Phan tich chuong Tu vi mo den vi mo

Độ trưng lớn có nghĩa rằng các ngôi sao có khối lượng lớn tiêu thụ năng lượng hạt nhân của chúng rất nhanh và có cuộc đời ngắn hơn nhiều so với Mặt Trời. Trong thực tế, các quá trình diễ[r]

(1)

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA VẬT LÝ

- 

-NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG II

Đề tài:

NGHIÊN CỨU KIẾN THỨC

CHƯƠNG “TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ”

GVHD : PGS.TS LÊ CÔNG TRIÊM HVTH : BÙI THỊ HÀ THU

Lớp : LL &PPDH Vật lý- Khoá XVIII

(2)

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 4

PHẦN NỘI DUNG 5

1 Đặc điểm chương

2 Nhiệm vụ chương

3 Cấu trúc chương

3.2 Mặt trời Hệ mặt trời

3.3 Sao Thiên hà

3.4 Thuyết Big bag

4 Chuẩn kiến thức

5 Phân tích kiến thức chương

5.1 Các khái niệm

5.1.1 Các hạt sơ cấp

5.1.2 Những đặc trưng hạt sơ cấp

5.1.3 Phân loại loại hạt sơ cấp 11

5.1.4 Tương tác hạt sơ cấp 12

5.1.5 Các hạt Quark 15

5.1.6 Các leptôn 16

5.1.7 Sự thống vĩ đại tương tác 17

5.2 Vũ trụ 19

5.3 Mặt trời 19

5.3.1 Khái niệm 19

5.3.2 Cấu trúc Mặt Trời 20

5.3.3 Hoạt động Mặt Trời 21

5.3.4 Năng lượng Mặt Trời 22

5.3.5 Tổng quan thiết bị sử dụng lượng mặt trời 23

5.3.6 Hiện tượng Nhật thực, Nguyệt thực 27

5.4 Hệ mặt trời 28

5.4.1 Định nghĩa 28

5.4.2 Sự hình thành hệ Mặt Trời 29

5.4.3 Gió Mặt Trời 30

5.4.4 Một số hành tinh hệ Mặt Trời 31

5.4.5 Hố đen 32

5.4.6 Trái Đất 35

5.4.7 Mặt Trăng - Vệ tinh Trái Đất 37

5.5 Sao 43

5.5.1 Định nghĩa 43

5.5.2 Phân loại 43

5.5.3 Sự tiến hóa 46

5.5.4 Tuổi 47

5.6 Thiên Hà 48

5.6.1 Khái niệm 48

5.6.3 Sự tạo thành thiên hà 49

5.6.4 Nhóm thiên hà 50

(3)

5.6.6 Thiên hà 51

5.7 Thuyết Big bang (Vụ nổ lớn) 54

5.7.1 Lược sử thuyết vụ nổ lớn 55

5.7.2 Cơ sở lý thuyết 56

5.7.3 Bằng chứng thực nghiệm 57

5.7.4 Tương lai thuyết Vụ nổ lớn 60

PHẦN KẾT LUẬN 61

(4)

PHẦN MỞ ĐẦU

Trong năm gần đây, chương trình sách giáo khoa biên soạn lại đưa vào giảng dạy nhằm nâng cao chất lượng dạy học, đáp ứng yêu cầu đổi giáo dục theo chủ trương ngành giáo dục nước nhà Vì việc nghiên cứu cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức, cách thể nội dung kiến thức sách giáo khoa vật lí cần thiết, đặc biệt học viên cao học thuộc chuyên ngành Phương pháp dạy học Vật lý Đây nhiệm vụ học phần “ Nghiên cứu chương trình Vật lý phổ thơng”

Trong vật lý nghiên cứu giới vật chất xung quanh hình thành tự nhiên theo hai xu hướng tưởng trái ngược nhau: Thế giới ngày bé nguyên tử, hạt nhân electron, proton, nơtron, quark gọi giới vi mô giới vô lớn trái đất, mặt trăng, mặt trời, sao, thiên hà vũ trụ học gọi giới vĩ mô Giữa hướng nghiên cứu có liên hệ với giúp ta khám phá mô tả giới vật chất thống vô tận SGK 12 SGK 12 nâng cao hành có bước tiến đưa thêm chương "Từ vi mô đến vĩ mô" với nội dung kiến thức vào chương

(5)

PHẦN NỘI DUNG

1 Đặc điểm chương

Theo chương trình sách giáo khoa Vật lí 12- nâng cao, chương “từ vi mô đến vĩ mô” đưa vào cuối chương trình Tồn chương gồm có tiết tiết lí thuyết, tiết tập

2 Nhiệm vụ chương

Chương giới thiệu số nét khái quát giới vô bé (các hạt sơ cấp, hạt quart), giới vô lớn (hệ mặt trời, thiên hà, vũ trụ) thuyết Big bang (vụ nổ lớn) nhằm giải đáp phần cho học sinh câu hỏi có liên quan đến tượng xảy giới

3 Cấu trúc chương

Kiến trức chương trình bày theo hệ thống đây: 3.1 Các hạt sơ cấp

- Khái niệm hạt sơ cấp, số đặc trưng hạt sơ cấp - Sự phân loại hạt sơ cấp Tên số hạt sơ cấp

- Khái niệm phản hạt, hạt quac tương tác hạt sơ cấp 3.2 Mặt trời Hệ mặt trời

- Cấu tạo hệ Mặt Trời, thành phần cấu tạo hệ Mặt Trời - Các đặc điểm hệ Mặt Trời, Trái Đất Mặt Trăng 3.3 Sao Thiên hà

- Phân biệt sao, hành tinh, thiên hà, nhóm thiên hà - Sơ phân biệt loại thiên hà

- Một vài đặc điểm Thiên Hà - Một số nét khái quát tiến hóa 3.4 Thuyết Big bag

- Các kiện dẫn đến đời thuyết Big Bang - Những nội dung thuyết Big Bang 4 Chuẩn kiến thức

- Nêu khái niệm hạt sơ cấp, đặc trưng - Nêu tên số hạt sơ cấp, phân loại

- Nêu khái niệm phản hạt

- Nêu sơ lược cấu tạo hệ Mặt trời - Nêu khái niệm sao, thiên hà

- Nêu nét sơ lượt thuyết Big-Bang 5 Phân tích kiến thức chương

5.1 Các khái niệm 5.1.1 Các hạt sơ cấp

Đến nay, người ta phát hạt có kích thước nhỏ khối lượng nhỏ, chẳng hạn electron, proton, nơtron, mêzôn, muyôn, piôn Tất hạt

(6)

được gọi hạt sơ cấp Nói chung hạt sơ cấp có kích thước khối lượng nhỏ hạt nhân nguyên tử [3]

5.1.2 Những đặc trưng hạt sơ cấp

Các hạt sơ cấp có khối lượng tĩnh khác khơng, trừ phơtơn (γ) có khối lượng tĩnh khơng nitrơno (ν) có khối lượng tĩnh coi khơng (khi nói khối lượng hạt ta hiểu khối lượng tĩnh) - khối lượng hạt sơ cấp thường tính đơn vị khối lượng êlectrơn (me) hay tính MeV/c2 Ví dụ :

Khối lượng mêdôn

π0 = (264,2 ± 0,1)me = (135,01 ± 0,05)MeV/c2

Khối lượng prôtôn

p = (1836,09 ± 0,01)me = (928,256 ± 0,005)MeV/c2

1 Thời gian sống thời gian phản ứng phân rã

Cho đến số hạt sơ cấp, người ta thấy có số hạt bền là: phôtôn γ, nitrơno ν, e+, e-, proton p (bền nghĩa thời gian sống lớn, coi như

vơ cùng) cịn hạt sơ cấp khác sống thời gian phân rã thành hạt khác Ví dụ : nơtrơn (n) có thời gian sống : (1013 ± 26)s phân rã theo phản ứng : n → p + e- +ν

e (phân rã -)

Mêdơn π+ có thời gian sống (2,551 ± 0,026).10-8s phân rã theo phản ứng:

π → μ+ + ν μ

Mêdơn π0 có thời gian sống (1,80 ± 0,026).10-16s phân rã theo phản ứng:

π0 → 2γ

2 Điện tích

Một số hạt sơ cấp trung hòa điện : γ, ν, π0, n, Một số hạt khác mang

(7)

3 Spin

Các hạt sơ cấp có mơmen spin đặc trưng cho chuyển động nội chúng Mômen spin biểu diễn vectơ S có mơđun cho :

| |S  s s( 1).

Và hình chiếu trục z cho bởi: Sz = ms.h

Trong s số lượng tử spin (gọi tắt spin) ms số lượng tử hình chiếu

spin:

Ms = -s, -s+1, 0, s-1,s

Nói cách khác với trị số xác định s có 2s +1 trị số ms; s

ngun hay bán ngun Ví dụ : phơtơn (γ) có spin s = 1; êlêctrơn (e-) có spin = 1/2,

mêdơn π có spin s =

4 Đối hạt

Thực nghiệm lý thuyết chứng tỏ hạt sơ cấp có đối hạt tương ứng Đối hạt có khối lượng, thời gian sống, spin, có điện tích, mơmen từ ngược dấu với hạt

Ví dụ : đối hạt e- e+ có khối lượng, thời gian sống, spin e- có

điện tích ngược dấu, đối hạt p p, n n, π+ π- Đặc biệt có hai hạt

trùng với đối hạt chúng phôtôn medôn π0.

γ ≡ ; 0

 

(dấu ≡ có nghĩa trùng nhau, đồng với nhau)

5 Số lạ

(8)

hypêrơn Y có khối lượng lớn nuclơn : lămđa (Λ0), xígma (Σ+, Σ0, Σ-), ơmêga (Ω-).

Người ta gọi chúng hạt lạ chúng có hai đặc điểm sau đây:

a Chúng sinh trình nhanh (thời gian xảy trình ≈ 10-23s)

và phân rã trình chậm (≈ 10-8s).

b Bao sinh đồng thời hai ba hạt lạ không sinh lẻ loi hạt lạ hay vài hạt lạ loại Ví dụ xảy phản ứng

π- + p → Λ0 + K0 (*)

π- + p → Σ- + K+ (**)

không xảy phản ứng: π- + p → n + K0 (')

n + n → Λ0 + Λ0 (")

Để đặc trưng cho đặc điểm hạt lạ người ta đưa số lượng tử gọi số lạ S:

Hạt K+ K0 Λ0 Σ+ Σ0 Σ- Ω

-Số lạ S 1 -1 -1 -1 -1 -3

Các hạt khác (khơng lạ!) p, n, π có S = Các đối hạt có số lạ ngược dấu với số lạ hạt tương ứng Để giải thích q trình sinh hạt lạ người ta nêu lên định luật sau gọi định luật bảo tồn số lạ: Trong q trình sinh hạt lạ, tổng (đại số) số lạ hệ bảo toàn (ΔS = 0) Dễ dàng thấy tổng số lạ :

Ở hai vế (*) :

= -1 + ; (ΔS = 0) Ở hai vế (**) :

(9)

Nhờ định luật bảo tồn số lạ, ta giải thích khơng xảy q trình ('), (")

Ở hai vế ('):

= +1 (!) (ΔS = ±1) Ở hai vế ("):

= -1 - (!) (ΔS = -2)

Vậy q trình khơng xảy chúng khơng thỏa mãn định luật bảo tồn số lạ [1]

6 Số bariơn

Các hạt sơ cấp có khối lượng lớn hay khối lượng prơtơn (p) có tên chung bariôn Thành thử bariôn gồm nuclôn hypêrơn Điều đặc biệt q trình biến đổi, người ta thấy bariơn có bariơn xuất

Ví dụ: p + p →p + Σ+ + K0

Λ0 → p + π-

π- + p → K0 + Λ0

Để mơ tả q trình bariôn tham gia người ta đưa số lượng tử gọi số bariôn B: số bariôn B hạt bariôn (ρ, n, Λ, Σ) 1, đối hạt chúng -1 Và qui trình giải thích định luật sau gọi

định luật bảo toàn số bariơn Trong q trình biến đổi , tổng số (đại số) bariôn của hệ không đổi (ΔB = 0) [1]

7 Spin đồng vị

(10)

khối lượng p khác khối lượng n p có mang điện tích (nghĩa tương tác điện từ) Như tương tác hạt nhân, người ta coi p n hai trạng thái hạt, tức hạt nuclôn (N) Nếu không để ý đến tương tác điện từ hai trạng thái tương ứng với khối lượng, tương ứng với hai mức lượng gần Ta so sánh tính chất với tính chất êlectrơn ngun tử Nếu khơng để ý đến spin trạng thái êlectrơn nguyên tử tương ứng với mức lượng, để ý đến spin mức lượng tách thành hai mức gần nhau, tương ứng với hai trạng thái êlectrôn khác

định hướng mômen spin (

2 z

s  h

2 z

s  h) Đối với nuclơn, để tiện tính

toán, người ta đưa đại lượng gọi spin đồng vị ta biết hệ có spin thơng thường s hệ có 2s +1 trạng thái ứng với hình chiếu khác spin Tương tự có hệ spin đồng vị I hệ có 2I+1 trạng thái ứng với giá trj khác hình chiếu spin địng vị trục z

Thành thử khái niệm spin đồng vị cho phép ta mô tả trạng thái điện khác hạt Ví dụ : nuclơn có hai trạng thái điện nghĩa : 2I+1 = 2, I=1/2; p n hai trạng thái nuclôn khác hình chiếu Iz spin đồng vị,

cụ thể là:

P có Iz = +1/2

N có Iz = -1/2

Tương tự ba hạt π-, π0

, π+ coi ba tạng thái hạt, nghĩa 2I

+1 =3 Do I =1 Vậy hạt mêdơn π có spin đồng vị : I = Ba trạng thái π-, π0

, π+ ứng với ba giá trị hình chiếu Iz khác spin đồng vị

của π

π+ có I

z=1; π0 có Iz= 0; π- có Iz = -1

Người ta nói (p,n) hợp thành đơi đồng vị, (π-, π0

, π+) hợp thành ba

đồng vị Đặc biệt hạt Λ0 hợp thành đơn đồng vị (I = 0, I

z = 0) Đối hạt có I

(11)

5.1.3 Phân loại loại hạt sơ cấp

Hiện hạt sơ cấp biết phân thành bốn loại sau:

a. Phôtôn (γ): lượng tử ánh sáng, khối lượng tĩnh khơng

b. Léptơn: hạt nhẹ gồm có nơtrinô (ν), êlectrôn (e-) mêdôn μ- đối hạt

của chúng Gần người ta lại phát có hai loại nơtrino: loại ln đôi với êlectrôn (νe) loại đôi với mêdơn μ (νμ)

Ví dụ:

p → n + e+ + ν

e : n → p + e- + νe

π+ → μ+ + ν

μ π- → μ- + νμ

Do người ta phân hai loại họ leptôn: leptôn êlectrôn e (e, νe) leptôn

êlectrôn μ (μ, νμ)

Một điều đặc biệt phản ứng biến đổi sinh cặp leptôn họ leptơn lại xuất leptơn khác họ Ví dụ :

K+ → μ+ + ν μ

μ- → e- + ν e + νμ

Để mơ tả tính chất leptơn người ta đưa số lượng tử gọi số leptôn l Các leptôn e-, μ-, ν

e, νμ có l = 1.Đối hạt có số leptơn ngược dấu so với hạt Các

quá trình giải thích định luật gọi định luật bảo tồn số leptơn (êlectrơn hay mêdơn) : Trong q trình biến đổi, tổng (đại số) số leptơn hệ bảo tồn.

c. Mêdơn : hạt trung bình có khối lượng khoảng 200÷900 lần khối lượng êlectrơn Có hai nhóm mêdơn mêdơn π (π-, π0

, π+) mêdôn K (K+, K0)

d. Bariôn: Các hạt nặng có khối lượng hay lớn khối lượng prơtơn Có hai nhóm prơtơn : nuclơn (p, n) hay hypêrôn (Λ, Σ) Năm 1964 người ta tìm hypêrơn ơmêga (Ω-), khối lượng (3278 ±6)m

e

(12)

Đối với ađrôn, Gellman - Nishijima đưa cơng thức sau đây, liên hệ điện tích Q, hình chiếu spin đồng vị Iz , số lạ S số bariôn B hạt:

2 z

B S Q I  

Q số điện tích hạt tính theo đơn vị e.Ví dụ hạt prơtơn: 1

2

Q    ;

đối với nơtrôn:

1 0

2

Q    ;

đối với ômêga (Ω-)

( 3)

Q    

5.1.4 Tương tác hạt sơ cấp

Các hạt sơ cấp ln biến đổi; q trình biến đổi kể ra: q trình tán xạ hạt lên hạt khác, trình sinh hạt, q trình hủy hạt, Nói chung hạt sơ cấp có tương tác Ngày người ta biết có bốn loại tương tác hạt sơ cấp:

1 Tương tác mạnh: tương tác ađrơn trừ q trình phân rã chúng Ví dụ tương tác nuclơn (q trình lukoa) loại tương tác mạnh:

p + n → n + π+ + n → n + p ;

p + n → n + π- + p → p + n ;

n + n → n + π0 + n → n + n ;

p + p → p + π0 + n → p + p ;

Ví dụ khác:

(13)

K0 +p → π+ + Λ0

2 Tương tác điện từ: tương tác phơtơn hạt mang điện Ví dụ:

e+ + e- → 2γ (hủy cặp)

π0 → 2γ

γ + hạt nhân → e+ + e- (sinh cặp)

π+ + π- → 2γ

γ + e- → e- (quang điện)

Nói chung hạt tương tác với đối hạt cho hai phôtôn

3.Tương tác yếu: bao gồm q trình phân rã ađrơn, hấp thụ mêdơn chất q trình có nơtrinơ Ví dụ:

p → n + e+ + ν

e : (phân rã β+)

n → p + e- + ν

e (phân rã β-)

π+ → μ+ + ν μ

π- → μ- + νμ

4 Tương tác hấp dẫn: tương tác phổ biến vật có khối lượng

Khi khảo sát hạt sơ cấp người ta thường bỏ qua tương tác nhỏ không dáng kể Nếu so sánh độ mạnh tương đối bốn loại tương tác trên, ta có bảng sau:

Loại tương tác Mạnh Điện từ Yếu Hấp dẫn

Độ mạnh (qui ước) 1/137 10-14 10-39

(14)

- Bảo toàn lượng - Bảo tồn động lượng

- Bảo tồn mơmen động lượng - Bảo tồn điện tích

- Bảo tồn số bariơn

- Bảo tồn số leptơn êlectrơn - Bảo tồn số leptơn mêdơn

Ngồi có định luật bảo tồn số loại tương tác Ví dụ: tương tác mạnh có định luật bảo tồn số lạ S, bảo tồn spin đồng vị I bảo tồn hình chiếu spin đồng vị Iz ;trong tương tác điện từ có định luật bảo

tồn số lạ S bảo tồn hình chiếu spin đồng vị Iz ; tương tác yếu có hạt lạ tham

gia, số lạ hình chiếu spin đồng vị biến đổi theo quy tắc lựa chọn : ΔS = ±1

ΔIz = ±1/2

Ví dụ xét q trình tương tác yếu có hạt lạ tham gia sau: K+ → μ+ + ν

μ (ΔS = -1) ; (

1 z

I

  ) ;

Còn q trình tương tác yếu có leptơn tham gia khơng tn theo hai định luật bảo toàn số lạ, bảo toàn spin đồng vị chúng khơng có số lạ spin đồng vị Ngồi cịn có định luật bảo tồn khác định luật bảo toàn chẵn lẻ v.v

Hiện phát khoảng 300 hạt sơ cấp có hàng trăm hạt sinh tương tác mạnh Những hạt có tính chất đặc biệt, thời gian sống cực ngắn vào cỡ thời gian hạt nhân (10-23s), khối lượng chúng khơng có giá trị xác

định Người ta gọi hạt cộng hưởng

(15)

luật bảo toàn khác định luật bảo toàn số leptôn êlectrôn, số leptôn mêdôn, số bariôn, số lạ, spin đồng vị, chẵn lẻ [1]

5.1.5 Các hạt Quark

Vì số hạt sơ cấp phát ngày nhiều nên từ lâu nhà vật lý đặt vấn đề tìm hiểu xem liệu hạt sơ cấp có cấu tạo số hạt khác "cơ bản" ? Câu trả lời là: Điều hoàn toàn phù hợp với quan điểm chủ nghĩa vật biện chứng: trình sâu tìm hiểu cấu tạo bên vật chất, coi đối tượng vật chất đối tượng vật chất khác "viên gạch" cuối tạo nên chất

Ngay từ năm 1963 - 1964 Gelman - ZWeig giả thuyết hạt ađrôn cấu tạo ba hạt "cơ bản" gọi chung hạt Quark tên cụ thể u, d s Các hạt Quark có spin J=1/2 đặc biệt chúng có điện tích phân số điện tích nguyên tố e

Bảng sau cho biết giá trị spin J, điện tích Q (tính theo đơn vị e), số bariôn B số lạ S ba hạt quark u, d, s với đối hạt chúng

Quark J Q B S

(16)

Giả thuyết cấu tạo quark ađrơn giải thích nhiều kết phù hợp với thực nghiệm; đặc biệt tiên đốn tồn hạt Ω- ; hạt được

thực nghiệm tìm sau năm với đặc trưng vật lý phù hợp với tính toán lý thuyết

Năm 1969 xuất giả thuyết cho phải tồn hạt quark thứ tư, kí hiệu c : hạt mang tính chất vật lý đặc trưng lượng tử gọi số "duyên" C (charm)

Hạt

quark J Q B S C b

B

2

1



3 0

b

2

1

 0 -1

Giả thuyết tồn hạt quark b chứng minh người ta tìm hạt sơ cấp γ (upsilon), hạt có cấu tạo bb Hiện nhà vật lý thừa nhận

tồn hạt quark thứ sáu, hạt t (top) tương ứng với hạt leptơn nói mục sau Năm 1994 số nhà vật lý trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu thông báo tìm thấy hạt quark t (trong máy gia tốc Tevatron: mt ≈ 1746eV/c2) [1]

5.1.6 Các leptôn

Trong năm 30 kỉ XX người ta biết có hạt leptơn Êlectrôn e- ; mêdôn μ- ; nơtrinô ν.

Sau phát tồn hai hạt nơtrinô khác νe tương ứng với hạt

êlectrôn e- ν

μ tương ứng hạt mêdôn μ-

Vào khoảng năm 80, người ta tìm hạt leptơn nặng, hạt τ-, khối

lượng 17 lần khối lượng hạt mêdôn μ- Và người ta thừa nhận phải tồn hạt

nơtrinô thứ ba ντ tương ứng với hạt τ-

Như có hạt leptơn xếp thành cặp tương ứng e- ν

(17)

μ- ν μ

τ- ν τ

5.1.7 Sự thống vĩ đại tương tác

Trong số tương tác hạt sơ cấp (mạnh, điện từ, yếu, hấp dẫn), tương tác điện từ nghiên cứu từ lâu đến hình thành lý thuyết hoàn chỉnh phù hợp với thực nghiệm cách tuyệt vời Ví dụ tính tốn mơmen từ dị thường êlectrơn, điện động lực học lượng tử (lý thuyết tương tác điện từ) tìm kết quả:

μc = (1159652359 ± 282)10-12 ,

trong kết thực nghiệm : μc = (1159652410 ± 200)10-12

Theo điện động lực học điện tử, tương tác điện từ tương tác không trực tiếp : hai hạt tích điện (đứng yên hay chuyển động) tương tác điện từ với thông qua trao đổi phôton Hạt phôton gọi lượng tử trường điện từ (hay gọi hạt trường tương tác điện từ)

Những tính toán lý thuyết kiện thực nghiệm chứng tỏ nhiều trường hợp, bốn tương tác nói có thể giống Đặc biệt người ta chứng minh giới hạn lượng cao bốn tương tác nói tiến đến giới hạn

Về mặt lý thuyết diễn tả bốn tương tác nói hệ hình thức - lý thuyết trường chuẩn Yang-Mill Nói cách khác thống bốn loại tương tác voái nhau: thống gọi sự thống vĩ đại.

Theo lý thuyết này, tương tác tương tác khơng trực tiếp - có hạt trường tương ứng; hạt trường boson

(18)

Tương tác yếu có hạt trường W+ , W- , Z0;

Nhà vật lý người Italia Carlo Rubbia với 148 cộng sự, sau năm cải tiến máy gia tốc CERN đạt tới lượng 540GeV, đến năm 1983 thông báo tìm boson trung gian W+ W- Z0.

Theo tính tốn lý thuyết khối lượng W± vào cỡ 78GeV/c2, Z0 vào cỡ

89 GeV/c2 ; thực nghiệm cho kết (81±5)GeV/c2

Việc tìm boson trung gian thắng lợi rực rỡ lí thuyết thống vĩ đại Và với việc tăng không ngừng lượng máy gia tốc hạt, người ta hy vọng tiếp tục tìm chứng minh thực nghiệm lý thuyết

Để kết thúc, tóm tắt sơ đồ cấu tạo vũ trụ sau: vật chất tồn hai dạng : hạt trường ; với dạng hạt có hạt bản, với dạng trường có hạt truyền tương tác

Hạt

Trường (tương tác)

Quark Lepton loại hạt

trường

hạt ( )2

W m

c Q hạt ( )2

W m

c Q

U 5MeV/c2

3 νe < eV/c

2 0

D 10MeV/c2

3

 e- 0,511MeV/c2 -1 yêú W

+, W- ,

Z0

C 1500

MeV c

2

3 νμ < 65MeV/c

2 0 điện từ phôton

S 250MeV/c2

3

 μ 106MeV/c2 -1

T 174GeV/c2

3 ντ < 250MeV/c

(19)

B 4800MeV/c2

3

 τ 1748MeV/c2 -1

Sơ đồ cấu tạo đựơc gọi mẫu chuẫn hay mơ hình chuẫn cấu tạo vật chất Ngày mơ hình chuẫn đa số nhà vật lý thừa nhận [1]

5.2 Vũ trụ

Vũ trụ toàn hệ thồng khơng - thời gian sống, chứa toàn lượng hay vật chất Môn học nghiên cứu vũ trụ, khoảng cách lớn có thể, vũ trụ học, mơn khoa học kết hợp Vật lí thiên văn Vũ trụ học vào cuối kỉ 20, phân thành hai nhánh chính: vũ trụ học thực nghiệm vũ trụ học lí thuyết Các nhà vũ trụ học thực nghiệm gần từ bỏ hy vọng quan sát tồn vũ trụ Trong đó, nhà vũ trụ học lí thuyết phát triển mơ hình cho tồn vũ trụ, bất chấp khả lí thuyết khơng có đủ chứng thực nghiệm để kiểm chứng [6]

5.3 Mặt trời 5.3.1 Khái niệm

(20)

Mặt Trời ngơi thuộc chuỗi biểu đồ Hertzsprung-Russell, với cấp quang phổ G2, có nghĩa mức độ nặng nóng ngơi trung bình nhỏ nhiều so với xanh khổng lồ Các G2 nằm chuỗi có tuổi thọ khoảng 10 tỷ năm (10 Ga), Mặt Trời hình thành cách khoảng Ga (5 tỷ năm) trước theo kết tính tốn ngành niên đại vũ trụ học Mặt Trời quay

xung quanh tâm Ngân Hà khoảng cách khoảng 25.000 đến 28.000 năm ánh sáng tính từ tâm thiên hà này, hoàn thành chu kỳ quay vào khoảng 226 Ma (226 triệu năm) Vận tốc quỹ đạo

217 km/s, có nghĩa năm ánh sáng 1.400 năm đơn vị thiên văn (AU) ngày di chuyển [6]

5.3.2 Cấu trúc Mặt Trời Mặt Trời hoàn toàn khối khí Khoảng 75% ( kg khí) hiđrơ, 23% hêli, khí cịn lại chiếm 2% Nếu tưởng tượng thực

một hành trình từ tâm Mặt Trời ngồi, qua hành tinh, mật độ khí ln ln giảm xuống Mật độ khí giảm cỡ 10 lần Đầu óc người nghĩ những26 số dễ dang Bởi vậy, để tìm hiểu Mặt Trời, chia Mặt Trời lớp khác cách thuận tiện Nhân tâm Mặt Trời nóng ( T ~ 1,6.107K) Ở đó, nhiệt tạo phản ứng hạt nhân Bức xạ rất

(21)

toàn phần xảy Việt Nam vào năm 1995 Các lớp phía ngồi Mặt Trời, kể quang vành nhật hoa gọi khí Mặt Trời Khi xa nữa, khí Mặt Trời chuyển động xa Mặt Trời Đó gió Mặt Trời Nó thổi qua hành tinh gặp khí cách Mặt Trời khoảng 150 đơn vị thiên văn (đ.v.t.v) [5]

Bề mặt Mặt Trời lớp khí mà từ ánh sáng tới chúng ta, lớp mà chụp ảnh Lớp - gọi quang quyển, nét sắc cạnh Mặt Trời độ dày nó, khoảng 3.102km, nhỏ so với chi tiết nhỏ nhất mà nhận (thậm chí với kính thiên văn) nhìn vào Mặt Trời qua khí Trái Đất Bán kính Mặt Trời xác định khoảng cách quang tính từ tâm Mặt Trời, R = 7.105km Màu sắc cường độ của ánh sáng Mặt Trời (được xác định tương ứng theo định luật dịch chuyển Wien định luật Stefan-Boltzman) cho nhiệt độ bề mặt vào khoảng 5,8.103K

Khí Mặt Trời chia làm hai lớp có tính chất Vật lý khác sắc cầu nhật hoa Sắc cầu lớp khí nằm sát mặt quang cầu có độ dạy 10 000km có nhiệt độ khoảng 4500K Phía ngồi sắc cầu Nhật hoa Nhật hoa có mật độ hạt khoảng 1011 hạt/m³, quang quyển có mật độ hạt khoảng 1023 hạt/m³ [5].

5.3.3 Hoạt động Mặt Trời

- Sự vệ tinh quay quanh Trái Đất

Nhật hoa Mặt Trời phát xạ chủ yếu tia X Một số tia X chạm vào khí Trái Đất Khi tia X bị dừng lại nguyên tử phân tử khí Trái Đất, khí Trái Đất bị nung nóng Khi khí Trái Đất bị nung nóng, nở Nó nở phía Vào năm có nhiều vết đen Mặt Trời, nhật hoa phat nhiều tia X khí Trái Đất nở độ cao lớn Khi khí Trái Đất nở tới độ cao nơi có quỹ đạo vệ tinh, khí Trái Đất tác dụng lực ma sát lên vệ tinh Ma sát làm vệ tinh độ cao, chuyển động vào khí đậm đặc hơn, ma sát lớn hơn, trình tiếp diễn vệ tinh bốc cháy bay khí Trái Đất

- Chớp lửa Mặt Trời

(22)

thường nhật hoa Một chớp lửa thực vụ nổ khổng lồ nhật hoa Ngun nhân gì? Một chứng: Chớp lửa diễn nhóm vết đen Mặt Trời với hình ảnh phức tạp nhóm lớn vết đen

- Khí nhật hoa phóng nguy hiểm sở hạ tầng kĩ thuật Thỉnh thoảng, số vành khí

nóng nhật hoa đột ngột dâng lên phía Mặt Trời dịch chuyển xa vũ trụ Rõ ràng chúng bật chúng trở nên lớn, đạt tới độ cao cao phía Mặt Trời đến mức lực hấp dẫn Mặt Trời bé đáng kể so với lực hấp dẫn bề mặt Mặt Trời Khí đạt tới tốc độ từ 500 đến 1000 km/s, nhanh tốc độ thoát

ra từ Mặt Trời độ cao Hằng số Mặt Trời thay đổiVì vết đen Mặt Trời tối nên dự đoán suốt cực tiểu vết đen Mặt Trời có ánh sáng Mặt Trời lượng tới Trái Đất Có lẻ điều ảnh hưởng đến khí hậu Trái Đất chăng? Việc đo cách xác thơng lượng lượng Mặt Trời tới Trái Đất phải tiến hành từ vệ tinh khó khăn, xét mặt kĩ thuật Từ khoảng năm 1980, vệ tinh đo thông lượng lượng Mặt Trời với độ xác tốt 0,1% Kết quả: thực thông lượng lượng Mặt Trời khoảng cách đơn vị thiên văn thay đổi Hằng số Mặt Trời số

5.3.4 Năng lượng Mặt Trời

(23)

Ánh sáng nói riêng, hay xạ điện từ nói chung, từ bề mặt Mặt Trời xem nguồn lượng cho Trái Đất Hằng số lượng mặt trời tính cơng suất lượng xạ trực tiếp chiếu đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất; khoảng 1370 Watt mét vuông Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ phần bầu khí Trái Đất, nên phần nhỏ tới bề mặt Trái Đất, gần 1000 Watt/m² lượng Mặt Trời tới Trái Đất điều kiện trời quang đãng Năng lượng dùng vào q trình tự nhiên hay nhân tạo Quá trình quang hợp sử dụng ánh sáng mặt trời chuyển đổi CO2 thành ôxy hợp

chất hữu cơ, nguồn nhiệt trực tiếp làm nóng bình đun nước dùng lượng Mặt Trời, hay chuyển thành điện pin lượng Mặt Trời Năng lượng dự trữ dầu mỏ giả định nguồn lượng Mặt Trời chuyển đổi từ xa xưa trình quang hợp phản ứng hóa sinh sinh vật cổ 5.3.5 Tổng quan thiết bị sử dụng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời nguồn lượng mà người biết sử dụng từ sớm, ứng dụng NLMT vào công nghệ sản xuất quy mô rộng thực vào cuối kỷ 18 chủ yếu nước nhiều lượng mặt trời, vùng sa mạc Từ sau khủng hoảng lượng giới năm 1968 1973, NLMT đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển tiên phong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT Các ứng dụng NLMT phổ biến bao gồm lĩnh vực chủ yếu sau:

a. Pin mặt trời

(24)

triển với tốc độ nhanh, nước phát triển Ngày người ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay dần nguồn lượng truyền thống

b. Nhà máy nhiệt điện sử dụng lượng mặt trời

Điện cịn tạo từ NLMT dựa nguyên tắc tạo nhiệt độ cao hệ thống gương phản chiếu hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện

Hình 3: Tháp lượng Mặt trời Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào thu đặt tiêu điểm của gương, nhiệt độ đạt 1500oC

Hiện NLMT ứng dụng phổ biến lĩnh nông nghiệp để sấy sản phẩm ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt tăng chất lượng sản phẩm Ngoài mục đích để sấy loại nơng sản, NLMT cịn dùng để sấy loại vật liệu gỗ

(25)

Bếp lượng mặt trời ứng dụng rộng rãi nước nhiều NLMT nước Châu Phi

Hình Triển khai bếp nấu cơm NLMT.

Ở Việt Nam việc bếp lượng mặt trời sử dụng phổ biến Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực lượng - Đại học Đà Nẵng phối hợp với tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án (30 000 USD) đưa bếp lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử dụng vùng nông thôn tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án phát triển tốt ngày đựơc đông đảo nhân dân ủng hộ Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

(26)

Hình 5: Động Stirling dùng NLMT để chạy động nhiệt - động Stirling ngày nghiên cứu ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới nông trại Ở Việt Nam động Stirling chạy NLMT nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế Như động Stirling, bơm nước dùng lượng mặt trời [6]

Hình 6: Bơm nước chạy NLMT 5.3.6 Hiện tượng Nhật thực, Nguyệt thực

(27)

Nhật thực xảy Mặt Trăng qua Trái Đất Mặt Trời che khuất hoàn toàn hay phần Mặt Trời quan sát từ Trái Đất Điều xảy thời điểm sóc trăng non quan sát thấy từ Trái Đất, Mặt Trời Mặt Trăng giao hội Nhật thực toàn phần nhiều người coi tượng thiên nhiên đặc biệt mà người quan sát Dĩ nhiên, nhật thực quan sát thấy vùng Trái Đất ban ngày

Hiện tượng Nhật thực Hiện tượngNguyệt Thực b Hiện tượng Nguyệt thực

Nguyệt thực tượng thiên văn Mặt Trăng vào hình chóp bóng Trái Đất, đối diện với Mặt Trời Trên tất điểm nằm bán cầu quay Mặt Trăng nhìn thấy nguyệt thực Nguyệt thực bán phần khó nhìn thấy mắt thường ánh chói Mặt Trời giảm thiểu

Khi nguyệt thực toàn phần diễn ra, tia Mặt Trời trước đến Mặt Trăng chiếu vào chóp bóng Trái Đất bị khí Trái Đất khúc xạ Các tia sáng bước sóng ngắn bị cản lại hết, cịn tia có bước sóng dài (đỏ, cam) xuyên qua, đó, Mặt Trăng thường màu đỏ nhạt

Thời gian tối đa nguyệt thực toàn phần: 104 phút (trường hợp thường hay tái diễn); nguyệt thực phần: [7]

(28)

5.4.1 Định nghĩa

Hệ Mặt Trời (cũng gọi Thái Dương Hệ) hệ hành tinh có Mặt Trời trung tâm thiên thể nằm phạm vi lực hấp dẫn Mặt Trời, gồm hành tinh quay xung quanh, số hành tinh có vệ tinh riêng chúng, lượng lớn vật thể khác gồm hành tinh lùn (như Diêm Vương Tinh), tiểu hành tinh, chổi, bụi plasma

Từ ngoài, Hệ Mặt Trời gồm:  Mặt Trời

 Các hành tinh Thủy Tinh, Kim Tinh, Trái Đất, Hỏa Tinh, Mộc Tinh, Thổ Tinh, Thiên Vương Tinh, Hải Vương Tinh

 Ba hành tinh lùn Ceres, Diêm Vương Tinh Eris (được thức xếp loại hành tinh lùn kể từ tháng năm 2006)

 Ngồi Vịng đai Kuiper Đám Oort

Xen kẽ hành tinh có thiên thạch bụi chổi Ngoài cịn có nhật (heliosphere), cấu trúc lớn Hệ Mặt Trời, tạo thành từ ảnh hưởng từ trường quay Mặt Trời plasma, gọi gió Mặt Trời, chốn đầy khơng gian hệ Mặt Trời Nó hình dạng hình cầu với giới hạn ngồi giới hạn Hệ Mặt Trời [6]

5.4.2 Sự hình thành hệ Mặt Trời

(29)

dạng hạt bụi băng Do số nguyên nhân chưa biết, đám mây trở nên đủ đậm đặc để có lực hấp dẫn đủ mạnh để bắt đầu co lại tác dụng lực hấp dẫn Những phần bên đám mây co thành cầu khí sau vài triệu năm trở thành Mặt Trời Phần đám mây co lại lực hấp dẫn Lúc đầu, khí bên ngồi quay chậm, co lại, bắt đầu quay nhanh (bảo tồn mơ-men xung lượng) Khi khí quay đủ nhanh, lực li tâm cân với lực hấp dẫn Sự co dừng lại Tồn khí dồn lại đĩa bao quanh Mặt Trời tương lai Tưng mẫu khí quay quanh Mặt Trời tuân theo gần định luật Keple Các hành tinh hình thành từ khí Như vậy, giải thích hành tinh mặt phẳng quay chiều xung quanh Mặt Trời Nhưng hành tinh hình thành? Có lẽ kiện sau xảy suốt hàng triệu năm hệ Mặt Trời trẻ [5]

Khí chứa hạt bụi hạt băng Thoạt đầu hạt có kích thước vi mô Thời gian trôi qua, hạt va chạm vào chúng kết thành đá trộn lẫn với băng chúng tiếp tục kết dính thành tảng đá lớn Khi tảng đá đủ lớn, lực hấp dẫn chúng hút tiếp hạt bụi đá Dần dần, thiên thể có kích thước cỡ hành tinh hình thành Vì đại phận tảng đá rơi vào thiên thể cỡ hành tinh với tốc độ lớn, giải phóng nhiều nhiệt năng, nên thiên thể cỡ hành tinh nóng lên nhiều phần chúng nóng chảy Nhiệt cho phép nguyên tố nặng hơn, đặt biệt sắt (Fe) dồn gần tâm thiên thể kiểu hành tinh Nhiệt làm băng bốc thoát khỏi thiên thể Sau thời gian, khơng cịn tảng đá rời vào thiên thể nữa, phần thiên thể có kích thước hành tinh nguội rắn lại Các hành tinh kiểu Trái Đất hình thành Trái Đất cịn có nhân tạo chủ yếu sắt nóng chảy

(30)

chủ yếu hiđrô hêli với lõi vật chất dạng đá rắn tương đối nhỏ nằm gần tâm

Cuối cùng, Mặt Trời trở nên nóng phát sáng, tồn khí, bụi, hạt băng cịn lại bị thổi khỏi hệ Mặt Trời hệ Mặt Trời trở thành có dạng đại thể biết ngày hơm [5]

5.4.3 Gió Mặt Trời

Mặt Trời phát nguồn tia liên tục gồm hạt có khối lượng, dạng plasma biết đến gió Mặt Trời Nó tạo thành vùng có áp suất thấp thâm nhập vào khơng gian hành tinh hướng, vươn tới khoảng cách mười tỷ dặm tính từ Mặt Trời Các lượng nhỏ gồm bụi có mặt khơng gian hành tinh gây tượng ánh sáng hồng đạo Một số bụi có lẽ đến từ bên Hệ Mặt Trời Sự ảnh hưởng từ trường quay Mặt Trời không gian hành tinh tạo nên kết cấu lớn Hệ Mặt Trời

Gió Mặt Trời tiếp xúc với từ Trái Đất

5.4.4 Một số hành tinh hệ Mặt Trời

(31)

Các hành tinh kiểu Mộc Tinh quay quanh Mặt Trời mặt phẳng ( mặt phẳng hoàng đạo) chiều với chiều quanh hành tinh kiểu Trái Đất, với tốc độ quay chậm nhiều Nên quan sát Mộc Tinh nhiều đêm liền, thấy di chuyển chậm chạp Cần khoảng 12 năm để Mộc Tinh chuyển động vịng ngơi trở vị trí chịm ban đầu, nhìn từ Trái Đất Như chu kỳ quỹ đạo xung quanh Mặt Trời Mộc Tinh 12 năm Từ định luật Keple, suy khoảng cách từ Mộc Tinh tới Mặt Trời vào khoảng 5,2 đ.v.t.v Nếu nhìn từ khoảng cách Mộc Tinh, Trái Đất lên chấm màu xanh lam mờ, khó nhận gần Mặt Trời chói sáng

(32)

tính bé tỉ trọng trung bình hành tinh kiểu Trái Đất Bởi hành tinh kiểu Mộc Tinh phải dường nhử thể khí hồn tồn Chúng khơng có bề mặt rắn Khi nói tới bề mặt hành tinh kiểu Mộc Tinh muốn nói đến lớp khí mà từ xạ khả kiến đến chúng ta, nghĩa lớp gồm đám mây nhìn thấy ảnh

Những nguyên tố trạng thái khí dễ dàng hiđrô hêli Thực vậy, tàu vũ trụ Galileo đến Mộc Tinh gửi máy thăm dị nhỏ vào hành tinh này, đo thấy khoảng 75% 1kg khí hiđrơ khoảng 23% hêli Những khí khơng khỏi bề mặt hành tinh kiểu Mộc Tinh trường hợp hành tinh kiểu Trái Đất hành tinh kiểu Mộc Tinh có trường hấp dẫn bề mặt lớn có nhiệt độ bề mặt thấp Mộc Tinh hành tinh nặng nhất, có khối lượng 318 lần khối lượng Trái Đất Lực hấp dẫn bề mặt băng 2,74 lần lực hấp dẫn bề mặt Trái Đất

5.4.5 Hố đen

Hố đen, hay lỗ đen, vùng khơng gian có trường hấp dẫn lớn đến mức lực hấp dẫn khơng dạng vật chất nào, kể ánh sáng thoát khỏi mặt biên (chân trời kiện), trừ khả thất thoát vật chất khỏi lỗ đen nhờ hiệu ứng đường hầm lượng tử Vật chất muốn thoát khỏi lỗ đen phải có vận tốc lớn vận tốc ánh sáng chân khơng, mà điều khơng thể xảy khuôn khổ lý thuyết tương đối, vận tốc

ánh sáng chân khơng vận tốc giới hạn lớn đạt dạng vật chất

Khái niệm lỗ "đen" trở thành thơng dụng từ ánh sáng khơng lọt ngồi, thực lí thuyết hố đen khơng nói loại "hố" mà nghiên cứu vùng mà khơng có lọt

ra Hố đen không biểu ngơi sáng bình thường, mà chúng quan sát gián tiếp qua tương tác trường hấp dẫn hố đen không gian xung quanh

Lý thuyết hố đen lý thuyết vật lí hoi, bao trùm thang đo khoảng cách, từ kích thước cực nhỏ (thang Planck) đến khoảng cách vũ

(33)

trụ lớn, nhờ kiểm chứng lúc thuyết lượng tử lẫn thuyết tương đối Sự tồn hố đen dự đoán lý thuyết tương đối rộng Theo mơ hình thuyết tương đối rộng cổ điển, không vật chất hay thông tin khỏi hố đen để tới tầm quan sát bên Tuy nhiên, hiệu ứng học lượng tử, khơng có thuyết tương đối rộng cổ điển, cho phép vật chất lượng xạ khỏi hố đen Một số lý thuyết cho chất tự nhiên xạ không phụ thuộc vào thứ rơi vào hố đen khứ, nói cách khác hố đen xóa thơng tin q khứ, tượng gọi nghịch lý thông tin hố đen Nghịch lý dường bị lý thuyết loại bỏ cho thông tin bảo toàn hố đen

Từ năm 1964, ngơi "tàng hình" Cygnus X-1 hệ đôi nằm cách Trái Đất 8.000 ly chòm Thiên Nga coi ứng cử viên đầu tiên, chứng minh cho tồn hố đen, hố đen khác không phát Ngân Hà mà nhiều thiên thể khác Hố đen không "xác chết" có khối lượng lớn 1,4 M , chúng bùng nổ thành siêu tân tinh phạm vi thiên hà, mà nhiều ý kiến cho rằng, tất thiên hà chứa hố đen siêu lớn vùng nhân [6]

Sự hình thành hố đen

Lý thuyết tương đối rộng (cũng lý thuyết hấp dẫn khác) không nói hố đen tồn mà cịn tiên đốn chúng hình thành tự nhiên có đủ khối lượng vùng khơng gian trải qua q trình gọi suy sập hấp dẫn Vì khối lượng bên vùng tăng lên, nên hấp dẫn mạnh lên, hay

nói theo ngơn ngữ thuyết tương đối, không gian xung quanh bị biến dạng Khi vận tốc thoát khoảng cách định từ tâm đạt đến vận tốc ánh sáng, chân trời kiện hình thành mà vật chất chắn bị suy sập vào điểm nhất, tạo nên điểm kỳ dị

(34)

Các phân tích định lượng điều dẫn đến việc tiên đốn ngơi có khối lượng khoảng ba lần khối lượng Mặt Trời, thời điểm cuối q trình tiến hóa chắn co lại tới kích thước tới hạn cần thiết để xảy suy sập hấp dẫn (thông thường co lại dừng trạng thái neutron) Khi điều xảy ra, khơng có lực vật lý ngăn cản suy sập đó, hố đen tạo thành

Sự suy sập tạo nên hố đen có khối lượng gấp ba lần khối lượng Mặt Trời Các hố đen nhỏ giới hạn hình thành vật chất chịu tác động áp lực khác ngồi lực hấp dẫn Áp lực vô lớn cần thiết để gây điều tồn vào giai đoạn sớm vũ trụ, tạo nên hố đen nguyên thủy có khối lượng nhỏ nhiều lần khối lượng Mặt Trời

Các hố đen siêu lớn có khối lượng gấp hàng triệu, hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời hình thành có số lớn bị nén chặt vùng khơng gian tương đối nhỏ, có số lượng lớn rơi vào hố đen ban đầu, có hợp hố đen nhỏ Người ta tin điều kiện để tượng xảy số (nếu khơng muốn nói hầu hết) tâm thiên hà, bao gồm Ngân Hà

5.4.6 Trái Đất

Trái Đất, gọi Địa Cầu hay Quả Đất, hành tinh thứ ba Thái Dương Hệ tính từ Mặt Trời trở Địa Cầu hành tinh lớn hành tinh có đất đá Thái Dương Hệ Cho đến nơi toàn vũ trụ biết có sống Tuổi Địa Cầu ước

(35)

lăm đến ba mươi phút trước đồng hồ tưởng tượng bắt đầu chạy), ngơi gần bắt đầu trở thành siêu tân tinh Vụ nổ gây sóng chấn động hướng tinh vân Mặt Trời làm bị nén vào Vì đám mây tiếp tục quay, lực hấp dẫn quán tính làm đám mây trở nên phẳng hình dạng đĩa, vng góc so với trục quay Đa phần khối lượng tập trung bắt đầu nóng lên Lúc ấy, trọng lực làm cho vật chất cô đặc lại xung quanh hạt bụi vật chất, phần lại đĩa bắt đầu tan rã thành vành đai Các mảnh nhỏ va chạm vào tạo thành mảnh lớn Những mảnh nằm tập hợp nằm cách trung tâm khoảng 150 triệu kilômét tạo thành Trái Đất Khi Mặt Trời ngày đặc lại, nóng lên, phản ứng hạt nhân bùng nổ tạo nên gió Mặt Trời thổi bay đa phần vật chất đĩa chưa bị cô đặc vào tập hợp vật chất lớn

Có nhiều giả thuyết khác nguồn gốc Trái Đất, liên quan chặt chẽ với hình thành Hệ Mặt Trời Vào kỉ XVIII, hai nhà khoa học Căng (Đức) La-plat (Pháp), lần lịch sử đưa vào Thiên văn học quan niệm hình thành Hệ Mặt Trời, có Trái Đất Theo ơng, Hệ Mặt Trời hình thành khơng phải sức mạnh Thượng đế mà quy luật thân Vũ Trụ Giả thuyết Căng – La-plat giải thích cấu trúc Hệ Mặt Trời, phù hợp với trình độ nhận thức khoa học kỉ XVIII, bộc lộ số sai lầm bản, không phù hợp với quy luật Vật lí Với phát triển khoa học, người ngày có cách nhìn đắn, xác nguồn gốc Trái Đất Vào năm kỉ XX, Ơt-tơ Xmit (nhà khoa học Nga) người kế tục ông đề giả thuyết Theo giả thuyết này, hành tinh Hệ Mặt Trời hình thành từ đám mây bụi khí lạnh Mặt Trời sau hình thành, di chuyển Dải Ngân Hà, qua đám mây bụi khí Do sức hấp dẫn Vũ Trụ, khí bụi chuyển động quanh Mặt Trời theo quỹ đạo hình elip Trong q trình chuyển động, đám mây bụi khí

dần dần ngưng tụ thành hành tinh

(36)

với tiến phát triển lĩnh vực Vật lí, Thiên văn… người ta ngày có thêm khoa học để bổ sung nhiều vấn đề mới, giải thích nguồn gốc Trái Đất, thiên thể Hệ Mặt Trời Vũ Trụ mà giả thuyết trước chưa giải

1 Cấu trúc Trái Đất

Nghiên cứu thay đổi sóng địa chấn lan truyền lịng Trái Đất, người ta biết Trái Đất có cấu trúc gồm nhiều lớp

2 Chuyển động Trái Đất

Chuyển động Trái Đất tổng hợp chuyển động:

 Chuyển động tự quay quanh trục

 Chuyển động quay quanh hệ kép Trái Đất - Mặt Trăng

 Chuyển động quay quanh Mặt Trời

 Chuyển động quay quanh Ngân Hà với hệ Mặt Trời  Chuyển động với giãn nở vũ trụ

5.4.7 Mặt Trăng - Vệ tinh Trái Đất

Mặt Trăng vệ tinh tự nhiên Trái Đất vệ tinh tự nhiên lớn thứ năm Hệ Mặt Trời Khoảng cách trung bình tính từ tâm Trái Đất đến Mặt Trăng 384.403 km, lớn khoảng 30 lần đường kính Trái Đất Đường kính Mặt Trăng 3.474 km, tức phần tư đường kính Trái Đất Khối lượng Mặt Trăng khoảng 2% khối lượng Trái Đất lực hấp dẫn bề mặt Mặt Trăng 17% lực hấp dẫn bề mặt Trái Đất Mặt Trăng quay vòng quanh Trái Đất với chu kỳ quỹ đạo 27,32 ngày, biến đổi định kỳ hình học hệ Trái Đất-Mặt Trăng– Mặt Trời nguyên nhân gây pha mặt trăng, lặp lại sau chu kỳ giao hội 29,53 ngày

Mặt Trăng thiên thể Trái Đất mà người đặt chân tới Năm 1959 năm mang tính lịch sử công khám phá Mặt Trăng, mở đầu

(37)

bằng chuyến bay vệ tinh nhân tạo Luna Liên bang Xô viết đến phạm vi Mặt Trăng, tiếp Luna rơi xuống bề mặt Mặt Trăng Luna lần cung cấp ảnh mặt sau Mặt Trăng Năm 1966, Luna trở thành tàu vũ trụ hạ cánh thành công Luna 10 tàu vũ trụ không người lái bay quanh Mặt Trăng

a Bề mặt Mặt Trăng  Hai phía Mặt Trăng

Mặt Trăng nằm quỹ đạo quay đồng bộ, có nghĩa giữ nguyên mặt hướng Trái Đất tất thời điểm Buổi đầu hình thành, Mặt Trăng quay chậm dần bị khố vị trí hiệu ứng ma sát xuất hiện tượng biến dạng thuỷ triều Trái Đất gây

Từ lâu Mặt Trăng quay nhanh nhiều, bướu thuỷ triều chạy trước đường nối Trái Đất-Mặt Trăng khơng thể làm xẹp bướu đủ nhanh để giữ bướu đường thẳng Lực quay khiến bướu ln vượt đường nối Hiện tượng gây mô men xoắn, làm giảm tốc độ quay Mặt Trăng, lực vặn siết chặt đai ốc Khi tốc độ quay Mặt Trăng giảm xuống đủ để cân với tốc độ quỹ đạo nó, bướu ln hướng phía Trái Đất, bướu nằm đường thẳng nối Trái Đất-Mặt Trăng, lực xoắn biến Điều giải thích Mặt Trăng quay với tốc độ tốc độ quỹ đạo ln nhìn thấy phía Mặt Trăng

(38)

Phần nhìn thấy từ Trái Đất Phần khơng nhìn thấy từ Trái Đất

 Các vùng tối Mặt Trăng (Biển Mặt Trăng)

Các đồng tối khơng có đặc điểm riêng Mặt Trăng nhìn thấy rõ mắt thường gọi "các vùng tối" hay biển Mặt Trăng, từ tiếng Latin có nghĩa "biển", chúng nhà thiên văn học cổ đại cho nơi chứa đầy nước Hiện chúng biết bề mặt lớn chứa dung nham bazan cổ đông đặc Đa số dung nham phun hay chảy vào chỗ lõm hình thành nên sau vụ va chạm thiên thạch hay chổi vào bề mặt Mặt Trăng Các biển xuất dày đặc phía bề mặt nhìn thấy Mặt Trăng, phía khơng nhìn thấy có biển chúng chiếm khoảng 2% bề mặt, so với khoảng 31% phía đối diện Cách giải thích đắn cho khác biệt liên quan tới tập trung cao yếu tố sinh nhiệt phía bề mặt nhìn thấy được, thể đồ địa hóa học có từ máy quang phổ tia gama Nhiều vùng có chứa núi lửa hình khiên vịm núi lửa tìm thấy biển phía nhìn thấy

 Đất liền

(39)

lại gờ bên ngồi vùng trũng va chạm Khơng giống Trái Đất, không núi lớn Mặt Trăng cho hình thành từ kiện kiến tạo Các ảnh chụp phi vụ Clementine năm 1994 cho thấy bốn vùng núi vùng gờ hố va chạm Peary rộng 73 km cực bắc Mặt Trăng chiếu sáng ngày Mặt Trăng Những đỉnh sáng vĩnh cửu độ nghiêng trục tự quay nhỏ mặt phẳng hoàng đạo Mặt Trăng Không vùng sáng vĩnh cửu phát phía cực nam, dù vùng gờ hố va chạm Shackleton chiếu sáng khoảng 80% ngày Mặt Trăng Một hậu khác từ việc Mặt Trăng có độ nghiêng trục nhỏ số vùng đáy hố va chạm vùng cực ln bóng tối

 Hố va chạm

Hố va chạm Daedalus mặt khơng nhìn thấy Bề mặt Mặt Trăng cho thấy chứng rõ ràng bị ảnh hưởng nhiều kiện va chạm thiên thạch Các hố va chạm hình thành thiên thạch chổi va chạm vào bề mặt Mặt Trăng, nói chung có khoảng nửa

triệu hố va chạm với đường kính

km Do hố va chạm hình thành với tỷ lệ

gần cố định, nên số lượng hố va chạm đơn vị diện tích chồng lên đơn vị địa chất sử dụng để ước tính tuổi bề mặt (xem Đếm hố va chạm) Vì khơng có khí quyển, thời tiết

các hoạt động địa chất gần nên nhiều hố va chạm bảo tồn trạng thái tốt so với hố va chạm bề mặt Trái Đất

Nước Mặt Trăng

(40)

chỉ chênh 1,5°, nên có số hố va chạm sâu gần cực không bị ánh sáng Mặt Trời trực tiếp chiếu tới Các phân tử nước hố va chạm ổn định thời gian dài

Băng khai thác phân chia thành nguyên tử cấu tạo hiđrơ ơxy lị phản ứng hạt nhân hay trạm điện mặt trời Sự diện lượng nước sử dụng Mặt Trăng yếu tố quan trọng để việc thực tham vọng đưa người lên sinh sống Mặt Trăng trở thành thực, việc chuyên chở nước từ Trái Đất lên tốn Tuy nhiên, quan sát gần radar hành tinh Arecibo cho thấy số liệu thám sát radar chương trình Clementine gần vùng cực trước cho dấu hiệu diện băng thực tế hậu từ tảng đá bị bắn từ hố va chạm gần Câu hỏi lượng nước thực có Mặt Trăng chưa có lời giải đáp [6]

b Cấu trúc bên Mặt Trăng

Mặt Trăng vật thể phân dị, mặt địa hoá học gồm lớp vỏ, lớp phủ, lõi Cấu trúc cho kết kết tinh phân đoạn biển macma thời gian ngắn sau hình thành khoảng 4,5 tỷ năm trước Năng lượng cần thiết để làm tan chảy phần phía ngồi Mặt Trăng thường cho xuất phát từ kiện va chạm lớn cho hình thành nên hệ thống Trái Đất-Mặt Trăng, bồi đắp sau vật chất quỹ đạo Trái Đất Sự kết tinh biển macma khiến xuất lớp phủ mafic lớp vỏ giàu plagiocla

Việc vẽ đồ địa hoá học từ quỹ đạo cho thấy lớp vỏ Mặt Trăng gồm phần lớn thành phần anorthosit, phù hợp với giả thuyết biển macma Về nguyên tố, lớp vỏ gồm chủ yếu ôxy, silic, magiê, sắt, canxi nhôm Dựa kỹ thuật địa vật lý, chiều dày ước tính trung bình khoảng 50 km

(41)

liên quan tới ứng suất thuỷ triều gây quỹ đạo lệch tâm Mặt Trăng quanh Trái Đất

c Nhiệt độ bề mặt

Ban ngày Mặt Trăng, nhiệt độ trung bình 107°C, cịn ban đêm nhiệt độ -153°C

d Thủy triều

Thủy triều tượng nước biển, nuớc sông lên xuống ngày Trong âm Hán-Việt, thủy có nghĩa nước, cịn triều cuờng độ

nuớc dâng lên rút xuống Sự thay đổi lực hấp dẫn từ Mặt Trăng (phần chủ yếu) từ thiên thể khác Mặt Trời (phần nhỏ) điểm bề mặt Trái Đất Trái Đất quay tạo nên tượng nước lên (triều cường) nước rút (triều xuống) vào khoảng thời gian định ngày

Nguyên nhân thủy triều thủy có hình cầu dẹt bị kéo cao lên hai miền đối diện tạo thành hình elipsoid Một đỉnh elipsoid nằm trực diện với Mặt Trăng - miền nước lớn thứ nhất, lực hấp dẫn Mặt Trăng gây Còn miền nước lớn thứ hai nằm đối diện với miền nước lớn thứ qua tâm Trái Đất, lực li tâm tạo Giữa hai nước lớn liên tiếp nước ròng Một tốc độ góc (tốc độ quay) Quả Đất khơng đổi lực li tâm lớn nằm nơi có bán kính quay lớn nhất: Đó miền Xích đạo Trái đất Tuy nhiên bán kính quay chưa bán

(42)

kính Quả đất Xích đạo, vì: Quả đất khơng hồn tồn quay quanh trục nó, Mặt Trăng khơng hồn tồn quay quanh Trái đất, mà là: Hệ Quả Đất - Mặt Trăng quay xung quanh điểm trọng tâm hệ Do khối lượng Trái đất lớn Mặt Trăng nhiều nên Trọng điểm hệ Trái đất-Mặt Trăng nằm lòng Trái đất, đường nối tâm chúng Tóm lại: Trái Đất vừa quay, vừa lắc Thủy triều cực đại đạt mà Mặt Trăng Mặt Trời nằm phía với Trái Đất - lực hấp dẫn đạt cực đại, Mặt Trăng Mặt Trời nằm đối diện so với Trái Đất mức triều lên đạt cực tiểu Khái niệm thủy triều mở rộng vật lý học dành cho chênh lệch lực tác động lên vật thể nằm trường hấp dẫn không Người xưa, sống bao đời gần sơng biển chủ yếu họ tính theo nước, theo chu kì (nuớc triều lên nước triều xuống) nhờ vào tượng thủy triều, nên nguời sống thời Họ biết cách bắt hải sản tơm, cua, cá

Thủy triều cịn đóng góp mơt phần lớn làm nên chiến thắng sông Bạch Đằng vào năm 938 Ngô Quyền trước quân Nam Hán năm 1288 nhà Trần trước qn Ngun-Mơng Cho đến ngày người biết sử dụng thủy triều để phục vụ cho công nghiệp (như sản xuất điện), ngư nghiệp, đánh bắt hải sản, khoa học, nghiên cứu thủy văn

Năng lượng thủy triều hay điện thủy triều lượng điện thu từ lượng chứa khối nước chuyển động thủy triều Hiện số nơi giới triển khai hệ thống máy phát điện sử dụng lượng thuỷ triều, ví dụ điển hình hệ thống Limpet Hệ thống hoạt động theo nguyên lý sau:

1 Lúc thuỷ triều thấp: chu trình nạp Thuỷ triều lên cao: chu trình nén

(43)

5.5 Sao

5.5.1 Định nghĩa

Sao thiên thể chứa chủ yếu vật chất trạng thái plasma, khối lượng khoảng từ 1020 đến 1040 kg, trì nhiệt độ hàng nghìn độ K, tỏa xạ vật

đen tương ứng có cực đại phổ nhìn thấy đến UV gần, nhờ phản ứng nhiệt hạch lịng Các ngơi thường có hình dạng gần hình cầu, tự trì trạng thái cân thủy động lực học, nhờ cân áp suất xạ điện từ phát từ bên với trường hấp dẫn thân

Các thường trung tâm hệ hành tinh, hành tinh thiên thể khác (như chổi, khí bụi, ) chịu ảnh hưởng lực hấp dẫn trung tâm bay quanh trung tâm Mặt Trời gần trung tâm Hệ Mặt Trời

Có hệ gồm hai bay xung quanh nhau, tạo thành đôi Các đơi thường khơng có hành tinh bay quanh, hệ không cân bền Cũng lý này, hệ gồm thường có đôi, hai bay sát nhau, đơn nằm xa Các nhóm gồm nhiều có mối liên kết hấp dẫn với thường chứa đôi đơn bên Ở khoảng cách lớn hơn, tụ tập, với dạng thiên thể khác, thành thiên hà

5.5.2 Phân loại sao

Trong thiên văn học, phân loại phân loại ban đầu dựa nhiệt độ quang đặc trưng quang phổ liên quan nó, sau chuyển đổi thành thuật ngữ đặc trưng khác Nhiệt độ phân loại cách sử dụng định luật thay Wien; gây khó khăn xa Quang phổ thiên văn cho ta cách để phân loại theo vạch hấp thụ chúng; đặc biệt vạch hấp thụ quan sát khoảng định nhiệt độ khoảng nhiệt độ mức lượng nguyên tử phổ biến Các sơ đồ có từ kỷ 19 phân loại từ A đến P, xuất xứ phân loại quang phổ

(44)

Phân loại phổ biến Các lớp thông thường phân loại theo trật tự từ nóng đến lạnh nhất:

Loại Nhiệt độ

Màu sắc quy ước Màu sắc biểu kiến Khối lượng Đường

kính Độ sáng

Vạch Hydro (trong quang phổ)

% tất cả

sao nhóm chính

O 30,000–

60,000 K

Xanh da trời

Xanh da

trời 60 15 1,400,000 Yếu ~0.00003%

B 10,000–

30,000 K

Xanh trắng

Xanh trắng -Trắng

18 20,000 Trung

bình 0.13%

A 7,500–

10,000 K Trắng Trắng 3.1 2.1 80 Mạnh 0.6%

F 6,000–

7,500 K

Vàng

trắng Trắng 1.7 1.3

Trung

bình 3%

G 5,000–

6,000 K Vàng Vàng 1.1 1.1 1.2 Yếu 8%

K 3,500–

5,000 K Cam

Vàng

cam 0.8 0.9 0.4 Rất yếu 13%

M 2,000–

3,500 K Đỏ Đỏ cam 0.3 0.4 0.04 Rất yếu >78%

(45)

của vật đen khoảng 5.780 K; màu trắng khơng có dấu vết màu vàng, màu sử dụng định nghĩa màu trắng tiêu chuẩn

Các dạng quang phổ

- Các thuộc lớp O nóng chói lọi, màu sắc gần với màu xanh Naos (trong chòm Puppis) sáng gấp khoảng triệu lần Mặt Trời Các có vạch quang phổ hêli ion hóa trung hịa rõ nét vạch hiđrô yếu Các lớp O phát phần lớn xạ dạng tia tử ngoại

- Các lớp B chói lọi, Rigel (trong chịm Orion) siêu khổng lồ xanh thuộc lớp B Quang phổ chúng có vạch hêli trung hịa vạch hiđrơ vừa phải Vì lớp O B hoạt động mạnh nên tuổi thọ chúng thấp Chúng không rời xa khỏi khu vực chúng sinh khơng đủ thời gian Do chúng có khuynh hướng liên kết với gọi liên kết OB1, loại liên kết có liên quan với đám mây phân tử khổng lồ Liên kết Orion OB1 nguyên nhánh xoắn ốc thuộc thiên hà (các sáng làm cho nhánh xoắn ốc sáng hơn, thực khơng có nhiều đó) chứa tồn chòm Orion

- Các lớp A phổ biến số quan sát mắt thường Deneb chòm Cygnus có sức hoạt động ghê gớm, Sirius lớp A, không hoạt động mạnh Các lớp A có màu trắng Rất nhiều lùn trắng thuộc lớp A Chúng có vạch quang phổ hiđrơ đậm ion kim loại

- Các lớp F hoạt động mạnh chúng có xu hướng chuỗi chính, chẳng hạn Fomalhaut chịm Piscis Austrinus Quang phổ chúng đặc trưng vạch hiđrô yếu ion kim loại, màu chúng trắng pha màu vàng nhẹ

(46)

thông thường thuộc lớp O hay B (xanh) hay K M (đỏ) (do chúng nên chúng khó có khả thuộc lớp G khu vực khơng ổn định cho siêu khổng lồ tồn tại)

- Các lớp K màu da cam, có nhiệt độ thấp Mặt Trời chút Một số lớp K khổng lồ siêu khổng lồ, chẳng hạn Arcturus số khác Alpha Centauri B thuộc chuỗi Chúng có vạch quang phổ hiđrơ cực yếu (nếu có), chủ yếu kim loại trung hòa

- Lớp M phổ biến tính theo số lượng Mọi lùn đỏ nằm chúng có nhiều; 90% sao lùn đỏ, chẳng hạn Proxima Centauri Một số khổng lồ siêu khổng lồ Antares Betelgeuse, hay đổi màu Mira thuộc lớp Quang phổ lớp M thuộc phân tử kim loại trung hịa thơng thường khơng có hiđrơ Titan ơxít nhiều lớp M Sự mờ màu đỏ làm người ta nhầm lẫn khoảng cách xa thật Khi có vật thể có độ nóng tương tự này, chẳng hạn đèn halogen (3.000 K) đặt cách vài kilơmét, xuất nguồn sáng đỏ tương tự

5.5.3 Sự tiến hóa sao

Chúng ta số sao, chúng tạo thành, tập hợp nhiều khối lượng lớn so với Mặt Trời Nhưng có nhiều ngơi có khối lượng lớn Mặt Trời, chí số ngơi có khối lượng gấp 100 lần khối lượng Mặt Trời Khối lượng lớn so với Mặt Trời nghĩa lực hấp dẫn bên phải lớn Điều có nghĩa ngơi cần áp suất bên lớn Điều có nghĩa gần tâm ngơi phải nóng so với gần tâm Mặt Trời Bởi vậy, hiđrô tổng hợp thành He nhanh nhiều (Qúa trình tổng hợp khác so với trình miêu tả Mặt Trời) Các ngơi có khối lượng lớn có độ trưng lớn Chúng có màu xanh lam phần dải

(47)

ở Mặt Trời Ở giai đoạn tuổi trẻ dạng tiền sao, thời gian để co lại 105năm Chúng trải qua đời chúng ngơi có màu xanh lam phía dải Cuộc đời chúng dải chính, so với tổng hợp hiđrơ cung cấp độ trưng, ngắm cỡ 106 năm Thời gian sao đỏ, chiếu sáng tổng hợp He 105năm

Nhiều tạo thành với khối lượng bé Mặt Trời Chúng tiến hóa giống Mặt Trời, chậm Khối lượng bé, nhiệt độ tâm thấp, trình tổng hợp hiđrơ chậm Các ngơi có màu gần với màu đỏ Với m < 0,1 m0 (m0 khối lượng Mặt Trời) nhiệt độ tâm không đủ để phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn Những đơn giản tiếp tục co lại, chậm chạp Những thiên thể thực quan sát thấy Một số thiên thể phát trình tìm kiếm hành tinh, xem bạn đồng hành chúng với quỹ đạo elip [5]

5.5.4 Tuổi sao

Các ngơi dải có ánh sáng màu xanh lam cần phải có đời ngắn Bởi chúng phải tạo thành gần đây, số chúng tạo thành khoảng 106 năm trước Nếu nhìn lên bầu trời để nhìn ngơi sáng, có màu xanh lam, có lẽ nhìn vào nơi mà ngơi hình thành Một ví dụ phạm vi tinh vân khí theo hướng chịm Lạp Hộ Nó gọi tinh vân Lạp Hộ chứa vài ngơi nóng, xanh lam, khoảng 106 năm tuổi Chuyển động khí cho biết bị nung nóng ngơi vịng 2.104 năm qua Bởi ngơi nóng trẻ ở bên tinh vân có tuổi 2.104 năm.

Nhiều xuất đám - tập hợp hàng trăm hàng ngàn sao, liên kết với lực hấp dẫn chúng Tất ngơi đám hình thành vào thời điểm Một số đám hình thành từ lâu Kiểu đám cho biết lịch sử ngơi chí dải Ngân Hà

(48)

2) Các đám khơng có ngơi dải Mặt Trời phải đủ già Mặt Trời trở nên trắt trắng mờ, không quan sát Những đám phải già 109 năm Các đám già nhất, gọi là đám hình cầu chúng có dạng hình trịn, vào khoảng 1,3.1010 năm tuổi. Khoảng cách, vậy, độ trưng tuổi ngơi đám hình cầu thu dựa sở số liệu thu vệ tinh nhân tạo Trái Đất HIPPARACOS có độ xác cao Ngồi ra, tuổi thu có sai số tối thiểu vào cỡ 109 năm Sai số quan trọng thảo luận tuổi Vũ trụ [5]. 5.6 Thiên Hà

5.6.1 Khái niệm

Thiên hà tập hợp từ khoảng 10 triệu đến nghìn tỷ ngơi khác xen lẫn bụi, khí vật chất tối xoay chung quay khối tâm Đường kính trung bình thiên hà từ 1.500 đến 300.000 năm ánh sáng

II.6.2 Các loại thiên hà

Qua kính thiên văn, thiên hà nhiều dạng Một số hình cầu dẹt nhiều gọi thiên hà elíp, thiên hà khác có dạng hình xoắn ốc dẹt Một số khác vơ định hình có dạng bất thường

(49)

Mặt Trời thiên hà elíp siêu kềnh Các thiên hà elíp lùn phổ biến thiên hà elíp siêu kềnh, thường nguồn vô tuyến mạnh

Các thiên hà xoắn ốc chứa nhiều khí có cánh tay sáng, mở nhiều hay uốn phía ngồi kể từ tâm Khối lượng trung bình thiên hà xoắn ốc ~ 1011 khối lượng Mặt Trời Các thiên hà xoắn ốc quay giống Thiên hà Một số thiên hà xoắn ốc có cấu trúc kiểu thanh, có trọng tậm nằm tâm chúng Các thiên hà có dạng bất thường có hàm lượng khí lớn Khối lượng chúng vào cỡ 1010 khối lượng Mặt Trời, nhỏ khối lượng thiên hà xoắn ốc điển hình [6]. 5.6.3 Sự tạo thành thiên hà

Khí thiên hà phân bố cách có thứ bậc quy mơ trải rộng từ kích thước Mặt Trời kích thước đám mây Tương tự, Vũ trụ có thứ cấp có thứ bậc thiên hà tập hợp thành nhóm siêu nhóm Các thiên hà tạo thành từ bất đồng mật độ quy mơ lớn Vũ trụ phơi thai Do đó, tạo thành thiên hà có liên quan trực tiếp với lý thuyết Vũ trụ học Vấn đề thiên hà hình thành gây nhiều tranh cãi Chúng ta đưa kịch đơn giản hóa tương tự kịch dẫn đến tạo thành thiên hà

(50)

Nguồn gốc thăng giáng ban đầu, vấn đề chưa biết rõ, chủ đề nghiên cứu ưa thích số nhà vũ trụ học [5]

5.6.4 Nhóm thiên hà

Các thiên hà có xu hướng hợp lại tạo thành nhóm Thiên hà thiên hà lân cận khác thuộc nhóm địa phương gồm khoảng 20 thành viên, chiếm thể tích khơng gian có đường kính vài mêga parsec Nhóm bị chi phối chủ yếu ba thiên hà xoắn ốc lớn.Tinh vân Tiên nữ, thành phần có khối lượng lớn nhóm, có khối lượng ~ 300 tỉ khối lượng Mặt Trời, thiên hà chúng ta, với khối lượng nhỏ hai lần, đứng thứ hai Thiên hà xoắn ốc đáng ý đứng thứ ba Tinh vân Tam giác,

được gọi Messier 33 Các thành viên lại nhóm thiên hà elip thiên hà có dạng bất thường với khối lượng nhỏ nhiều Một số thiên hà nhóm địa phương phát phát xạ vô tuyến chúng chúng nằm mặt phẳng thiên hà xạ chúng vùng sóng khả kiến bị hấp thụ bụi thiên hà

Kính thiên văn vũ trụ Hubble sử dụng để phát thiên hà xa nhất, số nằm khoảng cách 10 tỉ năm ánh sáng Điều có nghĩa thăm dò Vũ Trụ gian đoạn sớm q trình tiến hóa

5.6.5 Tương tác thiên hà

Một số thiên hà va chạm với thiên hà láng giềng Vì khoảng cách thiên hà lớn xác suất tương tác thiên hà bé Nếu tương tác yếu, thiên hà có khối lượng lớn có xu hướng lấy khí lớp bên ngồi bạn đồng hành có khối lượng bé Chứng cớ mạnh mẽ tương tác hấp

(51)

dẫn việc nhà thiên văn vô tuyến phát Dịng Magellan, cầu nối tạo hiđrơ ngun tử trung hòa chảy từ hai bạn đồng hành thiên hà - Đám mây Magellan - kết thúc gần thiên hà Các quan sát phát xạ 21 cm hiđrô trung hòa cho thấy mặt phẳng thiên hà bị vênh lên phần tương tác hấp dẫn với Đám mây Magellan Một va chạm trực tiếp xảy Biến cố khởi tạo vụ nổ tạo thành trung tâm thiên hà tạo thành Một thiên thể với nhân cực sáng trở thành thiên hà bừng sáng Các thiên hà elip khổng lồ thường tìm thấy gần tâm đám thiên hà Các quan sát vừa tiến hành với kính thiên văn vũ trụ Hubble cho thấy đám thiên hà trẻ xa dường có nhiều thiên hà xoắn ốc, điều ủng hộ ý tưởng cho thiên hà elip tạo thành muộn kết nhập thiên hà xoắn ốc Các nhà thiên văn xây dựng mơ hình dựa tương tác hấp dẫn cách sử dụng máy tính để mơ tả hậu va chạm tái tạo hình ảnh mà họ thực quan sát

5.6.6 Thiên hà chúng ta

Thiên hà (thường viết hoa - Thiên Hà) số trăm tỉ ngơi sao, có hệ Mặt Trời Giữa có bụi khí Mặc dầu bụi khí, thành phần tạo nên môi trường sao, thưa thớt chúng có vai trị quan trọng q trình lí hóa Thiên Hà Phần trung tâm thiên hà, có dạng hì nh cầu dẹt, gọi vùng lồi trung tâm Mặt Trời không nằm vi trí đặt biệt Thiên Hà Nó cách tâm Thiên Hà khoảng 8kpc, tức gần khoảng cách từ tâm đến bờ mặt phẳng Thiên Hà

 Vùng trung tâm Thiên Hà

(52)

được tạo già, khí bụi, có bán kính ~ kpc có độ dày tương đương ~ 40 kpc

Ngay trung tâm Thiên Hà có nguồn phát xạ hồng ngoại sáng nguồn phát xạ vô tuyến synchrotron mang tên Sagittarius A Mặc dầu có vật chất lớn, với khối lượng vào cỡ quỹ đạo Hỏa Tinh ( ~ đ.v.t.v, tức 450 triệu km), nguồn phát lượng tương đương với độ trưng chừng 20 triệu ngơi Mặt Trời phóng luồng gió mạnh Căn vào liệu quan sát này, nhà thiên văn tin nguồn trùng với nhân Thiên Hà họ suy luận cung cấp lượng hốc đen có khối lượng trăm lần khối lượng Mặt Trời triệu lần khối lượng Mặt Trời Các sợi tạo khí tạo thành cung trải xa mặt phẳng Thiên Hà phát khu vực trung tâm Thiên Hà Có thể có số vụ nổ nhân, phóng vật chất Vật chất rơi trở lại mặt phẳng Thiên Hà

 Thành phần dạng đĩa cấu trúc xoắn ốc

Đĩa Thiên Hà lớn, có đường kính khoảng 30 kpc, mỏng Đĩa khí

dày khoảng 100 kpc đĩa chứa trẻ dạy khoảng 500 kpc Vì đứng bên Thiên Hà nên thấy nhiều mà có khái niệm hình dạng Thiên Hà Tình trạng thường ví tình trạng người khu rừng Người thấy mà khơng thể biết hình dạng khu rừng Từ Trái Đất nhìn thấy hình chiếu Thiên Hà thiên cầu dải sáng trải bầu trời đêm, thường gọi dải Ngân Hà trở nên tối bụi dài

(53)

H khả kiến nguyên tử H Do quan sát vùng sóng khả kiến thường bị cản trở

bởi bụi nên chúng bổ sung quan sát theo sóng vô tuyến Việc khảo sát phân bố vùng HII Thiên Hà theo vạch phổ quang học vạch phổ vô tuyến cho biết Thiên Hà có bốn cánh tay xoắn ốc tỏa quanh tâm Thiên Hà Mặt Trời đoạn cánh tay mang tên Lạp Hộ ( Orion), nằm hai cánh tay xoắn ốc Tên cánh tay xoắn ốc Thiên Hà bắt nguồn từ chòm

 Tại cấu trúc xoắn ốc hình thành?

Đường cong quay Thiên Hà cho phép xác định khoảng cách đám mây biết tốc độ xuyên tâm phép đo quang phổ vạch vô tuyến nguyên tử hiđrơ hay phân tử bon mơ nơ xít Việc quan sát theo kinh độ Thiên Hà cho thấy khí đĩa Thiên Hà phân bố theo cấu trúc phù hợp với mô hình cấu trúc cánh tay xoắn ốc Các cánh tay xoắn ốc cách li vùng có mật độ thấp hơn, gọi vùng xen cánh tay Cấu trúc xoắn ốc phát quan sát phân tử CO phân tử phát xạ vạch tương đối mạnh bước sóng  = 2,6 mm Quan sát

vơ tuyến bổ sung quan sát quang học vùng gần Mặt Trời cách dùng vạch H .

Theo thuyết gọi thuyết sóng mật độ câu trúc xoắn ốc tạo xếp hấp dẫn (chồng chất hấp dẫn toàn Thiên Hà) Sóng có dạng xoắn quay quanh tâm Thiên Hà Cac quan sát tính tồn mơ cho thấy vật chất vung bên Thiên Hà chuyển động nhanh sóng xoắn ốc, sóng xoắn ốc lan truyền nhanh vật chất khu vực bên Mỗi vật chất cắt ngang qua sóng bị nén dạng đường xoắn ốc lớn Loại sóng nén gọi sóng mật độ Sự mơ máy tính địi hỏi phải kiểm tra chi tiết hình thành tiến hóa đường xoắn ốc Thiên Hà

(54)

có dạng xoắn ốc Vì hình thành vùng khí dạy đặc nên nóng, trẻ có khối lượng lớn tìm thấy cánh tay xoắn ốc Bức xạ tử ngoại chúng làm ion hóa đám mây khí chung quanh để trở thành tinh vân khí sáng Vì thế, sáng tinh vân sử dụng đê tìm kiếm cánh tay xoắn ốc [5]

5.7 Thuyết Big bang (Vụ nổ lớn)

Vụ Nổ Lớn lý thuyết khoa học nguồn gốc vũ trụ Lý thuyết phát biểu vũ trụ điểm kỳ dị có mật độ vật chất nhiệt độ lớn vô hạn thời điểm hữu hạn q khứ Từ đó, khơng gian mở rộng với thời gian làm cho thiên hà di chuyển xa hơn, tạo vũ trụ giãn nở thấy ngày

Ý tưởng trung tâm lý thuyết q trình vũ trụ giãn nở Nó minh chứng thí nghiệm dịch chuyển đỏ thiên hà (định luật Hubble) Điều có nghĩa thiên hà rời xa có nghĩa chúng gần khứ khứ xa xưa nhất, cách khoảng 13,7 tỷ (13,7 × 109 ) năm, điểm kỳ dị Từ "vụ nổ lớn" sử dụng nghĩa

(55)

5.7.1 Lược sử thuyết vụ nổ lớn

Cho đến đầu kỷ 20, chứng thực tiễn nguồn gốc vũ trụ bầu trời ban đêm tối đen Nghịch lý Olbers (1823) cho vũ trụ vô tận khơng-thời gian phải có nhiều đến mức nhìn lên bầu trời, tia mắt ta gặp Và ta thấy bầu trời sáng rực mặt trời, vào ban đêm Nhưng thực tế bầu trời ban đêm lại tối đen Thật thú vị thơ văn xi dài Eureka năm 1848, Edgar Poe cho rằng, không đủ thời gian để chiếu sáng toàn vũ trụ Vậy bầu trời đêm tối đen chứng tỏ vũ trụ không tồn mãi Không đứng vững trước thử thách thời gian mà giả thuyết cịn đóng vài trị định việc hình thành lý thuyết Big Bang

(56)

dẫn Năm 1922, Friednam tìm nghiệm phương trình Einstein cho vũ trụ động, gần đồng thời với giả thuyết nguyên tử nguyên thuỷ linh mục Lemaitre Bằng chứng định phát vũ trụ giãn nở Hubble năm 1920 Cho đến lúc đó, dải Ngân hà xem tồn vũ trụ Với viễn kính 100 inch núi Wilson, Hubble thấy Tinh vân Tiên nữ,

một thiên hà sóng đơi cách triệu năm ánh sáng, tiến lại gần (theo ngôn ngữ vật lý dựa hiệu ứng Dopler, phổ dịch phía xanh) Khảo sát thiên hà khác, ông thấy chúng tản xa (phổ dịch phía đỏ) Điều có nghĩa vũ trụ gồm hàng tỷ thiên hà tản xa Vũ trụ giãn nở thiên hà ngày xa chứng tỏ khứ chúng gần nhau, vũ trụ có kích thước nhỏ Suy diễn ngược

thời gian đến thời điểm khai sinh, toàn vũ trụ tập trung điểm, có mật độ, nhiệt độ độ cong không-thời gian vô hạn Và vũ trụ bùng nổ 15 tỷ năm trước khiến vũ trụ sinh thành Đó mơ hình Big Bang tiêu chuẩn

Năm 1946, nhà vật lý George Gamow thấy rằng, lửa sáng buổi hồng hoang để lại “vết lông ngỗng” qua xạ tàn dư trải tồn vũ trụ, lạnh cịn cỡ độ K (trên độ không tuyệt đối) Năm 1965, hai kỹ sư vơ tuyến điện Penzias Wilson tình cờ phát xạ chế tạo ăng ten bắt sóng từ vệ tinh Như xẩy lịch sử, giải Nobel danh giá trao cho phát kiến tình cờ hai người ngoại đạo! Năm 1991, vệ tinh Cobe đo phông xạ hố thạch 2,7 độ K với độ xác cao Và Big Bang thừa nhận rộng rãi Khá hài hước tên thuyết Big Bang lại nhà thiên văn Hoyle đặt năm 1950 nhằm chế diễu lý thuyết Ông người đề xuất thuyết vũ trụ dừng (steady state) năm 1948, theo vũ trụ khơng có khởi đầu kết thúc; sau khám phá xạ tàn dư, chết vẻ vang hầu hết lý thuyết khoa học khác [6]

5.7.2 Cơ sở lý thuyết

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn ngày dựa ba giả thuyết sau: Tính phổ quát định luật vật lý

Nguyên lý vũ trụ học

(57)

Nguyên lý Copernic

Ban đầu, giải thuyết thừa nhận ngày có nhiều thực nghiệm kiểm tra tính đắn chúng Tính phổ quát định luật vật lý chứng minh đắn sai số lớn số cấu trúc tinh tế khoảng thời gian tuổi vũ trụ cỡ khoảng 10-5 Tính dị hướng vũ

trụ xác định nguyên lý vũ trụ kiểm nghiệm với độ xác 10-5 vũ trụ

được xác định đồng quy mô lớn với độ sai số khoảng 10% Hiện người ta trình kiểm tra nguyên lý Copernic cách nghiên cứu tương tác đám thiên hà CMB thông qua hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich với độ xác 1%

Lý thuyết Vụ Nổ Lớn sử dụng giả thuyết Weyl để đo thời gian thời điểm sau kỷ nguyên Planck Các phép đo dựa tọa độ quy chiếu khoảng cách quy chiếu thời gian quy chiếu loại bỏ giãn nở vũ trụ quan điểm phép đo không-thời gian Khoảng cách quy chiếu thời gian quy chiếu định nghĩa cho vật thể chuyển động vũ trụ giãn nở khác có khoảng cách chân trời hạt hay giới hạn quan sát (của vũ trụ đó) xác định thời gian quy chiếu

Vì vũ trụ mơ tả tọa độ vậy, vụ nổ lớn vụ nổ vật chất phóng lấp đầy vũ trụ trống rỗng; giãn nở khơng-thời gian Đó giãn nở làm cho khoảng cách vật lý hai điểm cố định vũ trụ tăng lên Các vật thể liên kết với (ví dụ bị liên kết lực hấp dẫn) khơng giãn nở khơng-thời gian định luật vật lý điều khiển chúng giả thiết đồng độc lập với giãn nở metric Hơn nữa, giãn nở vũ trụ nấc thang cục ngày nhỏ nên có phụ thuộc định luật vật lý vào giãn nở phụ thuộc nhỏ làm cho máy đo xác định

5.7.3 Bằng chứng thực nghiệm

(58)

nguyên tố nhẹ (Xem thêm tổng hợp hạt nhân Vụ Nổ Lớn) Hơn nữa, hàm liên kết cấu trúc nấc thang vĩ mô vũ trụ hoàn toàn trùng khớp với lý thuyết Vụ Nổ Lớn

1 Định luật Hubble giãn nở vũ trụ

Các quan sát thiên hà quasar xa xôi cho thấy ánh sáng từ chúng phát bị dịch chuyển phía ánh sáng có bước sóng dài (dịch chuyển đỏ) dịch chuyển tỷ lệ với khoảng cách chúng Sự dịch chuyển ánh sáng rút từ phổ tần số vật thể so sánh với vạch phổ phát xạ hấp thụ nguyên tử nguyên tố tương tác với xạ Sự dịch chuyển đỏ giải thích hiệu ứng Doppler ánh sáng nguồn phát chuyển động xa nguồn thu Sự dịch chuyển phía bước sóng dài tỷ lệ với khoảng cách tượng biểu diễn định luật Hubble sau:

v = H0 D

Trong v vận tốc rời xa D khoảng cách

H0 số Hubble có giá trị 71 ± km/giây/Mpc

2 Bức xạ phông vũ trụ

Lý thuyết vụ nổ lớn tiên đoán tồn xạ phơng vi sóng vũ trụ tạo thành từ quang tử phát từ giai đoạn sinh hạt baryon Vì vũ trụ thời kỳ sơ khai trạng thái cân nhiệt động nên nhiệt độ xạ plasma plasma tái hợp Trước nguyên tử hình thành xạ bị hấp tụ tái phát xạ trình gọi tán xạ Compton: vũ trụ vào giai đoạn sơ khai không suốt với ánh sáng Tuy nhiên, trình nhiệt độ vũ trụ bị giảm giãn nở làm cho nhiệt độ xuống thấp 3000 K, nhiệt độ điện tử hạt nhân kếp hợp với để tạo nguyên tử plasma ngun thủy bị biến thành khí trung hịa Q trình gọi q trình giải phóng quang tử Một vũ trụ gồm nguyên tử trung hòa cho phép xạ truyền qua mà không bị cản trở nhiều

(59)

truyền cách tự ngày bị dịch chuyển đỏ theo định luật Hubble Bức xạ phải giống theo hướng không gian

Năm 1964, Arno Penzias Robert Wilson phát xạ phông vũ trụ họ tiến hành nghiên cứu máy thu tín hiệu vi sóng phịng thí nghiệm Bell Khám phá họ khẳng định tiên đốn xạ phơng vũ trụ, xạ đẳng hướng đồng phân bố giống phổ phát xạ vật đen có nhiệt độ khoảng K Penzias Wilson trao giải Nobel vật lý nhờ khám phá

3. Sự hình thành nguyên tố

Sử dụng mơ hình vụ nổ lớn, người ta tính mật độ 4, helium-3, deuterium lithium-7 vũ trụ so với mật độ hydrogen dựa tỷ lệ quang tử/baryon Tỷ lệ tính tốn khoảng 0,25 4He/H, khoảng 10-3 2H/H,

khoảng 10-4 3He/H khoảng 10-9 7Li/H.

Tất cá giá trị phù hợp với tính tốn từ tỷ lệ baryon/quang tử Đây coi chứng rõ ràng vụ nổ lớn, lý thuyết giải thích thống trị nguyên tố nhẹ vũ trụ Trên thực tế, khơng có kết thực nghiệm nằm ngồi khn khổ lý thuyết vụ nổ lớn, ví dụ, vũ trụ có nhiều helium deuterium có nhiều deuterium 3He.

4 Sự phân bố tiến hóa thiên hà

(60)

5.7.4 Tương lai thuyết Vụ nổ lớn

Trước có chứng lượng tối, nhà vũ trụ học đưa hai kịch tương lai vũ trụ Nếu mật độ khối lượng vũ trụ cao mật độ tới hạn vũ trụ giãn nở đến kích thước cực đại bắt đầu co lại Sau đó, vũ trụ trở lên đặc kết thúc trạng thái tương tự trạng thái mà sinh -một Vụ co lớn Nhưng mật độ vũ trụ thấp mật độ tới hạn giãn nở chậm không dừng lại Sự hình thành khơng cịn vũ trụ trở lên lỗng lạnh Nhiệt độ vũ trụ tiệm cận đến nhiệt độ không tuyệt đối Các hố đen bay hết Entropy vũ trụ tăng đến điểm mà khơng cịn dạng lượng phát từ đó, kịch gọi chết nhiệt Hơn nữa, trình phân rã proton mà có thực hiđrơ, ngun tố phổ biến vật chất baryon biến để lại sau xạ

(61)

PHẦN KẾT LUẬN

(62)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Lương Duyên Bình (chủ biên) (2007), Vật lí đại cương (tập 3, phần 1), nhà xuất giáo dục

2 Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên), Vũ Quang (Chủ biên), Nguyễn Thượng Chung - Tơ Giang, Trần Chí Minh - Ngơ Quốc Quỳnh, Vật lí 12, Nhà xuất giáo dục, Hà nội

3 Lương Duyên Bình (Tổng chủ biên), Vũ Thanh Khiết (Chủ biên), Nguyễn Đức Hiệp - Nguyễn Ngọc Hưng - Nguyễn Đức Thâm - Phạm Đình Thiết - Vũ Đình Túy - Phạm Qúy Tư, Vật lí 12 nâng cao, Nhà xuất giáo dục, Hà nội

4 Lê Cơng Triêm (1986), Nghiên cứu chương trình vật lí phổ thơng, Trường ĐHSP-Đại học Huế

5 DoNat G.Wentzenl Nguyễn Quang Triệu Phạm Viết Trinh Nguyễn Đình Nỗn -Nguyễn Đình Hn, Thiên văn Vật lí, Nhà xuất giáo dục, Hà Nội

6 http://vi.wikipedia.org