? Sự vận động vật chất bên trong Mặt trời ra sao? Sự hình thành, phát triển và cái chết của Ngôi sao diễn ra như thế nào? Lý thuyết về Vũ trụ hiện đại là gì?… Chính vì điều đó, khi được làm luận văn em quyết định chọn đề tài nghiên cứu về THIÊN VĂN HỌC nhằm có cơ hội tìm hiểu và khám phá sâu hơn, nhiều hơn chủ đề mà mình yêu thích Đồng thời qua đó góp một phần lý thuyết đã tổng hợp và nghiên cứu cho những ai thích thú và đam mê về chủ đề này Nhưng chỉ trong một khoảng thời gian rất ngắn em không thể tìm hiểu, giới thiệu, tổng kết và quan sát hết tất cả những điều huyền bí của bầu trời được cho nên sự lựa chọn cuối cùng của em là chỉ nghiên cứu một phần nhỏ trong thế giới huyền bí đó, Ngôi sao gần chúng ta nhất luôn luôn chiếu sáng: “Mặt trời” với đề tài MẶT TRỜI: TÌM HIỂU VÀ QUAN SÁT QUA KÍNH THIÊN TAKAHASHI như một cơ hội để mình học tập và nghiên cứu

Mặc dù là đề tài yêu thích, với sự nổ lực rất lớn của bản trong việc tìm kiếm

và thu thập tài liệu thêm nữa là sự tận tình, chu đáo của Thầy hướng dẫn nhưng trong khoảng thời gian rất ngắn, đề tài lại mang tính rộng lớn mà lượng kiến thức của em thì còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai xót và hạn chế Vì vậy em rất mong được sự góp ý của hội đồng xét duyệt, của quý thầy cô và ý kiến của các bạn đọc để luận văn ngày càng được hoàn thiện hơn Những kinh nghiệm quý báo

đó là hành trang để em tiếp tục phát huy và sáng tạo hơn nữa trên con đường sự nghiệp sau này của mình

Phương pháp nghiên cứu

• Nghiên cứu lí luận:

Đọc và xử lí thông tin từ sách, báo, wesite, các luận văn tốt nghiệp… có liên quan đến đề tài

Trao đổi, xin ý kiến của GVHD để hoàn thiện và kiểm tra tính chính xác của lý thuyết

• Thực hành:

Tiến hành quan sát Mặt trời vào các ngày khác nhau và trong những khoảng thời gian khác nhau, lưu lại hình ảnh đã quan sát để kiểm chứng lý thuyết và so sánh với kết quả đã tìm được từ trước

Lấy và đo các giá trị quang học khi cho Mặt trời qua hệ thấu kính của kính thiên văn TAKAHASHI

4

Sử dụng phương pháp giải toán Vật lý để xử lý số liệu vừa thu được từ thực nghiệm từ đó tính lại kích thước của bán kính Mặt trời

Kết quả đạt được

• Lí luận: Qua việc tìm kiếm, đọc, tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn tại liệu

khác nhau sau đó trình bày thành nội dung của luận văn này trong luận văn đã đề cập đến những vấn đề sau:

Trình bày những đặc tính cũng như những đặc điểm chung của tất cả các vì sao trên bầu trời

+ Cấu tạo chung của các Ngôi sao

+ Các đại lượng đặc trưng cho một Ngôi sao như: Cấp sao, độ trưng, màu sắc và nhiệt độ

+ Cuộc đời của Ngôi sao: Quá trình được sinh ra, phát triển rồi già đi, sau đó là cái chết của nó Từ khi mới sinh ra cho đến khi chết đi nó nó trải qua một chặng đường dài với nhiều biến đổi, thời gian của chặng đường đó thì phụ thuộc vào khối lượng của chúng

Sau đó là tìm hiểu chi tiết về Ngôi sao đã mang đến sự sống cho toàn nhân loại và gần loài người chúng ta nhất đó là Mặt trời:

+ Các loại quỹ đạo chuyển động của Mặt trời

+ Sự tiến hóa của Mặt trời, cấu trúc của nó cũng như những ảnh hưởng

do nó gây ra đối với Trái đất của chúng ta

+ Giải thích được câu hỏi tại sao Mặt trời lại luôn tỏa sáng? Nguyên nhân tại đâu? và thời gian là bao lâu?

+ Đặc biệt hơn là: Có thể quan sát được những vết đen trên bề mặt của Mặt trời, sự xuất hiện của những vết đen này có liên quan đến sự hoạt động của Mặt trời, và nó diễn ra luôn theo chu kỳ trùng với chu kỳ hoạt động của Mặt trời

5

• Thực tiễn:

Nắm được cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của kính thiên văn, biết được rằng muốn tạo ra một chiếc kính thiên văn không phải là khó nhưng để sử dụng được và quan sát Mặt trời sao cho tốt thì không hề đơn giản

Biết cách điều chỉnh và sử dụng kính thiên văn TAKAHASHI để quan sát Mặt trời

Chụp được ảnh của Mặt trời qua kính thiên văn, qua so sánh và nhận xét rút

ra kết luận rằng: Hầu như những bức ảnh chụp được hoàn toàn giống với những bức ảnh mà các đài thiên văn lớn đã chụp được Từ những bức ảnh chụp được đó đã giúp chúng ta nhìn thấy được vết đen trên Mặt trời, cũng như biết được nó luôn luôn chuyển động trên quang cầu Như vậy từ thực nghiệm đã giúp chúng ta khẳng định được kiến thức lý thuyết đã học, Mặt trời chuyển động quanh trục của nó (theo kết luận của Galile – người đầu tiên quan sát vết đen Mặt trời vào năm 1609)

Tính được bán kính của Mặt trời và chỉ số vết đen của Mặt trời

Sử dụng phần mền AutoCAD để xác định tọa độ của các vết đen Mặt trời từ một số hình ảnh chụp được từ ngày 01/03/10 đến 04/04/10 của các đài thiên văn, qua đó vẽ trên một hệ trục tọa độ đồ thị thể hiện quỹ đạo chuyển động của vết đen Mặt trời

về Ngôi sao, một quan điểm thể hiện quan niệm sống, một lượng tri thức mà loài người chiếm lỉnh được vào thời điểm đó Có một số người nhìn nhận Ngôi sao bằng ánh mắt thần linh, đôi khi họ còn gắn với các vị thần; có người lại xem nó như những chiếc đinh bạc, đẹp và quý hiếm được gắn trên bầu trời đêm; có người lại cho rằng đó là những lỗ thủng để ánh trời lọt qua và truyền đến chúng ta

Chính vì vậy mà ở thời này các Ngôi sao được coi là vừa mang tính bất biến vừa mang tính bất khả tri (không nhận biết được) Cho nên, người Ai Cập cổ đại cho rằng khi con người đoán ra được bí ẩn của các Ngôi sao thì sẽ đến ngày tận thế, còn một số dân tộc khác cho rằng đời sống trên Trái đất sẽ chấm dứt ngay khi chòm sao Chó săn đuổi kịp Gấu lớn Như vậy theo họ bên cạnh mọi sự việc luôn luôn đổi thay thì vẫn còn một thứ là bất biến với thời gian, chính là các Ngôi sao và họ nghĩ rằng những biến đổi của Ngôi sao thì luôn gắn liền với một sự kiện nào đó sẽ xảy

ra trong Vũ trụ

+ Theo kinh thánh cho rằng: Một Ngôi sao bừng sáng là dấu hiệu cho sự

ra đời của chúa Giêxu, còn một Ngôi sao khác xuất hiện sẽ là dấu hiệu cho ngày tận thế đã đến

7

+ Các nhà chiêm tinh thì cho rằng: Một Ngôi sao sẽ định đoạt số phận của một con người riêng lẻ hay môt quốc gia nào đó Nhưng nó sẽ không định đoạt một cách tuyệt đối, nó chỉ khuyên ta chứ không ra lệnh cho ta

Antoine de Saint – Exupéry là người đầu tiên cho rằng các Ngôi sao không phải là những tinh tú lãng mạn như mọi người vẫn nghĩ từ trước đến nay, Ông xem

nó như những vật thể và phải dựa vào các định luật tự nhiên mới giải thích được nó Đến người Hy Lạp cổ đại họ đã nhận biết được rằng: Các Ngôi sao có sự thay đổi

về độ sáng (sau này gọi là sao biến quang) Các nhà khoa học thời cận đại cũng cho rằng: Những sự thay đổi đó mang tính chất ít nhiều khác nhau, và rất nhiều các Ngôi sao xảy ra hiện tượng này Cho nên đến thời cận đại mà các Ngôi sao vẫn được coi là bất động và người ta gọi đó là những định tinh

Đến năm 1718 nhà thiên văn học Edmond Halley (1652 – 1742) người Anh

đã phát hiện ra 3 Ngôi sao: Sirius, Procyon, Arcturus dịch chuyển chậm chạp so với các Ngôi sao khác Đến cuối thế kỷ XIX, cũng một nhà thiên văn người Anh khác Uyliam Hecsen cho rằng: Tất cả các Ngôi sao đều phát ra một lượng ánh sáng là như nhau nhưng khi đến Trái đất có sự khác nhau là do khoảng cách của chúng đến Trái đất là khác nhau, nhưng khẳng định này của ông không còn đúng nữa vào năm

1837 khi người ta đo được khoảng cách từ các Ngôi sao đến Trái đất

Những hạn chế dẫn đến những kết luận sai lầm của các nhà thiên văn là do: Tầm nhìn đến các Ngôi sao của con người chúng ta còn rất hạn hẹp, chúng ta chỉ nhìn thấy các Ngôi sao ở gần khoảng vài parsec mà thôi (1ps =3,26 light year

=30.109 Km = 206265 đvtv), còn thế giới sao huyền bí và đa dạng thì đã bị che khuất

Cho đến khi các dụng cụ thiên văn đầu tiên ra đời thì câu hỏi “Ngôi sao là gì?” mới được mới hiện lên đầy đủ trước mắt các nhà khoa học Nhưng ban đầu câu trả lời này chỉ để trả lời cho Ngôi sao ở gần chúng ta nhất đó là Mặt trời Mặc dù ngành thiên văn đã bắt đầu hình thành và phát triển nhưng những quan niệm cũ vốn

đã ăn sâu vào trong mỗi con người nên không dễ dàng xóa bỏ triệt để các quan niện

đó trong một lúc được Chính vì vậy mà người Hy Lạp cổ đại đã gắn Mặt trời với

+ Sau đó người ta đưa ra giả thuyết Mặt trời là những ngọn lửa cháy được và phát ra năng lượng nhờ vào các phản ứng hóa học Nhưng giả thuyết này cũng không tồn tại được lâu vì theo số liệu của các nhà địa chất cho biết Trái đất đã hình thành lâu hơn nhiều so với thời gian phát ra năng lượng của Mặt trời

+ Vào năm 1953 nhà thiên văn người Đức H L F von Helmholtz cũng

đã đưa ra một giả thuyết mới ông cho rằng: Nguồn năng lượng của Mặt trời và các Ngôi sao khác có được là do sự co lại của chúng Tuy nhiên, mặc dù nguồn năng lượng này có lớn hơn nhưng vẫn chưa đủ để cho Mặt trời hoạt trong mấy tỉ năm

Sự bế tắc trên đòi hỏi phải giải quyết, một nhiệm vụ mới được đặt ra cho ngành khoa học

Cho đến đầu thế kỷ XX từ công trình nghiên cứu của nhà thiên văn người Anh Athơ Eđinhtơn người ta mới xây dựng được hoàn chỉnh câu trả lời Ngôi sao là gì? Ngôi sao là một quả cầu lửa nóng rực chứa trong lòng chúng nguồn năng lượng khổng lồ có được từ sự tổng hợp hạt nhân Hydro bằng phản ứng nhiệt hạch, ngoài

ra chúng còn tổng hợp nên cả các nguyên tố hóa học nặng hơn Với một Ngôi sao nhẹ thì ánh sáng yếu hơn một Ngôi sao nặng

1.2 Cấu tạo của Ngôi sao

Trong Ngôi sao chứa các hạt cơ bản (electron, neutron, proton), các nguyên

tố hóa học giống hệt các nguyên tố và các hạt cơ bản trên Trái đất

Một ngôi sao là một quả cầu khí khổng lồ, chính vì thế mà tại mọi điểm bên trong Ngôi sao đều có một lực của áp suất khí tác động làm cho nó có xu hướng nở

ra nhưng đồng thời nó cũng chịu tác dụng của trọng lực từ các lớp bên ngoài tác

9

dụng lên làm cho nó có xu hướng bị nén lại, như vậy tại mọi điểm bên trong sao đều chịu tác dụng của hai lực ngược chiều nhau và nếu tại mọi điểm bên trong Ngôi sao đều chịu tác dụng của hai lực trên mà có độ lớn bằng nhau thì ngôi sao này sẽ tồn tại bền vững trong một khoảng thời gian dài có nghĩa là nó không giãn ra và cũng không co lại

Nhưng càng đi vào bên trong sao thì trọng lực càng lớn làm cho áp suất và nhiệt độ của sao tăng lên dẫn đến Ngôi sao bức xạ ra năng lượng, vùng này chính là

ở tâm của Ngôi sao Nhiệt độ trong Ngôi sao được phân bố sao cho ở bất kỳ lớp nào, trong thời điểm nào, năng lượng nhận được từ lớp phía dưới cũng bằng năng lượng truyền cho lớp phía trên Có bao nhiêu năng lượng được sinh ra thì có bấy nhiêu năng lượng bức xạ ở bề mặt Như vậy trong sao còn tồn tại một áp suất bức

xạ, áp suất này đối với Mặt trời và các Ngôi sao nhỏ như Mặt trời thì chỉ là một phần rất nhỏ so với áp suất khí, nhưng đối với các Ngôi sao khổng lồ thì lại khá lớn Vật chất của sao thì không trong suốt cho nên để truyền được năng lượng từ trong tâm sao ra đến lớp bề mặt đôi khi còn phải mất hết mấy nghìn năm Sự bức xạ phát ra ở bề mặt sao khác về chất so với sự bức xạ sinh ra trong lòng Ngôi sao nhưng nó không khác gì về lượng (ở bề mặt bức xạ chủ yếu là các tia ánh sáng nhìn thấy được và hồng ngoại còn ở trong lòng mỗi Ngôi sao thì bức xạ gamma và tia Rơnghen là chủ yếu)

Nồng độ vật chất bên trong sao rất đặc nó đặc hơn bất kỳ vật rắn nào tồn tại trên Trái đất Điều này được giải thích như sau: Với nhiệt độ ước lượng trong lòng các Ngôi sao là từ khoảng 107K – 3.107K thì mọi nguyên tử của các nguyên tố hóa học ở đây đều bị mất lớp vỏ electron bên ngoài của mình trở thành các hạt nhân nguyên tử và các electron riêng biệt Tiết diện của các hạt này rất nhỏ, nhỏ hơn hàng vạn lần so với các loại hạt khác nên trong cùng một thể tích giả sử một chất nào đó chứa được hàng chục nguyên tử thì Ngôi sao lại chứa được hàng tỉ hạt nhân nguyên tử và các electron riêng biệt này, chính vì vậy mà vật chất bên trong sao rất đặc (mật độ vật chất ở tâm Mặt trời lớn gấp 100 lần so với mật độ nước) Nhưng nó vẫn mang đầy đủ tính chất của một chất khí lý tưởng Chất khí được tạo thành từ

10

các nguyên tử Hydro, Heli, Natri và Sắt các nguyên tử này có khối lượng luôn luôn không đổi cho nên nếu nồng độ các hạt trong mỗi nguyên tử càng lớn thì khối lượng trung bình của nó sẽ càng nhỏ dẫn đến nhiệt độ của khối khí đó càng thấp Khi bị ion hóa phân tử Hydro có lớp vỏ electron ở ngoài cùng bị tách ra khỏi hạt nhân nó trở thành 2 hạt: Một là hạt nhân nguyên tử, một là electron riêng biệt cho nên khối lượng trung bình của phân tử Hydro khi bị ion hóa sẽ bằng ½ , tương tự như vậy khối lượng trung bình của Heli bằng 4/3 (2 electron và một nguyên tử hạt nhân), của Natri bằng 23/12 (11 electron và 1 nguyên tử hạt nhân), của Sắt bằng 56/27 (26 electron và 1 nguyên tử hạt nhân), như vậy nếu một Ngôi sao chứa khí Hydro và Heli thì nhiệt độ của nó sẽ thấp hơn Ngôi sao chứa khí Natri và Sắt cho nên người ta ước tính rằng nếu trong Mặt trời chỉ chứa toàn Hydro thì nhiệt độ tại tâm của nó khoảng 10.106K, nếu chứa toàn khí Heli thì nhiệt độ ở tâm của nó sẽ là 26.106K, còn nếu toàn bộ là các khí nặng thì nhiệt độ tại tâm của nó sẽ đạt đến 46.106K Dựa vào việc phân tích độ trưng của sao phát ra và dựa vào mối quan hệ giữa chất khí với nhiệt độ của nó người ta ước tính rằng đa số các Ngôi sao đều chứa không dưới 98% là khối lượng của khí Hydro và Heli

Như vậy Ngôi sao là một quả cầu khí khổng lồ, luôn nóng sáng, là nơi vật chất tồn tại dưới dạng plasma, phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng, nhiệt lượng và các loại tia bức xạ Cấu tạo chủ yếu của nó là từ Hydrovà Heli, liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn và bị nén chặt ở nhân của Ngôi sao Nguồn năng lượng khổng

lồ của các Ngôi sao hầu hết xuất phát từ những phản ứng hạt nhân tổng hợp Hydro thành Heli và các nguyên tố nặng khác như: C,O, Si, S, Ar, Fe diễn ra trong nhân Ngôi sao sau đó giải phóng ra bề mặt của Ngôi sao

ra dễ dàng ta cần biết một số phép trắc quan trong thiên văn trước sau đó lập nên biểu đồ Hecsprung – Rutxen (H – R) về dấu vết tiến hóa của các sao thì sẽ trả lời được vấn đề mà chúng ta đã đặt ra

Cấp sao nhìn thấy là thang dùng để đo độ sáng của một thiên thể nhìn thấy trên bầu trời Ở thang này cấp “0” được quy ước là Ngôi sao sáng trên bầu trời, nó được nhìn thấy từ mặt đất Thực ra trước kia không phải cấp “0” là cấp nhìn thấy Ngôi sao sáng nhất mà là cấp 1, nhưng về sau người ta thấy rằng chỉ có từ cấp 1 đến cấp 6 là không đủ để biểu diễn độ sáng của các sao vì vậy mà cấp sao “0” và âm xuất hiện, hơn nữa các cấp sao không chỉ mang giá trị nguyên mà còn mang cả giá

12

trị thập phân Khi sử dụng thang đo này cần chú ý một điều: Đối với các sao càng sáng thì cấp sao càng nhỏ và ngược lại

Cấp sao nhìn thấy được ký hiệu bằng chữ m Hai sao khác nhau một cấp độ

có độ rọi khác nhau 2,512 lần Còn nếu khác nhau n cấp thì độ rọi khác nhau là (2,512)n lần Hay ta có biểu thức thể hiện tỷ số độ rọi của hai cấp sao như sau:

lgE 0, 4 m m

Trong đó: m1 và m2 là cấp sao nhìn thấy ứng với E1 và E2 là độ rọi của sao

1 và 2

Độ rọi của sao là một đại lượng không đổi nên nó là đại lượng đặc trưng cho sao nhưng nó không biểu thị được năng lượng bức xạ của sao

Là thang đo cấp sao nhìn thấy, được quy ước là tất cả các sao phải ở cùng một khoảng cách 10 pasec so với Trái đất (với 1ps = 3,262 last year =20.6265 đvtv

M = m + 5 + 5lgπ

Là đại lượng đặc trưng cho công suất bức xạ của sao (năng lượng được phát

ra bởi Ngôi sao trong một đơn vị thời gian) Nó được xác định bằng công thức:

L = 4πd2E

13

Nếu lấy độ trưng của Mặt trời làm đơn vị và ký hiệu bằng L0 (L0=3,8.1026W) thì có một số sao có L lớn cỡ 106L0, có sao lại có L nhỏ hơn 10-4L0 Ngoài ra ta còn có thể tính được độ trưng của các Ngôi sao bằng cách so sánh độ trưng của Ngôi sao đó với độ trưng của Mặt trời theo công thức:

lgL = 0,4(M0 – M)

Màu sắc là đặc tính dễ xác định nhất của một Ngôi sao, nó phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt của Ngôi sao mà nhiệt độ bề mặt của Ngôi sao lại nói lên khả năng phát xạ của Ngôi sao đó, bằng các bộ thu năng lượng phát xạ và việc so sánh vùng phổ nào năng lượng phát xạ chiếm chủ yếu cho phép chúng ta biết được màu sắc của sao, từ đó suy ra được nhiệt độ của sao Như vậy người ta đã xác định được rằng các Ngôi sao nóng nhất luôn có màu xanh lam kế theo sau là màu trắng, ít nóng hơn thì có màu hơi vàng và các Ngôi sao lạnh thì có màu đỏ

Hình 1 2: Nhiệt độ và màu sắc của sao

14

Hình 1 3: Quang phổ của Ngôi sao có tên Mặt trời

Trên thấu kính thiên văn được lắp một thiết bị quang học đặc biệt gọi là

cách tử nhiễu xạ, ánh sáng của Ngôi sao sau khi qua cách tử nhiễu xạ được một máy phân tích phổ phân tích thành một dải phổ cầu vồng Qua phân tích đặc điểm của dải phổ mới thu được (số vạch, bước sóng của từng vạch, mật độ của các vạch….) chúng ta sẽ có đầy đủ thông tin về bản chất phát xạ năng lượng của các sao: Đánh giá đúng nhiệt độ và màu sắc của Ngôi sao tương ứng với nhiệt độ đó Với một nguyên tử hóa học có một tập hợp các vạch riêng của quang phổ nên khi dựa vào quang phổ chúng ta cũng có thể xác định được thành phần cấu tạo nên sao (hóa ra cũng gồm các chất đã biết trên Trái đất, mà nhiều nhất là Hydro và He) mặc dù phổ hấp thụ của một nguyên tố hóa học thì không hoàn toàn giống nhau do nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ và mật độ của khí quyển Như vậy dựa vào nhiệt độ và màu sắc của sao, theo quy ước người ta đã xếp quang phổ các sao thành 8 loại chính và được

ký hiệu bằng 8 chữ in hoa trong bảng chữ cái

15

Bảng 1.1: Đặc trưng cơ bản của sao theo quang phổ

Loại sao Nhiệt độ

( 0 C) Màu Các vạch quang phổ nổi bật

W 50.000 Lục (xanh biển) Vạch phát xạ He+, He, và N hay C và O

1.4 Biểu đồ Hecsprung – Rutxen

Vào năm 1905 – 1907 trên cơ sở trắc quang các sao sáng của hai quần sao tương đối gần nhau là Pleiades ( Tua Rua) và Hyades (Tất Tú) Nhà thiên văn người Đan Mạch Hertzsprung Ejnar đã phát hiện ra rằng các sao xanh lam trong mỗi quần sao luôn có độ sáng cao nhất còn các sao đỏ thì có thể chia làm hai loại gồm các sao sáng yếu và các sao tương đối sáng Như vậy nếu để các sao lên trên giản đồ đối chiếu cấp sao và màu sao thì các sao được chia thành các nhóm riêng lẻ (giá trị cấp sao được dùng để so sánh và vẽ giản đồ đối chiếu giữa các sao là vì khoảng cách của các Ngôi sao trong quần sao đến chúng ta là không đổi nên độ sáng biểu kiến của sao cũng không đổi và nó được biểu thị bằng cấp sao) Như vậy ta có một biểu

đồ màu – độ trưng thể hiện mối quan hệ giữa màu sao với độ trưng của nó

Nhưng màu sao thì lại phụ thuộc và nhiệt độ của nó, mà nhiệt độ lại liên quan chặt chẽ với hình dạng của quang phổ Năm 1913, nhà thiên văn người Mỹ Russell Henry đã đối chiếu độ sáng của các sao khác nhau với các loại quang phổ

16

của chúng trên giản đồ phổ - độ trưng, trên giản đồ này ông đặt tất cả các Ngôi sao

ở cùng một khoảng cách

Từ đó các giản đồ màu – độ trưng và nhiệt độ - độ trưng tương tự nhau về ý

nghĩa nên chúng đều được gọi là giãn đồ Hertzsprung – Russell

Hình 1 4: Biểu đồ Hertzsprung – Russell

Nếu như chúng ta nhìn lên bầu trời và quan sát vài ngàn Ngôi sao trong phạm vi 100pc với giải sử rằng tất cả chúng đã được sinh ra tại những thời điểm ngẩu nhiên trong quá khứ Với giả sử đó, ta có thể xem các Ngôi sao giống như Mặt trời được hình thành cách đây khoảng từ 2-10.109 năm và rất hay gặp chúng khi quan sát còn những Ngôi sao giống như Mặt trời nhưng ở giai đoạn tiền sao (hình thành cách đây khoảng 108 năm) hoặc giai đoạn tuổi già của nó (sao kềnh đỏ - hình thành cách đây khoảng 10.109 năm) thì rất ít bắt gặp khi quan sát chúng trong phạm

Những Ngôi sao nằm ở phía dưới bên trái của dải chính là những Ngôi sao loại B – A – F, có nhiệt độ bề mặt khoảng 20.000K – 8.000K, có cấp sao tuyệt đối khoảng +5 đến +10, là những Ngôi sao có độ trưng thấp, kích thước nhỏ bé và có màu trắng nên chúng được gọi là sao lùn trắng

Theo giản đồ Hertzsprung – Russell thì các Ngôi sao gần nhất đối với chúng ta chủ yếu là những Ngôi sao ở giải chính, điều đó nhằm giải thích tại sao khi quan sát ở một phạm vi xác định trên bầu trời thì chúng ta luôn bắt gặp các Ngôi sao đang ở giai đoạn chính của nó, như những Ngôi sao ở giải chính Đối với các Ngôi sao có khối lượng lớn thì tất cả các giai đoạn của cuộc đời chúng đều ngắn hơn Khi nhìn vào các Ngôi sao ở gần Mặt trời thì việc nhìn thấy các Ngôi sao có khối lượng bé và sống lâu, nhiều hơn các Ngôi sao có khối lượng lớn và sống ngắn như một lẽ đương nhiên Điều này cũng được giản đồ Hertzsprung – Russell giải quyết phù hợp, khi nhìn vào giản đồ Hertzsprung – Russell ta thấy các Ngôi sao ở gần Mặt trời hầu như đều nằm trên dải chính và ở dưới Mặt trời chính vì vậy mà các Ngôi sao ta nhìn thấy khi quan sát đều có khối lượng nhỏ và có cuộc sống dài Dựa vào giản đồ Hertzsprung – Russell chúng ta có thể giải thích được hiệu ứng lựa chọn được sử dụng trong thiên văn học, nó rất quan trọng khi các nhà thiên văn phát hiện ra các thiên thể mới Như trên bầu trời hiện nay các nhà thiên văn đã tìm thấy 20 Ngôi sao sáng nhất, khi họ đem đi so sánh với Mặt trời thì họ thấy rằng các Ngôi sao này sáng hơn rất nhiều so với Mặt trời, chúng cũng lớn hơn Mặt trời

18

cho nên họ đưa ra kết luận rằng: Mặt trời không phải là Ngôi sao điển hình cho các Ngôi sao sáng trên bầu trời

Các Ngôi sao ở dải chính có ánh sáng màu xanh lam thì cuộc đời của chúng phải ngắn vì năng lượng do chúng phát ra rất lớn, dẫn đến các phản ứng hạt nhân bên trong nó diễn ra mạnh, kết quả nhiên liệu của chúng nhanh chống cạn kiệt Cho nên chúng là những Ngôi sao phải được hình thành gần đây, khoảng 106 năm trở về trước Tinh vân Lạp Hộ là một ví dụ điển hình, trong tinh vân đó có chứa vài ngàn Ngôi sao rất nóng, rất xanh lam, khoảng 106 năm tuổi Và chính chuyển động của khí cho chúng ta biết rằng nó bị nun nóng bởi một Ngôi sao khác chỉ mới 2.104 năm qua cho nên có thể nói rằng Ngôi sao trẻ nhất bên trong tinh vân chỉ có 2.104 tuổi Như vậy các đám sao và các Ngôi sao có màu rất xanh lam (xanh lá) phải có tuổi ít hơn 107 năm còn các Ngôi sao nóng trung bình thì hơi già hơn (đám Pleiades) khoảng 108 năm tuổi

Hình 1 5: Bốn ngôi sao trẻ trong chòm Lạp Hộ Orion

19

Hiện nay khi quan sát các đám sao chúng ta hầu như không thấy Ngôi sao nào đang ở dải chính như Mặt trời điều đó có nghĩa là các đám sao này phải đủ già

để các sao như Mặt trời trở thành sao lùn trắng và rất mờ Các đám sao này già hơn

1010 năm, các sao hình cầu là các sao già nhất có tuổi vào khoảng 1,3.1010 năm, chúng được gọi là hình cầu vì trong chúng có dạng tròn và tuổi của nó được xác định bởi vệ tinh nhân tạo của Trái đất HIPPARCOS rất chính xác (có sai số tối thiểu vào cỡ 109năm)

1.5 Sự tiến hóa và số phận cuối cùng của các sao

Đám bụi khí càng tập trung, lực hấp dẫn lẫn nhau giữa chúng càng lớn, càng hút mạnh các đám bụi khí ở xung quanh về phía chúng và ngày càng trở nên đậm đặc Ngoài ra mật độ khí càng dày đặc thì lực hút hấp dẫn giữa chúng càng tăng, càng nén chặt đám mây bụi khí lại làm kích thước của tinh vân càng thu nhỏ lại và hình thành nên một phôi sao Khi các nguyên tử bị dồn sát vào nhau thì áp lực cũng tăng lên, các nguyên tử bắt đầu va chạm vào nhau và nóng lên cho đến khi nhiệt độ đạt được đến 106K thì phản ứng hạt nhân bắt đầu xảy ra tổng hợp hạt nhân Hydro thành Heli

Muốn trở thành một Ngôi sao thì phôi sao của nó phải có kích thước đạt tới 0,08M0 Nếu trong trường hợp phôi sao không đủ điều kiện thì lực hấp dẫn thắng thế làm cho các nguyên tử tiếp tục bị nén, cho đến khi bán kính của nó vào khoảng bán kính của Trái đất thì chúng trở thành sao lùn nâu, bức xạ một nhiệt lượng rất yếu ớt do các nguyên tử va chạm với nhau tạo thành chứ không phải từ phản ứng

21

hạt nhân sinh ra, đối với các thiên thể có khối lượng quá nhỏ thì sẽ trở thành các hành tinh Còn nếu phôi sao đạt kích thước lớn hơn 0,08M0 và nhiệt độ bên trong nó đạt trên 106K thì bên trong nó xảy ra các phản ứng hạt nhân và lực do phản ứng này gây ra sẽ cân bằng với lực hấp dẫn nên phôi sao ổn định, phát sáng và trở thành một Ngôi sao Khi nào hai lực này còn cân bằng thì Ngôi sao còn tồn tại, tuy nhiên thời gian tồn tại bao lâu thì phải tùy thuộc vào khối lượng Hydro trong lòng nó, phản ứng hạt nhân sẽ chấm dứt nếu lượng Hydro không còn nữa khi đó Ngôi sao sẽ chết

đi

Quá trình tiến hóa (vòng đời) của một Ngôi sao xét cho đến cùng là một quá trình tổng hợp Hydro thành các nguyên tố ngày càng nặng hơn: Trước tiên là từ Hydro thành Heli, kế đó từ Heli thành Cacbon, rồi từ Cacbon thành Oxi… Cho đến khi sản phẩm cuối cùng là sắt thì kết thúc Trong quá trình chuyển hóa đó, các hạt nhân nguyên tố mới được tạo thành từ 2, 3 hoặc nhiều hơn các hạt nhân nhẹ hơn, khối lượng của hạt nhân mới này luôn nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt tạo thành nó như vậy đã có sự thiếu hụt khối lượng trong quá trình tổng hợp, chính khối lượng này đã chuyển hóa thành năng lượng (theo biểu thức của Einstein E= ∆m c 2) làm cho Ngôi sao phát sáng Nhưng từ sắt trở đi, muốn tạo được hạt nhân mới nặng hơn sắt thì cần phải cung cấp thêm năng lượng cho quá trình đó, nhưng lúc này năng lượng của Ngôi sao đã cạn kiệt Do đó lực hấp dẫn tiếp tục nén chặt Ngôi sao lại cho đến khi không thể nén được nữa Ngôi sao sẽ ngừng phát sáng

Như vậy vòng đời của sao tùy thuộc chủ yếu vào khối lượng của chúng, sao càng khổng lồ nhiệt độ trong lòng nó càng lớn dẫn đến độ trưng càng cao, lượng Hydro tiêu hao do phản ứng nhiệt hạch càng nhiều, năng lượng càng nhanh chống cạn kiệt, vòng đời của sao càng ngắn Ngược lại, sao càng nhỏ thì tuổi thọ càng dài Dựa vào khối lượng của sao các nhà khoa học đã chia làm ba loại sao tương ứng với

3 quá trình tiến hóa khác nhau như sau:

22

∗ Những Ngôi sao có khối lượng trung bình gần như Mặt trời (M ≤ 1, 4M0):

Hình 1 7: Sự tiến hóa của sao có khối lượng M ≈ M 0

Đối với những Ngôi sao này mỗi giây thiêu hủy khoảng 4,2 triệu tấn Hydro,

và đã diễn ra cách đây khoảng 4,5 tỉ năm Nó cần mất thêm 5,5 tỉ năm nữa để đốt cháy hết toàn bộ lượng Hydro có trong nó, thời kỳ ổn định của Ngôi sao kết thúc, áp suất nhiệt động bắt đầu giảm xuống không còn cân bằng với lực hấp dẫn nữa làm cho Ngôi sao bị co lại, nhiệt độ bên trong sao bắt đầu tăng dần lên, đến khi đủ lớn thì quá trình tổng hợp các hạt nhân Heli thành Cacbon và Oxy bắt đầu diễn ra, trong lòng sao sản sinh một nguồn năng lượng rất lớn thoát ra ngoài nên làm cho các lớp

vỏ bên ngoài của sao phồng lên, lớn gấp hàng chục lần so với kích thước ban đầu của chúng dẫn đến nhiệt độ các lớp ngoài của nó giảm xuống, sao chuyển sang màu

đỏ và trở thành sao khổng lồ đỏ, quá trình này kéo dài khoảng 109 năm và Mặt trời khi đó nở to ra đến nổi có thể nuốt chửng Sao thủy, Sao kim và cả Trái đất Khi nguồn nhiên liệu hạt nhân Heli bị cạn kiệt thì quá trình tổng hợp hạt nhân Heli thành Cacbon và Oxy dừng lại, ta nói sao đã cạn kiệt năng lượng, thể tích của nó bắt

23

đầu giảm dần từ sao khổng lồ đỏ (đường kính khoảng 108 Km) xuống thành sao lùn trắng (đường kính khoảng 10 Km) Sở dỉ nó có tên gọi sao lùn trắng là vì: Bán kính của nó nhỏ, trong quá trình co kích thước nó vẫn phát sáng với ánh sáng màu trắng, quá trình này diễn ra khoảng 109 năm sau đó sao lùn trắng hoàn toàn mất hết năng lượng và trở thành sao lùn đen

∗ Những Ngôi sao có khối lượng: 1, 4M0 ≤M ≤ (3 5) − M0

Đối với các Ngôi sao này thì lượng Hydro bị thiêu hủy nhanh hơn và năng lượng do quá trình đó sinh ra cũng nhiều hơn Không dừng lại ở quá trình tổng hợp các nguyên tử Hydro thành Heli, Cacbon và Oxy mà nó còn tiết tục diễn ra để tổng hợp thành các nguyên tử Neon, Natri, Agon, Niken….đến khi nhiệt độ bên trong đặt trên 800 triệu độ thì năng lượng do chúng phóng ra lớn đến nổi làm sao nổ tung, phóng ra xung quanh các nguyên tử đã được tổng hợp ở nhân Ngôi sao vụt sáng chói lên, chỉ trong vài giây mà ánh sáng do chúng phát ra bằng cả một thiên hà gộp lại hoặc bằng lượng ánh sáng Mặt trời phát ra trong 9 tỉ năm cộng lại: đó là hiện tượng vụ nổ siêu tân tinh 2 (supernovae 2)

Sau vụ nổ xuất hiện một lực ép cực mạnh đã làm cho nhân của Ngôi sao co lại với tốc độ 80.000Km/s Sức ép này lớn đến nổi có thể nén các electron thấm vào hạt nhân, kết hợp với proton để tạo thành neutron Khi đó neutron là nguyên tử chủ yếu chiếm toàn bộ khối lượng của sao (trừ một lớp vỏ mỏng bên ngoài bằng sắt dày chưa tới 1m) nên nó được gọi là sao neutron hay pulsar

∗ Những Ngôi sao có khối lượng M ≥ (3-5)M 0

Với khối lượng khổng lồ như vậy thì sự thiêu hủy Hydro diễn ra cực kỳ nhanh, năng lượng phóng ra cực kỳ lớn….Sức nổ gây ra hiện tượng siêu tân tinh quá lớn làm xuất hiện một lực ép mà áp suất khí neutron suy biến cũng không chống đỡ nổi nên các neutron bị ép chặt đến mức “tới hạn” (1cm3 nặng tới mức 105

tỉ tấn) làm xuất hiện một lực hấp dẫn vô cùng lớn, có khả năng hút tất cả những gì đến gần nó như một cơn xoáy nước khổng lồ chúng được gọi là lỗ đen vì chúng ta

Nguyên nhân gây ra quỹ đạo chuyển động Analemma của Mặt trời – vòng

số 8 là do thời gian Mặt trời thực và thời gian sao không trùng với thời gian trung bình của Mặt trời (thời gian trung bình của tổng thời gian Mặt trời thực trong năm)

Hình 2 1: Analemma

26

Thời gian sao (ngày sao) là một chu kỳ quay của Trái đất đối với các Ngôi sao, đúng bằng chu kỳ nhật động của các sao Hay nói cách khác, ngày sao là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp điểm xuân phân (γ) đi qua kinh tuyến trên tại một nơi quan sát Một ngày sao dài 23 giờ 56 phút và trong một năm chỉ có ngày xuân phân là thời gian sao trùng với thời gian Mặt trời Với quy ước rằng: 0h00 : γ

ở kinh tuyến trên và 1 ngày sao = 360o = 24h sao

Thời gian Mặt trời thực (ngày Mặt trời thực) là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp Mặt trời đi qua kinh tuyến trên tại một nơi quan sát – thời gian quay trọn vẹn một vòng của Trái đất so với Mặt trời Vì người quan sát đứng trên Trái đất luôn tưởng tượng rằng Trái đất đứng yên cho nên họ thấy Mặt trời xê dịch trên nền sao 10 trong 1 ngày – tương ứng với 4 phút Cho nên một vòng quay của Trái đất so với Mặt trời lớn hơn một vòng quay của Trái đất so với các sao là 10, như vậy ngày Mặt trời thực dài hơn ngày sao và cứ sau một năm ngày Mặt trời lại nhiều hơn ngày sao là 24 giờ Với quy ước rằng: 0h00 – Mặt trời ở kinh tuyến dưới còn 12h00 – Mặt trời ở kinh tuyến trên, 1 ngày Mặt trời thực = 3600 = 24h MTT

Hình 2 2: Mô hình thể hiện sự sai khác giữa ngày sao và ngày Mặt trời

27

Thời gian Mặt trời trung bình (Ngày Mặt trời trung bình) là khoảng thời gian tính trung bình của tất cả các ngày Mặt trời thực, nó đều bằng nhau và bằng 24 giờ Thời gian Mặt trời trung bình và thời gian Mặt trời thực dao động trong khoảng, ngắn hơn từ 22 giây đến dài hơn 29 giây, nhưng thường các ngày này hay

đi liền nhau nên khoảng thời gian chênh lệch khi cộng dồn lại là rất lớn đôi khi chậm hơn đến 14 phút 6 giây (vào khoảng ngày 11 – 12 của tháng 2) hoặc nhanh hơn tới 16 phút 33 giây (vào khoảng 31 tháng 10 hoặc 1 tháng 1) Trong một năm chỉ có 4 ngày 16 – 4, 14 – 6, 1 – 9 và 24 – 12 là thời gian Mặt trời thực trùng với thời gian Mặt trời trung bình và mối quan hệ này được biểu diễn qua phương trình thời gian

η= Tm - T⁄ Trong đó ηlà thời sai có giá trị thường được in trong lịch thiên văn

Giờ Mặt trời thực không trùng với giờ Mặt trời trung bình cho nên vào cùng một thời điểm có khi Mặt trời xuất hiện đúng tại điểm hôm trước, có khi xuất hiện sớm hơn hoặc có khi xuất hiện trễ hơn điểm hôm trước, cho nên khi chồng 365 bức ảnh tương ứng với 365 ngày được chụp trong cùng một thời điểm thì ta có 365 chấm xếp thành hình analemma – vòng số 8, bản chất của sự khác nhau này là do:

+ Trục quay của Trái đất hợp với mặt phẳng quỹ đạo của nó một góc

23027’, nên góc giờ Mặt trời phụ thuộc vào ví trí của nó trên Hoàng đạo (góc giờ bé hơn ở các điểm Xuân phân và Thu phân nhưng lớn hơn ở các điểm Hạ chí và Đông chí)

+ Trái đất quay quanh Mặt trời theo quỹ đạo là một elip cho nên vận tốc chuyển động của nó không đồng đều Vì vậy mà mỗi ngày Mặt trời dịch chuyển trên hoàng đạo bởi những cung không giống nhau

+ Do chuyển động tuế sai của Trái đất

28

Hằng ngày sau khi nhô khỏi chân trời ở phía Đông, Mặt trời đi trên bầu trời rồi lặn ở phía Tây của bầu trời Ngày nay chúng ta đã biết Mặt trời là trung tâm của

Vũ trụ, nó không chuyển động nhưng tại sao chúng ta lại có thể nhìn thấy Mặt trời chuyển động có hướng từ Đông sang Tây? Đó là do sự chuyển động của Trái đất, Trái đất chuyển động tự quay quanh trục của nó từ Tây sang Đông, người quan sát lại ở trên Trái đất nên cứ tưởng rằng mình đang đứng yên còn Mặt trời thì chuyển động và chuyển động tưởng tượng đó gọi là chuyển động biểu kiến của Mặt trời trong một ngày đêm

Một vòng tự quay quanh trục của Trái đất tương ứng với thời gian là một ngày đêm có 24 giờ, có nghĩa là khi Trái đất quay, lúc nào cũng có một nửa được chiếu sáng và một nửa không được chiếu sáng tương ứng với 12 giờ ban ngày và 12 giờ ban đêm, và những khái niệm nửa ngày; nửa đêm này chỉ mang tính tương đối,

nó chỉ bằng nhau ở ngày xuân phân và thu phân – ngày bằng đêm

Ở các vĩ độ trung bình và thấp đường đi của nó khi dài khi ngắn khác nhau, dài nhất vào ngày Hạ chí (δ = 23 27 0 ′) – ngày dài hơn đêm, ngắn nhất vào ngày Đông chí (δ = − 23 27 0 ′) – ngày ngắn hơn đêm Còn nếu Mặt trời càng ở gần thiên cực thì vòng tròn quỹ đạo này càng nhỏ, nó có thể không cắt xích đạo trời khi đó người quan sát ở đây chỉ nhìn thấy ban ngày chứ không nhìn thấy ban đêm, có nghĩa là Mặt trời mọc chứ không lặn và thời gian đó kéo dài suốt 6 tháng, 6 tháng còn lại là đêm tối

Hình 2 3: Điều kiện mọc lặn khác nhau của các thiên thể

29

Do khí quyển của Vũ trụ có tính không đồng nhất nên sẽ xảy ra hiện tượng khúc xạ ánh sáng khi Mặt trời chiếu ánh sáng đến Trái đất, do đó độ cao biểu kiến của Mặt trời sẽ luôn cao hơn độ cao thực của nó dẫn đến Mặt trời sẽ mọc sớm hơn

và lặn muộn hơn đối với trường hợp không có khí quyển

Như vậy đường đi một ngày đêm của Mặt trời là những vòng tròn nhỏ trên thiên cầu song song với xích đạo trời Trong suốt một năm điểm mọc của Mặt trời luôn xê dịch so với xích đạo trời khi thì về hướng Bắc khi thì về hướng Nam, nửa ngày và nửa đêm của đường đi Mặt trời cũng chỉ mang tính tương đối

Trái đất quay xung quanh Mặt trời đúng một vòng theo chu kỳ một năm, nhưng khi đứng trên Trái đất ta lại có ảo tưởng Mặt trời quay quanh Trái đất và quay hết một vòng cũng theo chu kỳ một năm, như vậy một vòng quay của Mặt trời quanh Trái đất trong một năm gọi là quỹ đạo chuyển động biểu kiến của Mặt trời hay đường đi một năm của Mặt trời – Hoàng đạo (theo tiếng anh là eclip – tic, góc

từ Hy Lạp là eclipsis nghĩa là “sự che khuất”)

Mặt trời di chuyển dọc theo Hoàng đạo về hướng Đông – cùng chiều với chiều quay của Trái đất, nó lần lượt đi qua 12 chòm sao nằm trên Hoàng đới: Trinh

Nữ (Virgo), Cái Cân (Libra), Thần Nông (Scorpicus), Nhân Mã (Sagitarius), Con Hươu (Capricornus), Cái Bình (Aquarius), Song Ngư (Pisces), Bạch Dương (Aries), Kim Ngưu (Taurus), Song Tử (Gemini), Con Cua (Cancer), Sư Tử (Leo) tương ứng với 12 tháng trong năm – năm sao, nó dài 365 ngày 6 giờ 9 phút 10 giây, hoặc 365,2564 ngày Mặt trời trung bình

Hoàng đạo và xích đạo trời cắt nhau ở một góc 23027’, trên Hoàng đạo có 4 điểm cơ bản: Xuân phân, Hạ chí, Thu phân và Đông chí nhưng Xuân phân là điểm chủ yếu nhất vì nó được dùng làm móc để tính độ xích kinh trong hệ tọa độ xích đạo, xác định thời gian sao và năm xuân phân – khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp tâm Mặt trời đi qua điểm xuân phân Năm xuân phân ngắn hơn năm sao do hiện tượng chuyển động tuế sai của trục Trái đất (chỉ bằng 365,2422 ngày Mặt trời trung

30

bình hay 365 ngày 5 giờ 48 phút 46 giây), nó được chia làm 4 mùa dùng trên Trái đất Nguyên nhân gây ra các mùa là do trục quay của Trái đất không đổi phương trong không gian và luôn tạo thành một góc nghiêng với mặt phẳng quỹ đạo của nó, nên có thời kỳ bán cầu Bắc ngả về phía Mặt trời, có thời kỳ bán cầu Nam ngả về phía Mặt trời làm cho thời gian chiếu sáng và sự thu nhận bức xạ Mặt trời ở mỗi bán cầu thay đổi trong năm

Hình 2 4: Vị trí của Trái dất theo ngày đặt biệt thể hiện mùa

Do chuyển động biểu kiến hằng năm của Mặt trời mà vị trí của các chòm sao trên hoàng đạo cũng thay đổi theo thời gian Khoảng 2000 năm trước, khi Hippac soạn danh mục sao thì điểm Xuân phân đang ở chòm sao Con Cừu (^ ), bây giờ nó đã dịch chuyển đi gần 300 sang chòm sao Đuôi Cá, còn điểm Thu phân thì từ chòm sao Cái Cân (d ) chuyển sang chòm sao Trinh Nữ, điểm Hạ chí thì trong chòm sao Con Cua (a ) chuyển sang chòm sao Con Trâu và điểm Đông chí thì từ chòm sao Con Dê (g ) chuyển sang chòm sao Con Cua

Ngoài ra chuyển động biểu kiến hằng năm của Mặt trời trên đường Hoàng đạo là không đồng đều: Mặt trời đi được một nửa Hoàng đạo từ Xuân phân đến Thu phân trong 186 ngày (từ 21/3 đến 23/9) nhưng nửa kia từ Thu phân đến Xuân phân chỉ trong 179 hoặc 180 ngày điều đó cho thấy tốc độ chuyển động thực của Trái đất

31

trên quỹ đạo elip quanh Mặt trời là không đồng điều dẫn đến thời gian giữa các mùa

có độ dài ngắn khác nhau Ở bán cầu Bắc thì mùa xuân và mùa hè cộng lại dài hơn mùa thu và mùa đông 6 ngày, ở đây thời gian của mùa hè cũng dài hơn mùa đông cho nên ta nói trên Trái đất bán cầu Bắc ấm hơn bán cầu Nam

2.2 Cấu trúc của Mặt trời

Mặt trời là một Ngôi sao bình thường có khối lượng và kích thước thuộc loại trung bình so với các Ngôi sao khác trong dãy ngân hà, nó nằm ở rìa phía trong của nhánh Orion của ngân hà Nó đặc biệt đối với con người là vì nó ở gần chúng ta nhất, chiếu sáng cho toàn Vũ trụ và mang lại sự sống cho toàn nhân loại Nó là trung tâm của hệ Mặt trời, Trái đất và các thành viên khác (hành tinh, tiểu hành tinh, thiên thạch, sao chổi và bụi) đều quay quanh nó

Mặt trời là một quả cầu hoàn toàn là khí: Khoảng 75% (của mỗi kg khí) là Hydro, 23% là khí Heli, 2% còn lại là các khí nặng khác, có đường kính 1,390.106

Km (lớn hơn 110 lần đường kính của Trái đất), cách Trái đất 150.106 Km (khoảng cách này chính bằng một đơn vị thiên văn, phải mất 8 phút để ánh sáng từ Mặt trời đến được Trái đất), khối lượng của nó khoảng 2.1030 Kg

Hình 2 5: Mặt trời nguyên thủy là nguồn ánh sáng cực tím (Mặt trời dưới ánh sáng cực tím: NASA)

32

Hình 2 6: Khối khí Mặt trời

Nhiệt độ và mật độ của Mặt trời giảm dần khi đi từ trong lõi ra phía ngoài nên Mặt trời có cấu trúc rất phức tạp vì vậy để nghiên cứu và tìm hiểu rõ về cấu trúc của Mặt trời người ta chia Mặt trời thành các lớp khác nhau, mỗi lớp có tính chất và kiểu hoạt động riêng Mặt trời gồm hai phần: Phần bên trong và phần bên ngoài

Hình 2 7: Cấu trúc tổng quát của Mặt trời

Dưới sức ép của các lớp bên ngoài, vật chất bên trong Mặt trời bị ép lại, cho nên càng vào sâu bên trong Mặt trời thì tỷ khối vật chất càng tăng, dẫn đến áp suất

và nhiệt độ của nó ở đó cũng tăng theo Nhiệt độ tại tâm Mặt trời đạt tới 15.106 K, khối lượng riêng 160Kg/dm3, áp suất thì vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe

Sở dĩ ta nói lõi Mặt trời là một nguồn năng lượng khổng lồ là vì ở đây luôn xảy ra các phản ứng nhiệt hạch để giải phóng năng lượng Nguyên nhân để các phản ứng nhiệt hạch diễn ra là do có sự kết hợp giữa các nguyên tố hóa học nhẹ để trở thành những nguyên tố hóa học nặng hơn Cụ thể cứ 4 nguyên tử Hydro tổng hợp tạo thành một nguyên tử Heli sẽ giải phóng ra một năng lượng do sự mất mát khối lượng của chúng

Nguồn năng lượng khổng lồ là thế nhưng làm thế nào mà nó thoát ra khỏi lõi để đi đến bề mặt của Mặt trời? Do cấu trúc phức tạp của Mặt trời nên nguồn năng lượng này không thể truyền bằng phương pháp chuyển động nhiệt được mà nó được truyền theo nhiều cơ chế vật lý khác nhau, ứng với mỗi vùng của Mặt trời có một cơ chế riêng Vậy vùng kế tiếp lõi Mặt trời có tên gọi là gì và truyền năng lượng theo cơ chế nào? Đó chính là vùng truyền bức xạ năng lượng và năng lượng của nó được truyền đi bằng cách bức xạ, hấp thụ rồi lại tái bức xạ các lượng tử ánh sáng bởi vật chất tồn tại ở đó

34

b Vùng truyền bức xạ năng lượng (Radiation Zone)

Ta đã biết tỷ khối, nhiệt độ và áp suất của khí càng giảm khi càng xa lõi, nên vùng truyền bức xạ năng lượng này có tỷ khối, nhiệt độ và áp suất giảm hơn so với vùng lõi và dòng năng lượng cũng giảm theo

Vùng truyền bức xạ năng lượng là nơi năng lượng lan truyền thông qua sự hấp thụ và bức xạ bởi vật chất thành những ánh sáng gọi là lượng tử Để năng lượng

đi ra được bên ngoài thì các lượng tử luôn luôn bức xạ và tái bức xạ, nhưng quá trình này diễn ra vô cùng chậm, đôi khi phải mất vài nghìn năm mới tới được quang cầu Nhưng khi tới được quang cầu thì các lượng tử này đã hoàn toàn trở thành các lượng tử khác, năng lượng của nó cũng giảm so với các lượng tử ban đầu Vậy điều

gì đã xảy ra trong vùng này? Tất cả những điều đó được giải thích như sau: Trong khi các lượng tử tái bức xạ, nó luôn luôn đổi hướng, hầu như nó vừa chuyển động

về phía trước lại vừa chuyển động về phía sau với mức độ gần như nhau Ban đầu

nó là các lượng tử gamma do vùng tâm Mặt trời sinh ra, năng lượng của chúng lớn gấp hàng nghìn lần năng lượng của ánh sáng mà chúng ta nhìn thấy được, nhưng bước sóng của nó thì rất nhỏ Trên đường đi, các lượng tử này bị các nguyên tử khác hấp thụ, ngay lập tức nó diễn ra quá trình tái bức xạ, vỡ thành ra hai; ba hoặc nhiều hơn so với số lượng tử ban đầu Mặt khác theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng năng lượng của tất cả các lượng tử lúc sau phải bằng năng lượng của lượng tử ban đầu, cho nên các lượng tử lúc sau mang năng lượng nhỏ hơn các lượng tử lúc đầu và cứ như vậy các lượng tử tiếp tục bị hấp thụ rồi tái bức xạ, cho nên năng lượng của nó nhỏ dần nhỏ dần và nhỏ đi hàng nghìn lần khi nó ra tới bề mặt của Mặt trời Quá trình biến đổi lượng tử được mô tả như sau: Từ các lượng tử gamma biến đổi thành các lượng tử tia X (tia Rơnghen), sau đó là tia tử ngoại, cuối cùng là các tia nhìn thấy và các tia hồng ngoại Như vậy ta có thể nói rằng, nếu bỗng dưng một ngày nào đó “chiếc lò năng lượng” bên trong Mặt trời không còn chiếu sáng nữa thì phải đến hàng triệu năm sau chúng ta mới biết được điều đó

35

c Vùng đối lưu của Mặt trời (Convective zone)

Các lớp cấu tạo nên Mặt trời có tính chất không giống nhau nên năng lượng truyền từ lõi ra quang cầu không chỉ bằng phương pháp bức xạ mà còn bằng nhiều phương pháp khác nữa tùy theo nhiệt độ, áp suất…của vùng đó Trong quá trình truyền năng lượng khi ra đến một vùng mà tại đó độ không trong suốt của khí tăng nhanh thì phương pháp bức xạ không còn áp dụng được nữa, nó được thay bằng phương pháp đối lưu Như vậy vùng mà năng lượng truyền bằng sự đối lưu được gọi là vùng đối lưu của Mặt trời Tại vùng này những luồng khí nóng bốc lên trên, truyền nhiệt cho môi trường xung quanh, còn luồng khí nguội sẽ đi xuống dưới, cứ như vậy giữa luồng khí nóng và luồng khí lạnh luôn đổi chổ cho nhau và năng lượng từ bên trong Mặt trời được truyền tới quang cầu, lúc này vật chất trên Mặt trời sôi lên, bị xáo trộn, và nó được ví như cháo quánh trên bếp lửa và hiện tượng này được gọi là sự tạo hạt trên bề mặt Mặt trời, mà các nhà quan sát Mặt trời thường gặp

Vùng đối lưu bắt đầu ở khoảng cách xấp xỉ 0,7 bán kính của Mặt trời–được tính từ tâm ra và trải đến tận bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời (quang cầu) – là nơi mà sự chuyển dời năng lượng theo phương pháp bức xạ trở lại (vùng này dày khoảng 125.000Km)

d Khí quyển Mặt trời

Trên Trái đất hằng ngày ta hít thở bằng không khí, bao quanh Trái đất là khí quyển đó là những kiến thức cơ bản mà chúng ta đã được học Ngoài Trái đất ra các hành tinh khác cũng được bao bọc bằng các lớp khí, kể cả các sao gồm toàn khí Những lớp khí bên ngoài của chúng cũng được gọi là khí quyển Như vậy phần khí bên ngoài của Mặt trời cũng được gọi là khí quyển và nó gồm: Quang cầu, sắc cầu

và nhật hoa Khí quyển Mặt trời được bắt đầu ở độ sâu 200 – 300km kể từ mép nhìn thấy được trên đĩa Mặt trời

36

e Quang cầu (Photosphere)

Hình 2 8: Sự tạo hạt trên Mặt trời

Quang cầu là lớp khí sâu nhất của khí quyển Mặt trời, đáy của lớp này là những điểm sâu nhất mà ta có thể nhìn thấy được, đỉnh của lớp này là những điểm chứa các hạt photon ánh sáng có thể thoát ra khỏi Mặt trời, độ dày của lớp không lớn hơn 1/300.000 bán kính Mặt trời nên đôi khi người ta còn gọi là bề mặt Mặt trời Mật độ của các khí trong quang cầu tương tự như ở tầng bình lưu Trái đất (khoảng10 16 − 10 17hạt/cm3), loãng hơn hàng trăm lần so với mật độ khí ở bề mặt Trái đất

Nhiệt độ của quang cầu thì giảm dần từ 8000 K ở độ sâu 300 km xuống còn

4000 K ở những tầng ngoài nhất của quang cầu, lớp giữa mà chúng ta nhìn thấy được bức xạ là vào khoảng 6000 K, phổ bức xạ của nó là phổ liên tực tuân theo gần đúng quy luật bức xạ của vật đen nhưng do bề dày của quang cầu cũng tương đối lớn nên các lớp phía trên loãng hơn và nguội hơn các lớp phía dưới vì vậy khi bức

xạ này đi qua lớp ở trên một số ánh sáng đơn sắc đã bị hấp thụ, cho nên kết quả cuối

cùng ta thu được là phổ vạch hấp thụ Fraunhoper (hình 2.9)

37

Ion Hydro âm – một proton và hai electron – là thành phần đặc biệt nhất của khí quyển Mặt trời (vì hầu hết các phân tử khí ở đây đều bị phân rã thành những nguyên tử riêng biệt, chỉ một số ít phân tử đơn giản và những gốc như H2, OH, CH được bảo toàn nhưng cũng chỉ ở lớp ngoài cùng của quang cầu), sự xuất hiện ion Hydro âm ở đây là do: Các nguyên tử như Canxi, Natri, Magie, Sắt … dễ dàng bị ion hóa sau đó sản sinh ra electron tự do mang điện tích âm, các electron này chuyển động bám vào các Hydro trung hòa làm xuất hiện các ion Hydro âm, phần lớn ánh sáng nhìn thấy được là do chúng bức xạ, nhưng ánh sáng này lại bị các ion hấp thụ và ngấu nghiến cho nên càng vào sâu khí quyển Mặt trời càng kém trong suốt dẫn đến khi quan sát ta thấy các lớp ngoài cùng của Mặt trời luôn rõ nét nhất

Bằng các dụng cụ quan sát tinh vi của thiên văn học người ta thấy rằng: Toàn bộ quang cầu như rắc đầy những hạt sáng li trên các nền sẫm tối hơn, mỗi hạt

có kích thước khoảng 1′′ hay khoảng 700 Km nó liên tục xuất hiện và biến mất Sự tạo hạt là kết quả hòa trộn của những luồng khí nóng nổi lên phía trên và những luồng khí lạnh hơn chìm xuống dưới (vận tốc chuyển động nâng lên hạ xuống của các hạt là khoảng 1-2 km), và cơ chế này được gọi là sự đối lưu – với việc nghiên cứu phổ ánh sáng phát ra của các hạt sáng và miền sẫm tối kế cận nhau người ta kết luận được điều đó: Quang phổ của bức xạ phát ra từ miền sẫm tối dịch về phía đỏ; còn quang phổ của bức xạ phát ra từ các hạt sáng lại dịch về phía tím

Như vậy ở lớp này quá trình truyền năng lượng diễn ra theo cơ chế đối lưu, nhiệt độ chênh lệch giữa các luồng khí là rất lớn khoảng từ 200 – 300 K, ở các lớp càng sâu nhiệt độ chênh lệch này càng lớn, và sự hòa trộn diễn ra càng mạnh mẽ Nói tóm lại mặt quang cầu luôn bị các dòng hạt liên tục bắn phá từ dưới lên, và nó gây nên kích động nhiễu loạn, làm cho quang cầu dao động và tạo thành những sóng dao động trong vật chất quang cầu như sóng âm trong không khí Và một điều chúng ta cần chú ý là quang phổ của quang cầu là quang phổ liên tục, nó là một dải nhỏ, nhiều màu, có cùng bản chất như của cầu vòng

38

Sự đối lưu đóng một vài trò quan trọng trong việc tạo nên cấu trúc của khí quyển, và lớp ngoài cùng của khí quyển là lớp đặc biệt nhất, chính trên lớp này ta sẽ nhìn thấy các vết tối cũng như các vết sáng của Mặt trời

Hình 2 9 : Quang phổ Mặt trời

Hình 2 10: Quang phổ Mặt trời ngoài khí quyển Trái đất

Km, và bắt đầu ở độ cao từ 10 km (hình 2.11) Đó là những kết quả nghiên cứu về

sắc cầu khi có hiện tượng nhật thực toàn phần xảy ra (sở dĩ phải đến khi có hiện tượng nhật thực xảy ra chúng ta mới quan sát được sắc cầu là do độ sáng chói của sắc cầu kém hơn quang cầu hàng trăm lần, khi có nhật thực toàn phần xảy ra thì phần quang cầu mới hoàn toàn bị che khuất)

Khi bắt đầu xảy ra hiện tượng nhật thực thì phía sau mặt trăng tối đen người ta nhìn thấy một cái vòm cuộn sáng rực rỡ viền quanh đĩa mặt trăng đó chính

là sắc cầu và viền sáng này có độ dày từ 12.103-15.103 Km Như chúng ta đã biết càng ra xa thì nhiệt độ của các lớp trên Mặt trời càng giảm xuống nhưng tại sao các tia sắc cầu lại có nhiệt độ cao hơn trong quang cầu? Điều đó được giải thích như sau: Do sự lan truyền các sóng và từ trường từ vùng đối lưu lọt vào sắc cầu vật chất

ở đây bị nun nóng lên giống hệt như một lò vi sóng khổng lồ, tốc độ chuyển động nhiệt của các hạt tăng cao, va chạm giữa các hạt với nhau cũng xảy ra thường xuyên

và mạnh hơn làm cho các nguyên tử bị mất electron phía ngoài, vật chất trở thành plasma bị ion hóa, nóng bỏng Chính những quá trình vật lý này nó đã duy trì nhiệt

độ từ vùng đối lưu mang lên các lớp sắc cầu nên nhiệt độ của nó cao hơn quang cầu

40

Hình 2 11: Sắc cầu do vệ tinh Hinode của JAXA gửi về ngày 12/01/2007

Hình 2 12: Sắc cầu theo hướng từ trường vòng dọc ngoài Mặt trời

Hình dạng của sắc cầu thường thay đổi, chứng tỏ rằng các khí tạo nên nó không ngừng chuyển động Chính vì vậy, đôi khi có một cái gì đó như các vụ nổ xảy ra ở những vùng rất nhỏ trong khí quyển Mặt trời Đó chính là những cơn bùng sáng của sắc cầu, thường kéo dài vài ba chục phút, khi xảy ra cơn bùng sáng thì sự phát sáng của từng khu vực riêng biệt trên sắc cầu tăng mạnh, có khi gấp hàng chục