Sự hình thành của vũ trụ, điểm khởi đầu của vụ trụ - vụ nổ lớn, thành phần và trạng thái ban đầu của vũ trụ sau vụ nổ lớn, quá trình tổng hợp hạt nhân trong vũ trụ, các quá trình tổng hợp hạt nhân khác, quá trình tiến hóa vũ trụ, quá trình tiến hóa của các sao...
ĐỊA HĨA HỌC 565 Địa hóa Vũ Trụ N g u y ề n V ă n Phô V iệ n Đ ịa chât, V iệ n Hàn lâm Khoa học C ông nghệ V iệ t Nam Giới thiệu Cho tới nay, nhiểu vân đ ể đặt v ể tổn cua nhân loại Trái Đât khơng chí liên quan đ ến nguồn gốc Trái Đâ't mà liên quan đến nguồn g ốc Vù Trụ, chât không gian thời gian Trái Đất m ột vật th ế Vù Trụ, bời quy luật tiến hóa Trái Đất khơng thê vượt ngồi quy luật tiến hóa chung Vũ Trụ Song chắn trình tiến hóa Trái Đất, đặc biệt phát sinh phát triến sốn g đ ây phải có n hù ng nét riêng biệt H àng loạt câu hỏi đặt như: liệu Vù Trụ có điếm khởi đẩu khơng? N ếu có điểm khởi đẩu điểm cuối? Vù Trụ có ranh giới khơng ranh giới tổn th ế nào? Tât nhiên, nhừng vân đ ể thuộc lĩnh vực Hóa học vù trụ; son g giải n h ũ n g vân đ ề có tẩm cỡ v ĩ m ô đ ỏ liền với việc giải vân đ ể v ể n guồn g ốc n gu yên tố hóa học - m ột vấn đ ể địa hóa học đại khắp nơi theo thời gian khoảng cách vật lý thực tăng lên hai điếm đ ổn g chuyên động Với n hữ ng tiến khoa học đại lý thuyết Vụ nô lớn công nhận đăn, cơng trình lý thuyết v ề Vũ trụ học phẩn m rộng hiệu chình lại lý thuyết ban đẩu N h ữ n g bước tiến vư ợt bậc vào n h ũ n g năm 1990 n hù ng năm đầu th ế kỷ 21 nhờ vào phát triển kỹ thuật kính thiên văn kết hợp với lư ợng lớn dừ liệu vệ tinh m áy thăm dò p hón g xạ vũ trụ (COBE), kính thiên văn khơng gian H ubble m áy d ò dị hướng vi són g YVilkinson (VVMAP) cho phép nhà vũ trụ học tính tốn râ't nhiều thông s ố v ể Vụ nô lớn với độ xác cao cho khám phá bất ngờ Vũ Trụ giãn nở đểu mà có gia tốc Sự hình thành Vũ Trụ Điểm khởi đầu Vũ Trụ - Vụ nổ lớn Khởi đ iểm Vũ Trụ đ ợc côn g nhận rộng rãi n hát Vụ n o lơn (Big Bang) Lý thuyết Vụ nô lớn m ột m ô hình Vũ trụ h ọc nồi bật, m ô tả giai đoạn sơ khai hình thành Vũ Trụ Theo lý thu yết n ày, Vù Trụ ban đẩu đ ợc h ình d u n g m ột bọt n h ỏ d òn g chày thời gian hay gọi "điếm kỳ dị", đ ó có tồn khối lư ợng lư ợ n g n hư có với m ật đ ộ vật chất n hiệt độ v ô cù n g lớn m ột thời đ iếm hữu hạn khứ K hoảng 13,79810,03 tý năm v ề trước, Vụ nổ lớn xảy chi khoảnh khắc 10‘33s nhiệt đ ộ áp suất tăng vọt hầu hết vật chất chi tổn m ột d ạn g g iố n g n hư "cháo quark" [H l] Thời đ iểm n ày đ ợc gọi đ iểm "lạm phát vũ trụ" Lý thuyết Vụ n ô lớn k hông th ể cung cấp cách giải thích hay m tả v ể điếm khởi n gu yên n ày, mà có th ể m tả giải thích tiến hóa ch u ng Vũ Trụ sau thời điểm bùng nổ Ý tưởng trung tâm lý thuyết trình giãn nờ Vũ Trụ, m inh chửng thí nghiệm v ề "dịch chuyên đỏ" thiên hà Đ iểu có nghĩa thiên hà xuất phát từ điểm kỳ dị từ ng gần khứ xa xưa nhât ch ú ng đ ang rời xa V ề chất, Vụ nổ lớn k hông phải tượng nô vật chất bắn xa lấp đầy khơng gian trơng rơng có trước, mà khơng gian tự giãn n Hình Ý tưởng Vụ nổ lớn từ điểm kỳ dị ban đầu Vũ Trụ (Ảnh NASA) Thành phần trạng thái ban đầu Vũ Trụ sau Vụ nổ lớn Chỉ m ột phần triệu giây sau Vụ nô lớn, Vũ Trụ giãn n ò nhiệt độ hạ thâp xu ống 10.1012 K, hạt đẩu tiên xuất proton, neutron, lepton, chiếm đa s ố Vũ Trụ gọi quark-gluon plasm a, chúng nở hấp thụ nhiệt n ên làm nhiệt đ ộ hạ thấp nửa Sau giây đẩu tiên, nhiệt độ hạ xu ống 10.109 K, hạt nhân deutri xuât bị lư ợng photon phá hủy N g i ta cho hạt n gu yên tử co - proton neutron tạo nên từ hạt gọi "quarks", loại hạt chưa đư ợc phát thấy chúng di chuyển m ình ngoại trừ nhiệt đ ộ cao điều kiện tổn sau Vụ nô lớn 566 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT Theo m hình chuẩn v ể cấu trúc vật châ't (SM) n gay sau Vụ nơ lớn (khoảng 10.10'23s đẩu tiên), hạt đ ợc tạo chưa có khơi lượng, Vù Trụ choán đ ầy bời trường H ig g s (trường của hạt H iggs) nhờ có tư ơng tác với trường H iggs mà hạt m ới có khối lư ợng đ ế từ tạo n gu yên tử, phân tử V ậy hạt H ig g s gì? Đ ó d ạng hạt kỳ lạ tuân theo thông kê Bose (gợi b oson) mà H iggs tác giả khác tiên đoán tử năm 1964 đ ợc gọi H ig g s boson (HB) Hạt H iggs nặng (nặng proton khoảng 130 lẩn), thời gian sốn g HB cực ngắn chi tồn Vù Trụ khoáng m ột phẩn triệu triệu giây đẩu tiên D o vậy, đ ế phát hạt H ig g s cẩn tái tạo điều kiện vũ trụ ban đầu Suốt nừa th ế kỷ qua, nhà vật lý hạt nhân tạo m ột m áy gia tốc đủ m ạnh đ ế có th ể tái lập trạng thái Vù Trụ sát n gay sau Vụ n ô lớn nhằm kiếm tra xuât h iện hạt kỳ lạ [H.2] N g y tháng năm 2012, nhà vật lý học Tô chức N g h iên cứu N g u y ê n tử C hâu Âu (CERN) nhận tổn m ột hạt có n h n g đậc tính "thích hợp" với H ig g s boson Kết gây chân đ ộ n g giới khoa học q uốc tế V iệc ch ứ n g m inh hạt H ig g s chẳng n h n g g iú p giớ i khoa h ọc tìm cách giải thích khối lư ợn g vật chất, mà cho phép h ọ đưa n h ữ n g tính tốn m ới v ề Vũ Trụ Quá trình tồng hợp hạt nhản Vũ Trụ Mơ hình tổng hợp hạt nhân B2FH M h ình tổn g h ợ p hạt n hân B2FH (1957) (lây theo chừ đ ẩu tiên nhà khoa học B urbidge E.M., B urbidge G.R., F ow ler VV.A H oyle F), g m kiếu phàn ứ n g hạt nhân khác xảy n hiệt đ ộ thích ứ n g tiến trình phát triến m ột M ột s ố p hán ứ ng n ày có thê xảy đ ổn g thời nhân lớp v o bên ngồi lớn Q trình trọn vẹn có thê đ ợc biếu diễn d ãy p h a n g trình, đ ó hạt nhân hydro h eli đ ợ c th ế h iện b ằng ký hiệu đ ổn g v ị tư n g ứng ỊH+Ị H— + /T +V + 0,422MeV /r + /r l,02M eV (sự thủ tiêu) í H+i H -> 23He + Ỵ + 5,493MeV ị H e+23He - > He+Ị H +;H + 2,859MeV Sự kết hợp trực tiếp proton-proton đê tạo heli-4 chi có th ế xảy n hiệt đ ộ khoảng 10 X ÌOK, chí khả n ăn g xuât h iện kết hợp n ày (hoặc "phán ứ ng x u y ên suốt") cũ n g xảy Q trình chi n g u n n ăn g lư ợ n g hạt nhân cho th ế hệ đ ợ c thành tạo từ xáo trộn ban đẩu hydro h eli n gay sau Vụ n ô lớn [H.3] MeV n + 14.1 MeV Hinh Phản ứng tồng hợp hạt nhân D-T tạo nguồn lư ợ ng tiềm tàng (m theo B2FH, 1957) Chu trình tồng hợp CNO Hình Mơ phòng q trinh phát hạt Higgs cách cho luồng hạt proton va chạm trực diện với tốc độ cực lớn m áy gia tốc (Ảnh: Tamu.edu) N g u y ê n tố sinh hydro, với lư ợng nhỏ heli liti N h ữ n g đám m ây k hổn g lổ chứa n gu yên tố n gu yên thủy sau đ ó hội tụ lại bời lự c hấp dẫn đ ể hình thành nên thiên hà siêu đám thiên hà, n gu yên tố nặng tạo thơng qua q trình tổng hợp hạt nhân lòn g sinh từ vụ nơ siêu C hu trình C N O (carbon -n itro-oxy) đ ợc H ans B ethe (1939) p h át m inh m ột chu trình xúc tác phản ứ n g n h iệt hạch m sa o ch u y ến đổi h ydro thành heli C arbon-12 đ ợ c tốn g hợp từ n g u y ê n th ủ y đ ợ c sử d ụ n g phàn ứ ng đ ợ c tái sin h phản ứ n g cuôi [H.4] iỉ c +Ị h -> iỊ n +y 'ỈN->'ỈC + / r + v 'ỈC + ỊH -^ N + y ĐỊA HÓA HỌC |0 + ỵ 567 'Ị N + Ị H —>'i Các trình tống hợp hạt nhản khác 'ỉ< W ? N + /r + v Trong giai đoạn cuối cua trình tiến hóa, m ột sơ kiểu phàn ứng hạt nhân xuất (B:FH, 1957) Quan trọng phản ứng bắt giừ neutron đ ê tạo m ột số lớn n guyên tu có s ố thứ tự lớn 26 (Fe) Các phản ứng bô sung thêm neutron vào hạt nhân n guyên tử đ ể tạo đ vị có s ố thứ tụ n guyên tử n hu ng có số khối lớn Thí dụ p hư ơng trình sau: 'ị N+Ị H —>^C+;Hc Po ĩ op I g N i+ ỉn -> S N i + y Phương trình cho thấy hạt nhân nickel hâp thụ thêm neutron đê biến thành trạng thái kích thích nickel sau đ ó phát tia gam m a N ickel-63 đ vị p hón g xạ, biên thành đ ổn g vị bền phát hạt p Hình Sơ đồ phản ứng hạt nhân chu trình CNO g N i - * g C u + £ ‘ + ỹ + ,0 M e V (T heo H an s B eth e, 19 ) Kết quà cuối proton kết hợp lại thành hạt nhân heli-4, n hư dây chuyền trực tiếp proton-proton Sau đó, h yd ro nhân chuyển hóa thành "tro" heli, kết hợp h ydro kết thúc nhân bị nén chặt lại d o ảnh h n g trọng lực Phán ứ n g tới hạn heli bị đ ốt cháy kết hợp hạt alpha (quá trình alpha) tạo hạt nhân H e + He— Be J Be+ỊHe—»‘j;C Đ ây mối nối tới hạn d â y ch u y ền tổng đó, V antineutrino ọCu đ ổn g v ị đổng, có thê hấp thụ neutron khác đ ế tạo nên ịịCu gCu+ỉn->SCu + y Đ ổng-64 đ ồn g v ị phóng xạ, bị phân rã theo hướng khác đ ế tạo nên ^ Zn N i , hai đ ổn g vị đểu Ị Ị C u —» ^ỊZ n + p + ỹ + ,7 M e V g C u - ^ N i + y T + V + l,6 M e V hợp hạt nhân, v ì bắc cầu qua h ố ngăn cách đ ộ bền hạt nhân đ ổ n g v ị lithi, beryli bor Phản ứ n g thu thêm proton v o hạt nhân h eli có khả thực hiện, bời v ì sản p hấm tạo thành có chư kỳ bán rà chi 10‘21 giây N ó nhan h ch ón g bị phân hủy lại biến thành h eli hydro Đ ê tạo đ ồn g vị bền kèm phản ú ng bắt g iữ neutron tốc đ ộ phải tăng nhanh, cho đ ổn g vị thu nhận thêm neutron đê tạo trước phân rã thành đ vị ỈH e+|H -»ỈL i TỐC đ ộ bắt g iữ neutron nhanh cẩn thiết đê tạo 30 Zn tù' ígC u N h bô su n g thêm neutron m Cu tạo thành ™Cu / sau đ ổn g vị phân rã P đ ể tạo nên ™Zn 3Li->2He+!H Quá trình alpha thực ch ất chìa khóa đ ể tống hợp nên tất n g u y ên tố sau heli K hơng có q trình có lè tiến trình giữ a hết sứ c ngắn ngủi V ũ Trụ chi b ao g ổ m có h yd ro heli Với nhiệt độ tăng cao nhân, hạt alpha kết hợp với hạt nhân tạo n ên hạt n hân có n g u y ên tử lư ợn g cao iC +ỈH e-^ÍO 'ỈO + Ỉ H e -^ N e Lực đ ẩy tĩnh điện giừ a hạt nhân m ang điện tích d n g hạt alpha làm hạn c h ế kích cờ n g u y ên tử có thê đ ợ c thành tạo bang đ ờng N g u y ên tử nặng nhât đ ợ c thành tạo b ằn g cách g ộ p thêm hạt alpha sNi n ó phân rà thành ịyCo, sau thành ịị¥ e D o đó, phản ứ n g hạt nhân đà làm giàu lên n g u y ê n tố h ọ sắt Z z n + «n->™Zn + r “ Cu + > 29C U — Zn + p -> ]ồ9Cu + ỵ + V + ,2 M e V Quá trình bắt giừ neutron với tốc đ ộ nhanh rât đặc trưng cho q trình N ó đòi hòi kết hợp neutron nhiều Song, khơng thê tính bắt g iữ neutron quy m ô thời gian trình hình thành m ột s ố nguyên tử Các hạt nhân tổng hợp d o bô sung thêm neutron vào dãy phản ú n g gọi trình p ” Ge + |H -> £Se Quá trình xảy tận m ột giai đoạn lớn q trình tiến hóa Vũ Trụ 568 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT Q trình tiến hóa cùa Vũ Trụ Sự hình thành quần thể vật chất Vũ Trụ Q trình tiến hóa Vũ Trụ gắn liền với trình giãn nở hình thành thiên hà Các kết quan sát tính tốn lý thuyết cho thây thiên hà hình thành khoảng m ột tý năm sau Vụ nô lớn từ câu trúc lớn hình thành nhóm thiên hà, đám thiên hà siêu đám thiên hà N h vậy, vật chất Vũ Trụ đư ợc tập hợp thành ''quẩn th ể vật th ể vũ trụ" xếp theo kích thước giảm dần sau: N hóm thiên hà, Sao chổi, Thiên hà, Thiên thạch, Đ ịnh tinh, ẩn tinh Bụi, hô đen q uang m ạnh hơn) lạnh Khối lượng bán kính củng liên quan tới nhiệt độ dãy chính: n ón g lớn, lạnh lại nhò Các dãy tạo lượng đốt cháy hydro tạo heli Các lớn, nóng nên phát nhiều lượng nhỏ Kết qua chúng bị cạn kiệt hydro nhân nhanh N hư vậy, có m ối quan hệ nghịch đ ảo thời gian tổn m ột hay thời gian n ó tổn dãy với khối lượng Các lớn gấp 100 lẩn khối lượng Mặt Trời chi tổn khoảng 106 năm, nhỏ khoảng 0,01 khơi lượng Mặt Trời lại tổn dãy 1010 năm Phân tử, H ành tinh, 10 Vệ tinh, heli N g u y ên tử hydro Các (định tinh) kết cấu sở quẩn thê vũ trụ, vật chât vân phát triển nhờ phản ứng hạt nhân H àng tỷ nhóm lại với hình thành thiên hà [H.5] N hiều thiên hà tập hợp lại thành nhóm thiên hà Các có thê có m ột tập hợp khác có hành tinh bao quanh, bao gồm chổi bốc cháy tiếp cận với m ột quỹ đạo lệch tâm Không gian dải thiên hà lâ'p đầy tia vũ trụ (các m ảnh hạt nhân m ang lượng), photon (ánh sáng) đám m ây chứa khí hạt rắn Các khí chủ yếu hydro heli thành tạo trình giãn nở ban đầu Vũ Trụ N gồi có n gu n tố có n gu yên từ lư ợng cao, tổng hợp phản ứng hạt nhân bên sau bị n ổ tung Thành phần có thê gồm hydro carbon, tiền thân sống Các đám m ây bụi-khí kết hợp lại tạo nên m ới mà q trình tiến hóa chúng tủy thuộc vào khối lượng tỳ lệ H /H e Hình Thiên hà NGC3082 (theo NASA) Q trình tiến hóa Q trình tiến hóa có th ể tìm hiểu thơng qua việc xác đ ịnh đ ộ phát quang nhiệt độ b ể mặt chúng Đ ộ phát quang m ột tỳ lệ với khối lượng, nhiệt độ b ể m ặt m àu sắc lại liên quan đến s ố th ế tích Các xếp dựa m àu sắc chúng (và tuyến hấp thụ) có liên quan tới nhiệt độ b ể mặt Trên sơ đổ theo độ sáng với bước són g xạ (hay m àu) gọi giản đ ổ H ertzsprung-R ussell [H.6], hầu hết (95%) nằm dọc dãy xác định bời mơì tương quan nghịch đảo nhiệt độ độ phát quang (độ trưng) gọi "dãy chính" Đ iều có nghĩa nóng phát nhiều lượng (phát Hình Sơ đồ Hertzsprung-Russell miêu tả dãy Có hai ngoại lệ quan trọng đơi với dãy chính, khổng lổ đỏ nhỏ trắng, đốt hết nhiên liệu H nhân ròi khỏi dãy tiến hóa H ydro nhân khơng bổ sung khác biệt v ể tỷ trọng ngăn cản đối lun nhân n ghèo kiệt lóp ngồi giàu H Phẩn bên nhân bị suy sụp trọng lực Vói su y sụp vừa đủ lớp ngồi liền kể nhân sè bắt đẩu đốt cháy H làm cho ổn định lại Sao băng tượng lượng đáng kinh ngạc N ăng lượng giải phóng m ột băng có thê vượt xa lượng giải phóng tồn thiên hà (có chứa tới khoảng 109sao) vài ngày hay vài tuân ĐỊA HÓA HỌC T h iẻ n th c h Hầu hết thiên thạch n hững vật thê nhỏ hệ Mặt Trời rơi vào bê mặt Trái Đất Sụ đa dạng vê' thành phần hỏa học chúng cho thây chúng thuộc m ột s ố vật thê hành tinh, m ỗi vặt lại có thuộc tính hóa học riêng D o chúng vật liệu tạo nên từ thuở ban đẩu hệ Mặt Trời, nên chúng n guổn thông tin lịch sử xa xưa vê' thành phẩn cùa vật thể hành tinh (YVasson, 1985) Phản loại thiên thạch 569 tạo khoáng vật chứa nước Thành phẩn cùa thiên thạch cho thây nguyên tố tách khòi pha khí theo nhiệt đ ộ giảm Đ iểu có thê bao thê chondrit chứa carbon có hàm lư ợng n guyên tố khó n óng chảy nhơm titan th ể vật chât ban đẩu đư ợc thành tạo từ tinh vân hệ Mặt Trời Các chondrit chứa carbon dạng cuối chúng sản phấm nhiệt độ thấp q trình kết tụ D o đó, thiên thạch cung câp chứng v ề giai đoạn sớm m uộn q trình kết tụ Bảng Thành phần hóa học thiên thạch Theo thành phần, thiên thạch phân loại thành ba nhóm sau: (1) thiên thạch đá chù yếu đ ợc tạo nên từ khoáng vật silicat; (2) thiên thạch sắt (3) thiên thạch sắt-đá bao gồm khoáng vật silicat hợp kim sắt-nickel Các thiên thạch đá chiếm 90% tồn thiên thạch có th ể chia thành ba nhóm : (1) chondrit có đ iếm đặc trưng kiến trúc hạt; hạt hình tròn, elip kích cờ vài m ilim et; (2) achondrit không chứa hạt; (3) chondrit chứa carbon - thành phẩn có chứa hydrocarbon, nước chất bay C hondrit lại đ ợc chia chi tiết thành kiêu en statit (E), cao sắt (H), thâp sắt (L), n g h èo sắt (LL) (Van S chm us YVood, 1967) Các kiểu H, L LL đ ợ c coi chondrit thôn g thường, gồm chủ yếu hợp kim sắt-nickel Các chondrit chứa carbon chia thành ba kiêu dựa tiêu thành phần khoáng vật thành phẩn hóa học (các kiểu I, II, III hay C l, C2, C3) Các chondrit chứa carbon có hạt tương tự hạt chonđrit khác Tuy nhiên, thành phẩn khoáng vật hạt chúng có nhửng khác biệt; tồn hạt bao thể chondrit carbon thành tạo nhiệt độ cao, chi riêng phần gắn kết chúng lại thành tạo nhiệt độ thấp Các thiên thạch đá thê khác biệt đ k ế v ể kiến trúc Sự có mặt hạt dạng cẩu chất m agm a ch ú ng chứng tỏ hạt n n g giọt chảy lỏn g m ột giai đoạn định lịch sử chủng Thành phần thiên thạch Hầu hết chondrit đ ợc thành tạo tử vật th ế tiền thân k hơng phân dị, có nhừng dấu hiệu trải qua biến chất nhiệt tử nhẹ đến mạnh N gư ợ c lại, chondrit chứa carbon lại không bị biến chất đáng kể; chúng bị biến chất chúng lại m ất nước, chât bay hydrocarbon N h thể Bảng 1, m ột s ố chondrit chứa carbon (kiểu I) có thành phần rât g iốn g Mặt Trời Chắc chắn thiên thạch hình thành từ vật chât cù n g thời điếm với Mặt Trời không bị biến đối đ án g k ế v ề thành phẩn từ chúng thành tạo C húng chi th ế biến đổi nước, dẫn đến thành theo phần trăm hàm lượng Hợp phần hóa học Achondrit Achondrit Thiên thạch nghèo Ca giàu Ca Fe trung bình Chondrit chửa carbon Chondrit enstatit Fe (a)_ 20,04 2,92 0,08 90,6 Ni — 1,96 0,17 7,9 Co — 0,07 0,5 p _ — — — 0,2 s — — — — 0,7 FeS 15,07 7,72 1,25 0,14 — S i0 22,56 41,53 54,01 48,17 — t ỉo 0,07 — 0,06 0,51 — AI2O3 1,65 1,55 0,67 13.91 — MnO 0,19 — 0,14 0,46 — FeO 11,39 0,34 0,97 15,99 — MgO 15,81 23,23 35,92 7,10 — CaO 1,22 0,74 0,91 10,94 — Na20 0,74 1,26 1,32 0,67 — k 20 0,07 0,32 0,10 0,13 — P2O5 0,28 0,8 0,22 0,11 — h 20 19,89 — 1,14 0,44 — Cr2Ơ3 0,36 0,06 0,39 — NiO 1,23 — CoO 0,06 — — — c 3,10 — — — MKN Tổng: 6,96 100,65 0,56 0,26 0,86(CaS) 0,51(CaS) 99,91 100,00 — — — 0,04 — — 100,3 99,94 (a) Chưa công bố, có thề khơng MKN: Mất nung (Theo Henderson Glass, 1982) N h ữ n g nghiên cứu gần cho thấy tẩt thiên thạch SN C có thành phẩn hóa học thành phẩn đ ổn g vị tương tự khí đẩt Sao Hỏa; từ đó, người ta chấp nhận thiên thạch thoát từ Sao Hỏa va chạm nhỏ hay chối vào hành tinh Hệ Mặt Trời H ệ mặt trời m ột hệ hành tinh có Mặt Trời trung tâm thiên th ể phân b ố phạm vi lực hấp dẫn Mặt Tròi [H.7] Tất hình thành từ su y sụp đám m ây phân tủ khổng lô' cách gần 4,6 tỷ năm Đa phẩn thiên thê quay quanh Mặt Trời khối lư ợng tập trung chủ yếu vào hành tinh có quỹ đạo gần tròn 570 BÁCH KHOA THƯ ĐỊA CHÁT m ặt p h ăn g quỹ đ ạo gẩn trùng khít với n hau, g ọ i m ặt p h an g h oàng đạo lư ợng giải p hóng lớn so với trình tống hợp hydro giai đoạn này, lớp bên Mặt Trời n trờ thành m ột đ ò khống lổ Tuy nhiên, heli lõi cạn kiệt với tốc độ nhanh so với hydro, đ ó Mặt Trời có khối lượng khơng đủ lớn đ ế tiếp tục thực phản ứ n g tổng hợp n guyên tố nặng han phản ứng hạt nhân nhân tắt Các lớp bên n goài bị thổi bay vào không gian, đ ể lại trắng nhỏ rât đậm đặc Hình Hệ Mặt Trời gồm hành tinh vòng vòng ngồi (khơng theo tỷ iệ kích thướ c) Ảnh NASA Bốn hành tinh n hỏ vò n g gồm Sao Thúy (Mercury), Sao Kim (V enus), Trái Đâ't Sao H ỏa (Mars); người ta gọi chúng h n h tinh đất, d o chúng có thành phẩn chủ yếu tù' đá kim loại Bốn hành tinh khí k hốn g 16 vò n g ngồi có khối lư ợn g lớn h an nhiều, gồm : Sao M ộc (Ịupiter) Sao Thô (Saturn) có thành phẩn chủ yếu tử heli h yd ro hai hành tinh nằm cù n g Sao Thiên V ơng (Uranus) Sao Hải V ơng (N eptu ne) có thành phần từ băng, nhu nước, am m oniac m ethan, người ta lại phân loại ch ú n g thành hành tinh băng đá khổng lồ N g o i ra, có m ột s ố thiên thê nhu Sao D iêm V ơng (Pluton) d o kích thước n hỏ n ên đ ợc xếp vào loại hành tinh lùn Sự hình thành tiến hóa hệ Mặt Trời H ệ Mặt Trời h ình thành từ su y sụ p hâp dẫn m ột đ ám m ây phân từ k h ổn g lổ cách đ ây 4,568 tý năm trước Tinh vân Tiền M ặt Trời có khả n ăn g hình thành từ m ảnh vụ n vụ n ô siêu m ới th ế hệ trước [H.8] Khi tinh vân T iền M ặt Trời su y sụp, theo đ ịn h luật bảo toàn đ ộ n g lư ợn g đĩa tinh vân n ày q uay nhanh V ù n g trung tâm, nơi tập trung n hiều khối lư ợ n g nhât trờ nên n ó n g so với vành đĩa q uay x u n g quanh Sau đ ó áp su ất m ật đ ộ h yd ro lõ i n gu yên hành tinh trờ đủ lớn đ ê bắt đ ẩu thực phản ứ n g tổng hợp hạt nhân N h iệt đ ộ, tốc đ ộ phản ứng, áp suât m ật đ ộ tăng ch o đ ến đạt đ ến cân b ằng th ủ y tĩnh Khi đó, Mặt Trời trờ thành m ột sè tổn cho đ ến kết thúc q trình tiến hóa n ó d ãy sơ đ ổ H ertzsp ru n g-R u ssell (xem m ục "Q trình tiêh hóa cùa sao" trên) Trong v ò n g k hoản g 5,4 tỷ năm tới, h yd ro lõi M ặt Trời bị biến đ ổ i toàn thành heli Mặt Trời kết thúc giai đ oạn dãy Khi đ ó phan ứ n g tổng hựp H e nhân làm ch o n ón g Hình Tinh vân Tiền M ặt Trời bao gồm thiên thạch bụi (Ảnh NASA) Thành phần hóa học hệ Mặt Trời D o Mặt Trời chiếm 99,97% khối lượng toàn hệ m ang tên nó, nên thành phần Mặt Trời coi thành phẩn tổng thể hệ Mặt Trời Thành phẩn hóa học Mặt Trời xác định thời quang phô quang quyến vật chất thiên thạch không bị nung chày [Bảng 2], chủ yếu gồm hydro heli đ ợc tạo tử tống hợp hạt nhân sau Vụ nô lớn Trong hai nguyên tố này, H chiếm 74,9% H e - 23,8% khối lượng Mặt Trời Các nguyên tố nặng g ọ i kim loại thiên văn học, chiếm 2% khối lượng Mặt Trời, đ ó phô biên oxy (chiếm gần 1% khối lượng Mặt Trời), carbon (0,3%), n eon (0,2%), sắt (0,2%) Các kim loại đư ợc tạo nhờ vật liệu n h ũ n g trước đư ợc trả v ề khoảng k hông sau kết thúc q trình tiến hóa sau M ặt Trời hình thành Tuy nhiên, Mặt Trời hình thành, heli n guyên tố nặng tích tụ quang qun Trước Mặt Tròi đư ợc hình thành, kim loại xuất phát từ vật liệu trả v ề không trung sao, sau kết thúc q trình tiến hóa Thành phẩn quang quyến thư ờng đư ợc xem thành phần cùa hệ Mặt Trời n guyên thuy Tuy nhiên, Mặt Trời hình thành, heli n gu yên tố nặng tích tụ quang quyến hơn, đ ỏ q uang quyên ngày chứa h eli chi có khốn g 84% n guyên tố nặng so với tiền Bên Mặt Trời, phản ứ ng tố n g hợp hạt nhân làm biến đối thành phẩn hydro biến thành heli, phẩn nhât cua Mặt Tròi ĐỊA HĨA HỌC chi có khoảng 60% heli, hàm lượng kim loại phơ biến khơng đối N gư ời ta nhận dạng đư ợc nguyên tc) nhóm sắt (Fe, Co, N i) bị ion hóa Mặt Trời Báng Độ phổ biến nguyên tố hỏa học Mặt Trời (theo 1o nguyên tử Si) z Kỷ hiệu Độ phổ biến H He ,2 x lu 1,4 x109 Li 2,2 X101 Be B 3,1x10 c 9,3x10 t9 x 1,5x10 ,1 x 8,3x10 4,2x10“ 11 13 14 15 16 17 18 19 21 2 23 24 25 26 27 28 29 8,9x1 o5 7,4x10“ Si 1,0x106 p 7,1x10 3,5x1 o5 7,1x10 ,2 x “ 3^2x10 5,0x1 o ,4x10’ 2,5x10“ 2,3x1 o ,1 x " 5,9x10 7,1x10 ,8 x 4,3x10“ ,6 x o 6,3x1