Luận văn Mặt trời: Tìm hiểu và quan sát quan kính thiên Takahashi

TRƯỜNG……………………… KHOA…………………… Luận văn tiến sỹ" Mặt trời - Tìm hiểu và quan sát quan kính thiên Takahashi " 1 Mở đầu Lý do chọn đề tài Từ xa xưa con người đã biết quan sát bầu trời, biết dựa vào các hiện tượng xảy ra trên bầu trời để giải thích và vận dụng chúng vào cuộc sống. Ông cha ta có câu “Trời vàng thì gió, trời đỏ thì mưa”, “Trăng quầng thì hạn, Trăng tán thì mưa”,… Đó là những câu tục ngữ nói lên mối quan hệ giữa bầu trời bao la huyền bí với các hiện tượng quan sát được trên Trái đất của chúng ta. Bầu trời đó còn được gắn với biết bao câu chuyện thần thoại như Nữ Oa vá trời, sự hình thành thế giới bởi chúa Giexu, sự tích chị Hằng Nga và chú Cuội… mà lúc nhỏ em đã được nghe 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. 3 Trong đề tài, em đã dành một phần nhỏ để giới thiệu về thế giới các sao: Cấu tạo và sự sống của chúng trước khi đi vào nghiên cứu Mặt trời. Với nội dung: Sự hình thành, phát triển và tiến hóa của Mặt trời theo giả thuyết khoa học; cũng như cấu trúc và ảnh hưởng của Mặt trời lên Trái đất; đặc biệt là chu kỳ hoạt động của nó có liên quan mật thiết đến sự sinh tồn và phát triển của con người trên Trái đất. Qua đề tài này em mong rằng mình có thể đem đến một cái nhìn tổng quát và sinh động hơn về Mặt trời, một lượng kiến thức nhỏ về Vũ trụ bao la. 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. 6 Chương 1- Các sao 1.1. Ngôi sao là gì. Từ xưa rất xưa, khi loài khủng long đang còn ngự trị, rồi đến thời kỳ kim tự tháp của Ai Cập bắt đầu xây dựng thì các vì sao đã mọc trên bầu trời. Ban đầu chúng là vật chỉ đường cho các nhà hàng hải Phênixi và các tàu buồm của Coulomb, các Ngôi sao này cứ nằm im trên bầu trời để nhìn ngắm con người, những cuộc chiến tranh kéo dài hàng thế kỷ, ngắm vụ nổ bom nguyên tử ở Hiroshima và Nagasaki tại Nhật bản do tổng thống Harru S Truman của Hoa kỳ chỉ định trong cuộc chiến tranh thế giới thứ hai. Vì vậy có rất nhiều quan điểm và cách nhìn nhận 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 8 ngọn lửa vĩnh cửu. Dẫn đến những sai lầm khi giải thích nguồn năng lượng của Mặt trời lấy từ đâu ra? + Cuối thế kỷ XIX người ta vẫn còn cho rằng bên ngoài Mặt trời thì nóng còn bên trong Mặt trời thì lạnh thỉnh thoảng nó được hiện qua các vết đen của Mặt trời. Với quan niệm này người ta đã đặt ra giả thuyết về nguồn gốc năng lượng Mặt trời là do các thiên thạch và sao chổi liên tiếp rơi xuống Mặt trời. + 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. 11 Hình 1. 1: Cấu tạo của Ngôi sao theo các lớp tổng hợp năng lượng 1.3. Sự sống của sao. Con người một khi đã biết cấu tạo của sao thì họ sẽ không dừng lại ở đó, họ muốn trả lời đươc nhiều câu hỏi hơn nữa: Các Ngôi sao đó được hình thành như thế nào? Sự tiến hóa của chúng ra sao? Có khi nào chúng ngừng phát sáng hay không?... Để trả lời những câu hỏi đó chúng ta sẽ phải đi tìm hiểu quá trình tiến hóa của các sao hay nói cách khác là sự sống của chúng, để quá trình tìm hiểu được diễn 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. 1.3.1. Cấp sao nhìn thấy 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: 2 11 2 (2,512)m m E E − = hay: ( )1 2 1 2 lg 0,4 E m m E = − (gọi là công thức Pogson). 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. 1.3.2. Cấp sao tuyệt đối 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 = 3,0857.1013 Km). Cấp sao tuyệt đối được ký hiệu bằng chữ M, nó giúp ta dễ dàng so sánh độ sáng giữa các sao (cấp sao tuyệt đối của Mặt trời bằng 4,8 và nó được lấy làm đơn vị, ký hiệu bằng chữ M0). Nếu như chúng ta biết được cấp sao nhìn thấy và thị sai hằng năm pi của một Ngôi sao thì chúng ta có thể tính được cấp sao tuyệt đối của một Ngôi sao đó theo công thức: M = m + 5 + 5lgpi . 1.3.3. Độ trưng 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 = 4pi d2E. 13 Nếu lấy độ trưng của Mặt trời làm đơn vị và ký hiệu bằng L0 (L0=3,8.10 26W) 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) 1.3.4. Màu sắc và nhiệt độ 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 1.3.5. Phân loại sao theo quang phổ 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 O 30.000 Lam (xanh lá) Vạch hấp thụ He+, He, H và ion C, Si, N, O B 20.000 Xanh nõn chuối Vạch He A 10.000 Trắng Vạch H F 8.000 Vàng chanh Vạch Ca+, Mg+, …vạch H yếu G 6.000 Vàng Vạch Ca+, Fe, Ti... K 4.000 Da cam Vạch Fe, Ti M 3.000 Đỏ Dải hấp thụ của phân tử TiO. 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 1.4.1. Giải thích giản 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 17 vi trên. Chính vì vậy mà các sao tập hợp lại thành các nhóm riêng khi biểu diễn trên giản đồ Hertzsprung – Russell, mỗi nhóm được gọi là một dải sao. Hầu như 90% số sao được bắt gặp ở giai đoạn chính của cuộc đời chúng (tổng hợp hạt nhân Hydro thành Heli), chúng nằm trên dải chính của giản đồ kéo dài từ góc phải bên dưới lên góc trái bên trên, từ sao lùn đỏ đến sao khổng lồ xanh. Những Ngôi sao nằm ở phía trên bên phải của dải chính là những Ngôi sao loại G – M, có nhiệt độ trong khoảng từ 6.000K – 3.000 K, có cấp sao tuyệt đối bằng “0”, có kích thước và độ trưng rất lớn nó là những Ngôi sao khổng lồ đỏ hay siêu khổng lồ đỏ. 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. 1.4.2. Tuổi của các Ngôi sao. 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. 20 Hình 1. 6: Những ngôi sao trẻ hình thành trong tinh vân. Các Ngôi sao được hình thành từ các tinh vân bụi khí do lực vạn vật hấp dẫn làm tích tụ các nguyên tố Hydro và Heli (chiếm không dưới 98% khối lượng) với mật độ cao. 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 2.E m c= ∆ ) 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 ( )01,4M M≤ : Hình 1. 7: Sự tiến hóa của sao có khối lượng M ≈ M0 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: 0 01,4 (3 5)M M M≤ ≤ − 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)M0. 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 24 không thể nhìn thấy nó. Nhưng chúng ta có thể phát hiện ra sự có mặt của nó vì nó luôn phát ra các tia X trong Vũ trụ. Hình 1. 8: Sơ đồ tiến hóa của sao 25 Chương 2 - Mặt trời 2.1. Quỹ đạo của Mặt trời. 2.1.1. Analemma. Quỹ đạo chuyển động của Mặt trời khi xét cùng một thời điểm trong ngày, của các ngày khác nhau trong năm gọi là Analemma. 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 η là 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 2.1.2. Đường đi một ngày đêm của Mặt trời – nhật động 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 ( 023 27δ ′= ) – ngày dài hơn đêm, ngắn nhất vào ngày Đông chí ( 023 27δ ′= − ) – 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. 2.1.3. Quỹ đạo một năm của Mặt trời – Hoàng đạo. 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 2.2.1. Sơ lược về 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 33 • Phần bên trong lại được chia thành các lớp như sau: Lõi (tâm Mặt trời), vùng truyền bức xạ năng lượng và vùng truyền đối lưu của Mặt trời. a. Lõi (Core): Lõi có bán kính không quá ¼ bán kính Mặt trời (khoảng 175.000 Km) nhưng tập trung một nửa khối lượng của cả Mặt trời và hầu như toàn bộ năng lượng mà Mặt trời có được đều thoát ra từ đây. Cho nên nó là một nguồn năng lượng khổng lồ hoặc nếu dùng ngôn từ hình ảnh để biểu đạt thì nó là một cái lò luôn đốt nóng Mặt trời không để cho Mặt trời nguội lạnh. 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 (khoảng 16 1710 10− hạt/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 39 f. Sắc cầu (Chromosphere). Sắc cầu hay sắc quyển (choromos-phere, góc tiếng Hy Lạp nghĩa là “khối cầu màu”) – có tên gọi như vậy là do sắc màu đỏ - tím của nó. Sắc cầu không đồng nhất, và gồm chủ yếu là những lưỡi lửa thon thả trong như những đám cỏ đang cháy, nhiệt độ của các tia sắc cầu này cao hơn trong quang cầu gấp hai đến ba lần nhưng mật độ khí quyển ở đây thì lại kém hơn hàng trăm nghìn lần. Các sắc cầu vươn cao với những độ cao khác nhau, cao nhất là 15000 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 41 lần. Bức xạ của tia tử ngoại và tia X cũng gia tăng đặc biệt: Đôi khi công suất của nó vượt trội gấp vài lần công suất chung của bức xạ có nhiều cơn bùng sáng. Hình 2. 13: Mô hình hình thành những cơn bùng sáng. Ánh sáng phát ra từ sắc cầu nếu khi cho qua máy ghi phổ thì nó sẽ cho phổ vạch phát xạ tương ứng với đường Hα (6563A 0) của Hydro trung hòa, tiếp đến là những đường của nguyên tố Na, Ca, Mg và của ion Heli, và nếu đem phân tích kỹ hơn nữa các phổ vạch phát xạ này người ta thấy rằng: Nhiệt độ của khối khí trong sắc cầu tăng theo độ cao, nó biến thiên trong phạm vi từ 4500K đến 4.105K. Ngày này không phải đợi đến nhật thực toàn phần xảy ra mới quan sát được sắc cầu, mà bằng các thiết bị quang phổ chuyên dùng người ta đã có thể tạo ra hiện tượng nhật thực nhân tạo để quan sát sắc cầu. Hình 2. 14: Tai lửa Mặt trời 42 g. Nhật hoa (Corona). Nhật hoa có tên tiếng anh là: Corona; tên tiếng pháp là Couronne, gốc tiếng Hy Lạp nghĩa là “mũ miện” do đó đôi khi còn được gọi là “nhật miện”. Nhật hoa là vùng ngoài nhất của khí quyển Mặt trời, là quầng sáng yếu bao quanh đĩa Mặt trời có độ dài lớn: Trải dài suốt hàng triệu cây số, gấp mấy lần bán kính Mặt trời, phần yếu dần của nó còn vươn xa hơn, xa đến nổi vượt khỏi giới hạn quỹ đạo của sao Mộc và sao Thổ. Hình 2. 15: Nhật hoa của Mặt trời quan sát khi xảy ra hiện tượng nhật thực Mật độ vật chất của vùng nhật hoa giảm xuống khi độ cao tăng lên, nhưng chậm hơn nhiều so với mật độ của không khí trong khí quyển Trái đất. Nguyên nhân dẫn đến mật độ không khí của Trái đất giảm nhanh khi bốc lên cao là do lực hút của Trái đất. Quan sát nhật hoa tốt nhất là khi xảy ra hiện tượng nhật thực toàn phần, vì bình thường độ chói sáng của nhật hoa yếu hơn sắc cầu và quang cầu đến hàng nghìn lần cho nên ta không nhìn thấy nó. Trong thực tế thì việc quan sát nhật hoa từ nhật thực toàn phần là rất khó vì nhật thực chỉ diễn ra trong một thời gian rất ngắn ánh sáng thay đổi đột ngột mà mắt người không thể thích ứng nổi. 43 Ngày nay nhờ sự phát minh ra nhiếp ảnh mà các nhà thiên văn vừa có phương tiện quan sát dễ dàng vừa có khả năng lưu trữ lại những hình ảnh này như một tư liệu. Tuy nhiên để có được tấm ảnh về nhật hoa thật tốt thì không mấy dễ dàng, chính sự khác nhau về cường độ sáng giữa các lớp trong vùng nhật hoa gây ra điều đó (nhật hoa phía trong quá sáng, nhật hoa phía ngoài thì sáng yếu ớt). Cấu trúc tia là những đặc điểm chính của nhật hoa, hình dạng của nó rất đa dạng: Khi là tia ngắn, khi là tia dài, có cả những tia thẳng đôi khi lại rất công. Năm 1897, nhà thiên văn học Alêcxây Paplôvich Ganxki ở đài thiên văn Puncôvô (Nga) đã phát hiện ra rằng toàn bộ cảnh nhật hoa thay đổi theo chu kỳ, và có liên quan tới sự hoạt động 11 năm của Mặt trời, cứ một chu kỳ nhật hoa lại có thay đổi cả về độ chói cũng như hình dạng. Thời kỳ nào Mặt trời có nhiều vết tối nhất thì độ sáng của nó tăng nhanh, nhật hoa có hình dạng khá tròn, những tia nhật hoa thẳng và hướng dọc theo bán kính Mặt trời trải rộng ra tạo thành các dòng suối nhật hoa, quan sát ở xích đạo cũng như ở vùng cực. Còn khi Mặt trời có vết tối ít, tia nhật hoa chỉ thấy được ở những vĩ độ trung bình và vĩ độ gần xích đạo, hình thù của nó trải dài xa tâm hơn ở vùng cực nên ở vùng cực chỉ xuất hiện những tia rất ngắn gọi là những chổi con vùng cực, do đó độ chói chung của nhật hoa bị giảm. như vậy hình dạng của nhật hoa cũng liên quan đến sự chuyển động dần dần theo chu kỳ 11 năm của vùng có nhiều vết tối. Vì bắt đầu một chu kỳ mới những vết tối đầu tiên xuất hiện tại hai phía của xích đạo tại vĩ độ 030 40− , đến cuối chu kỳ thì vết tối dần dần chuyển về phía xích đạo. Những nghiên cứu tỉ mỉ về nhật hoa cho chúng ta thấy rằng: Có mối quan hệ nhất định giữa cấu trúc nhật hoa và các hiện tượng trong khí quyển Mặt trời. Ví dụ như trên những vết tối và đốm sáng thường thấy có những tia nhật hoa thẳng và rực sáng, nhưng những tia bên cạnh thì bị uốn công về phía những tia kia. Ngoài ra vùng sắc cầu ở dưới chân của các tia nhật hoa có độ chói tăng lên nó trở thành vùng bị kích hoạt đặc biệt hơn các vùng lân cận không bị kích hoạt. Bên trên những vết tối, vùng nhật hoa thường thấy có những hình sáng phức tạp, các tai lửa cũng thường được viền quanh bởi những màng bọc cấu tạo từ vật chất của nhật hoa. 44 Màu sắc nhật hoa giống như Mặt trời một cách lạ lùng, giống như thể ánh sáng Mặt trời được phản chiếu trên một tấm gương nhưng độ sáng thì chỉ bằng 10-6 so với độ sáng do quang cầu phát ra. Tuy nhiên ở phần nhật hoa phía trong, những vạch Fraunhoper đặc trưng cho quang phổ Mặt trời lại hoàn toàn biến mất. Và những vạch này lại xuất hiện trở lại ở vòng ngoài của nhật hoa nhưng rất yếu ớt. Ngoài ra ánh sáng nhật hoa còn bị phân cực, càng xa dần Mặt trời thoạt đầu tỉ lệ ánh sáng phân cực tăng lên, nhưng sau đó lại giảm xuống. Cuối cùng trong quang phổ nhật hoa xuất hiện những vạch phát xạ ánh sáng mà mãi đến gần giữa thế kỷ XX người ta vẫn không thể nhận dạng đồng nhất của chúng với những nguyên tố hóa học mà ta đã biết. Nguyên nhân gây ra những đặc điểm trên của nhật hoa là do: Mật độ khí trong vùng nhật hoa quá loãng – gần đạt đến chân không lý tưởng, nhưng nhiệt độ khí ion thì lại cao – đến vài triệu độ K. Dẫn đến tốc độ trung bình của các nguyên tử Hydro trên 100 km/s, tốc độ của các electron tự do còn lớn hơn nữa khoảng 40 lần. Với tốc độ như vậy mặc dù khí rất loãng nhưng sự va chạm của các nguyên tử và đặc biệt là của các electron vẫn thường xuyên xảy ra, lực va chạm thì rất lớn đến nổi các nguyên tử của các nguyên tố nhẹ hầu như đã đánh mất hoàn toàn tất cả electron của mình chỉ còn lại các hạt nhân “trần trụi”, còn các nguyên tử nặng hơn thì bảo toàn được các eclectron ở lớp sâu nhất đồng thời chuyển qua trạng thái ion hóa cao. Như vậy khí nhật hoa tồn tại dưới dạng plasma ion hóa cao có rất nhiều ion điện tích dương và electron. Màu trắng của nhật hoa là kết quả do ánh sáng trắng từ quang cầu gửi tới nhưng bị các electron tự do trong nhật hoa làm tán xạ gây nên nó không góp phần năng lượng của mình khi tán xạ mà chỉ làm thay đổi hướng của ánh sáng tán xạ đồng thời phân cực ánh sáng này. Những vạch sáng lạ thường thu được trong quang phổ là do sự bức xạ lạ thường của những nguyên tử ion hóa cao của Sắt, Agon, Niken, Canxi và một số nguyên tố khác xuất hiện trong điều kiện vô cùng loãng. Cuối cùng sự xuất hiện của những vạch hấp thụ tại vùng nhật hoa phía ngoài là do ánh sáng trắng từ quang cầu gửi tới bị các hạt bụi thường xuyên có trong môi 45 trường giữa các vì sao làm tán xạ gây ra. Tại nhật hoa phía trong không có các vạch phổ hấp thụ xuất hiện chỉ có thể giải thích là do hiệu ứng Doppler – khi tán xạ các electron chuyển động nhiệt rất nhanh nên mọi lượng tử ánh sáng hầu như đều bị thay đổi về tần số (thay đổi bước sóng) đến nổi những vạch Fraunhoper của quang phổ Mặt trời hoàn toàn bị tẩy sạch. 2.2.2. Năng lượng của Mặt trời. Tại sao đã hàng tỷ năm nay Mặt trời vẫn chiếu sáng mà không nguội đi? Loại nhiên liệu nào đã cung cấp năng lượng cho nó? Câu hỏi này mãi đến những năm đầu thế kỷ XX mới được các nhà khoa học giải đáp. Và đến nay thì mọi người đều biết, Mặt trời cũng như các Ngôi sao khác phát sáng được là do phản ứng nhiệt hạch diễn ra trong lòng nó. Nếu như các hạt nhân nguyên tử của những nguyên tố nhẹ kết hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân nguyên tử của một nguyên tố nặng hơn, thì khối lượng hạt nhân của nguyên tố mới kia lại nhỏ hơn khối lượng của tất cả các hạt nhân cấu tạo nên hạt nhân mới đó. Chính sự thiếu hụt khối lượng này đã biến thành năng lượng theo phương trình của Einstein (E = 2mc∆ ). Năng lượng này hầu như hoàn toàn chuyển thành nhiệt, mặt khác phản ứng tổng hợp hạt nhân nguyên tử này xảy ra trong điều kiện có áp suất và nhiệt độ rất cao trên 107K, nên phản ứng này có tên gọi là phản ứng nhiệt hạch (hay nhiệt hạt nhân). Phản ứng nhiệt hạch để tạo ra năng lượng Mặt trời gồm có hai loại: a. Phản ứng tổng hợp hạt nhân Heli. Cứ 4 nguyên tử Hydro tạo thành một nguyên tử Heli và giải phóng năng lượng và cứ mỗi gam Hydro tham gia vào phản ứng thì thoát ra khoảng 116.10 J năng lượng (tương ứng với 1g Hydro tham gia phản ứng thì độ hụt khối của nó tương ứng là m∆ = 0,0071g), và trên Trái đất nguồn năng lượng này đủ để đun sôi 1000cm3 nước từ 00C. 46 ∗ Cơ chế của phản ứng hạt nhân (chu trình proton – proton) Phản ứng hạt nhân này có tên gọi là phản ứng proton – proton vì rằng bắt đầu từ sự tiếp cận của hai hạt nhân nguyên tử Hydro. Phản ứng này diễn ra rất chậm, chậm đến mức mà một proton điển hình lang thang xung quanh tâm Mặt trời có cơ hội tốt để tổng hợp với proton khác chỉ sau khoảng 5.109 năm. Vậy tại sao phản ứng này lại diễn ra chậm như thế? Đó là do hai hạt proton đều mang điện tích dương nên giữa chúng luôn xuất hiện một lực đẩy tỉnh điện ngăn cản sự kết hợp này và do bản chất của sự kết hợp này khó có thể xảy ra, các proton rất khó tự nó mất đi điện tích dương bằng cách phát xạ positron để từ hai proton kết hợp lại tạo thành một hạt mới có một proton và một neutron. Lực đẩy tỉnh điện (lực Coulomb) tỉ lệ với bình phương khoảng cách giữa hai nguyên tử và nếu như 2 hạt proton tiến sát lại gần nhau thì lực này sẽ tăng vọt lên và có tác dụng không cho hai hạt này kết hợp. Khi đó thế năng tương tác giữa chúng là: 2 1 2 t Z Z e E r = trong đó Z1 và Z2 là số hạt nhân của hạt nhân 1 và 2. (nếu là nguyên tử Hydro thì Z1 = Z2 = 1). Chính vì điều đó, để xảy ra phản ứng nhiệt hạch bắt buộc động năng chuyển động của các phân tử phải lơn hơn thế năng tương tác giữa chúng (động năng tương đối giữa hai hạt là: 3 2d E KT= ) nên ta có điều kiện: Eđ ≥ Et ⇒ T ≥ 55.10 6K. Vậy với T ≥ 55.106K thì phản ứng nhiệt hạch sẽ xảy ra nhưng đôi khi vẫn có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn vì động năng ta lấy ở trên là động năng trung bình của các phân tử. Nhưng trong thực tế với nhiệt độ trong lòng Mặt trời đạt đến hàng chục triệu Kenvin và áp suất lại rất cao nên chuyển động nhiệt của các phân tử là rất lớn (đã đủ để xảy ra phản ứng hạt nhân) đến nổi chúng cứ chuyển động tiến lại gần nhau cho tới khi khoảng cách giữa chúng 1510 m−≤ có nghĩa là chúng đã lọt vào phạm vi ảnh hưởng của các lực hạt nhân cho nên diễn ra chuổi biến đổi và kết thúc bằng sự xuất hiện một hạt nhân mới bao gồm hai proton và hai neutron – chính là Heli. Nhưng không đơn giản khi nào cũng có phản ứng hạt nhân xảy ra đôi khi hàng 47 tỉ năm mà vẫn không có mặc dù hai hạt proton luôn va chạm vào nhau, nhưng nếu tại thời điểm sát nhau của hai hạt proton mà xảy ra sự phân rã bêta ngược (proton sẽ phân rã thành neutron, positron, và neutrino) thì phản ứng hạt nhân sẽ xảy ra và quá trình đó được thể hiện như sau: Năm 1939, Bethe đã đưa ra chu trình p –p để giải thích khả năng chiếu sáng của Mặt trời. Bước 1: Sự kết hợp hai proton để tạo thành hạt nhân nguyên tử bền chắc của Hydro nặng là Deuteron và giải phóng một hạt neutrino và và một positron. 1 1 2 1 1 1 0,42H H H e Mevν ++ → + + + (1) Vì phần bên trong của các sao bị ion hóa cao nên positron nhanh chống hủy đi một electron. 2 1,02e e Mevγ+ −+ → + Bước 2: Số hạt neutrino được tạo ra trong bước 1 có thể kết hợp với bản thân nó để tạo thành hạt mới nhưng số hạt cùng loại này ở xung quanh nó rất ít, mặt khác các hạt neutrino vừa mới được tạo ra lại không tồn tại lâu trong lòng các Ngôi sao, chỉ vài giây sau khi hình thành nó va chạm với một proton và liền kéo proton đó về phía nó đồng thời giải phóng một lượng tử gamma mạnh để trở thành hạt nhân chất đồng vị của Heli (có hai proton liên kết với một neutron). 2 1 3 1 1 2 5,49H H He Mevγ+ → + + (2) Cuối cùng hàng triệu năm sau khi hai hạt nhân Heli nhẹ (đồng vị của Heli) được hình thành chúng kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân Heli thường đồng thời giải phóng hai proton và vòng kết hợp lại bắt đầu. Vòng kết hợp diễn ra theo ba con đường, người ta gọi lần lượt là là ba chu trình PP1, PP2, PP3. • PP1: 3 3 4 1 1 2 2 2 1 1 26,2He He He H H Mev+ → + + + (3) Chúng ta chú ý rằng đối với phương trình (1) và (2) thì lực đẩy của giũa các proton là yếu hơn lực đẩy giữa các proton của phương trình (3). Nên (1), (2) có thể xảy ra ở điều kiện nhiệt độ là 106K, còn (3) thì xảy ra ở điều kiện nhiệt độ là 10- 48 14.106K. Và phương trình (3) hay chu trình PP1 là phản ứng chủ yếu diễn ra trong lòng Mặt trời của chúng ta (khoảng 85%), toàn bộ năng lượng tỏa ra của chu trình này là 26,2Mev. Sơ đồ phản ứng tổng hợp các hạt nhân Heli từ 4 nguyên tử Hydro. Hình 2. 16: Sơ đồ phản ứng tổng hợp các hạt nhân Heli từ 4 nguyên tử Hydro. • PP2: 3 4 7 2 2 4He He Be γ+ → + 7 7 4 3e Be Li ν − + → + 1 7 4 4 1 3 2 2H Li He He+ → + Nhiệt lượng tỏa ra của toàn bộ chu trình PP2 là: 25,2Mev, nó diễn ra ở nhiệt độ khoảng 14-23.106K và chiếm khoảng 15% trong tổng số chu trình diễn ra. • PP3: 3 4 7 2 2 4He He Be γ+ → + 1 7 8 1 4 5H Be B γ+ → + 8 8 5 4B Be e ν +→ + + 8 4 4 4 2 2Be He He→ + 49 Chu trình PP3 chủ yếu diễn ra ở nhiệt độ trên 23.106K, nhiệt lượng tỏa ra của toàn bộ chu trình này là 19,1Mev. Nó chiếm khoảng 0,02%. Các positron và lượng tử gamma sinh ra trong các quá trình phản ứng sẽ truyền năng lượng cho chất khí xung quanh, và neutrino rời hẳn Mặt trời bởi vì chúng có khả năng xuyên qua lớp vật chất dày mà không va chạm với một nguyên tử nào, điều đó chúng tỏ hạt neutrino cũng đến đập vào Trái đất và hiện nay trên Trái đất chúng ta đã có 3 máy thu hạt neutrino đang hoạt động, nhưng số neutrino thu được từ thiết bị và từ dự đoán của các nhà khoa học không giống nhau. Điều đó có ý nghĩa gì? Theo tính toán của các nhà khoa học thì cứ 1 giây số hạt neutrino do Mặt trời sinh ra đến đập vào Trái đất là 8,25.1028 hạt vì: Trong một chu trình p- p sinh ra 26,2 Mev năng lượng và hai hạt neutrino, mà 1s Mặt trời phát ra 3,9.1026J như vậy trong 1s số chu trình p-p xảy ra là: ( ) ( ) 26 37 6 19 3,9.10 J 9,3.10 26,2.10 .1,6.10 J n − = = (chu trình) Số neutrino do Mặt trời sinh ra trong 1s là: N = 2.9,3.1037 = 1,86.1038 (hạt). Vậy trong 1s số neutrino đến đập vào Trái đất là: 2 28 2 . . . 8,25.10 4. . E E E S E S S R hatN N N sS d pi pi→ → ′ = = = Nhưng trong thực tế mãi đến năm 1998 các nhà khoa học vẫn chưa giải thích được tại sao số neutrino thu được từ các máy đo đặt trên Trái đất không giống với dự đoán của các nhà khoa học, số hạt thu được nó chỉ bằng ½ hoặc 1/3 tổng số hạt dự đoán. Phải chăng giải thiết về sự hình thành và phát triển của hệ Mặt trời đã sai, hay giả thiết neutrino là một hạt trung hòa, không mang điện tích, không mang khối lượng chưa hoàn thiện? Đến đầu thế kỷ 21 thì vấn đề tiếp tục được nghiên cứu một số thí nghiệm mới đang chứng tỏ neutrino có khối lượng, và neutrino khi xuyên qua nước sẽ sản sinh hạt meson ( µ ). Một hướng nghiên cứu mới mở ra, chính vì vậy đài quan sát KM3 có độ cao 600m vừa được hoàn thành dưới đáy biển ở độ sâu 50 2000m tại khu vực gần đảo Sicily của Italy với 60 thiết bị thăm dò đã sẳn sàng chụp ánh sáng phát ra từ hạt meson (µ), đây là một hứa hẹn rất lớn cho việc tìm hiểu về hạt neutrino – hạt bí ẩn trong Vũ trụ đồng nghĩa với sự hiểu biết được hạt neutrino là ta đã có chiếc “chìa khóa” để mở bức màn bí ẩn về các tia trong Vũ trụ, làm cho con người hiểu biết nhiều hơn về dải ngân hà và tia Y-ray… Nói tóm lại sự kết hợp các hạt nhân nhẹ để trở thành hạt nhân nặng đã giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ, và nó giải thích được tại sao Mặt trời đã chiếu sáng hàng tỉ năm mà không nguội đi. Theo số liệu thống kê, một ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024 kwh (tức là chưa tới 1/106 giây Mặt trời đã giải phóng ra năng lượng tương đương với lượng năng lượng điện năng sản xuất trong một năm). Với nguồn năng lượng sản sinh ra lớn như vậy thì lượng Hydro tương ứng bị thiêu hủy cũng không nhỏ, trong một giây Mặt trời thiêu hủy đến 420.106 tấn Hydro, độ giảm khối lượng là 4,2m∆ = .106 tấn và phát ra năng lượng 3,8.1026J. b. Chu trình Cacbon – Nitơ. Chu trình này nó bao gồm một loạt 6 phương trình phản ứng bắt proton và phân rã β như sau: 1 12 13 1 6 7H C N γ+ → + Thời gian phản ứng trung bình là 106 năm. 13 13 7 6N C e ν +→ + + Thời gian phản ứng trung bình là 7 phút 1 13 14 1 6 7H C N γ+ → + Thời gian phản ứng trung bình là 2.105 năm 1 14 15 1 7 8H N O γ+ → + Thời gian phản ứng trung bình là 3.107 năm 15 15 8 7O N e ν +→ + + Thời gian phản ứng trung bình là 2 phút 1 15 12 4 1 7 6 2H N C He+ → + Thời gian phản ứng trung bình là 10 4 năm Với thời gian xảy ra phản ứng ở trên thì chu trình này chủ yếu diễn ra trong các sao thuộc dải chính có nhiệt độ trung bình khoảng 2.107K 51 Hình 2. 17: Sơ đồ phản ứng chu trình C - N Ngoài ra chu trình C-N còn có thể xảy ra theo một con đường khác nữa đó là: 15 1 16 7 1 8N H O γ+ → + 16 1 17 8 1 9O H F γ+ → + 17 17 9 8F O e ν +→ + + 17 1 14 4 8 1 7 2O H N He+ → + 14 1 15 7 1 8N H O γ+ → + 15 15 8 7O N e ν +→ + + 15 1 12 4 7 1 6 2N H C He+ → + Mặc dù có hai chu trình đều tạo nên nguồn năng lượng khổng lồ nhưng chu trình tạo ra nguồn năng lượng chủ yếu cho Mặt trời là chu trình proton – proton. Vì vậy có thể nói những Ngôi sao có khối lượng cỡ như Mặt trời và Mặt trời thì chu 52 trình proton – proton chiếm 98,4%, còn chu trình C – N chỉ chiếm 1,6%. Nhưng ngược lại đối với các Ngôi sao có khối lượng lớn hơn Mặt trời từ 10 đến 100 lần thì chu trình C – N hay xảy ra hơn và chiếm 90%. Và tốc độ sản sinh ra năng lượng của từng chu trình là khác nhau, ban đầu có thể là chu trình C-N diễn ra nhanh hơn vì chu trình P- P có quá trình tự mất đi điện tích dương của proton là rất lâu, nhưng bù lại vì proton được coi là lượng tử và nó được miêu tả bằng sóng, nên chúng có thể vượt qua rào thế - nơi mà các hạt không thể chui qua theo Vật lý cổ điển. Chính vì vậy mà năng lượng do chu trình p - p vượt trội so với chu trình C - N và chỉ đến khi nhiệt độ ở tâm của Ngôi sao lên đến 2.107K thì chu trình C-N chiếm ưu thế, nhưng ở tâm Mặt trời nhiệt độ không cao như thế nên ta khẳng định chu trình p – p là chiếm ưu thế. Sự sản sinh ra năng lượng của hai chu trình đó được biểu diễn theo nhiệt độ qua sơ đồ sau: Hình 2. 18: Sự phụ thuộc của chu trình theo nhiệt độ. 2.2.3. Sự tiến hóa của Mặt trời. Trên bầu trời, hằng đêm ta thường nhìn thấy rất nhiều Ngôi sao, bởi vì nó phát sáng và ánh sáng đó truyền tời mắt ta. Ánh sáng của các Ngôi sao đó tuy rất đẹp, rất mong lung và gây sự tò mò đối với chúng ta. Nhưng nó không đóng vai trò quan trọng trong đời sống hằng ngày, vào những đêm cuối tháng bầu trời rất ít xuất hiện sao đôi khi còn không có một sao nào nhưng cuộc sống của chúng ta vẫn diễn ra bình thường không bị đảo lộn. Vậy ban ngày chúng có phát sáng hay không? Thực sự là có, Ban ngày trên bầu trời cũng có rất nhiều Ngôi sao như bầu trời ban 53 đêm, vậy nguyên nhân nào làm cho ta không nhìn thấy các Ngôi sao này? Phải chăng đã có một Ngôi sao nào đó với cường độ ánh sáng của nó quá lớn nên đã che khuất tất cả các Ngôi sao còn lại? Đúng vậy, Ngôi sao chúng ta đang nói đến là Mặt trời, ánh sáng của nó có thể che tất cả ánh sáng của các sao còn lại, là một Ngôi sao mang lại sự sống cho toàn nhân loại, nó ở gần chúng ta nhất trong dải ngân hà, mặc dù gọi nó là Mặt trời nhưng bản chất nó là một Ngôi sao. Mặc dù ở gần là thế, đặc biệt quan trọng với chúng ta là thế nhưng nó được hình thành ra sao? Có phải chúng phát ra ánh sáng mãi mãi để cho toàn nhân loại có cuộc sống đến vĩnh cửu hay không? Lúc mới hình thành nó như thế nào? Nó có cuộc sống lớn lên rồi chết đi như con người chúng ta không?... Còn rất nhiều câu hỏi liên quan đến vấn đề này nhưng với sự phát triển của khoa học hiện đại, việc giải đáp những câu hỏi trên hoàn toàn là có thể và được thể hiện một cách tường minh sau đây: Mặt trời cũng là một Ngôi sao nên quá trình tiến hóa của chúng tuân theo quy luật tiến hóa chung của sao. Hình 2. 19: Sơ đồ tiến hóa của Mặt trời a. Sự hình thành. Mặt trời cũng giống như các sao và các hành tinh khác nên nó được hình thành từ một đám bụi khí khổng lồ, ban đầu nó co lại thành một đĩa bụi khí là tiền của hệ Mặt trời, phần trung tâm của hệ này dần dần nhỏ lại và đậm đặc hơn phần rìa của đĩa bụi khí, nó trở nên không trong suốt với ánh sáng khả kiến và ánh sáng hồng ngoại. Dần dần mật độ và nhiệt độ của phần trung tâm này tăng lên làm cho bề mặt trở nên nóng. Khi nhiệt độ bề mặt đạt tới khoảng 103K, vật thể trong rất giống một 54 sao mới, một tiền sao và đó chính là tiền Mặt trời, nó được ghi trên giản đồ L – R như một chấm đầu tiên của vết tiến hóa của Mặt trời. b. Tuổi trẻ. Phần bên trong của tiền Mặt trời nhanh chóng trở nên cần bằng thủy tĩnh. Và nó rơi vào trạng thái ổn định, và chú ý rằng phần lõi tiền Mặt trời này có nhiệt độ cao nhất ở tâm và nó giảm đi khi đi ra ngoài. Đến một lúc nào đó sự cân bằng thủy tĩnh này không còn nữa vì Ngôi sao luôn bức xạ và năng lượng của nó thoát ra ngoài để phát sáng trong không gian. Điều đó cũng có nghĩa là có một sự giảm nhiệt độ và áp suất nâng đở từ bên trong của tiền Mặt trời làm cho Mặt trời phải co lại nhỏ hơn, như vậy hiện tượng co lại từ từ của tiền Mặt trời lại làm cho nhiệt độ và áp suất bên trong nó trở nên nóng và đậm đặc hơn. Sự nóng lên và đậm đặc này sẽ làm tăng áp suất làm cho các lớp bên trong Mặt trời lại được nâng lên và có thể giải phóng nhiệt bức xạ ra ngoài. Vết ở phía bên phải của giản đồ L – R cho ta thấy sự tiến hóa của tiền Mặt trời trước khi nó dần tới kích thước cỡ hiện nay và đã tính toán được quá trình này diễn ra trong khoảng 3.107 năm với bán kính nhỏ xuống 102 lần và nhiệt độ bề mặt tăng lên 3 lần. c. Giai đoạn chính. Trong khi tiền Mặt trời co lại, khí ở tâm tiếp tục bị nén và trở nên nóng hơn. Cuối cùng khi bán kính của tiền Mặt trời (R) đạt tới giá trị như bán kính của Mặt trời ngày nay (R0), và độ trưng (L) đặt tới 0,8L0, tâm của tiền Mặt trời đủ nóng để có thể xảy ra sự tổng hợp hạt nhân Hydro thành Heli để giải phóng ra năng lượng, tiền Mặt trời trở thành Mặt trời như ngày này chúng ta quan sát được. Đây là giai đoạn chính duy nhất và dài nhất – chiếm 90% tuổi thọ của sao và như nhau đối với các tất cả các sao mặc dù khối lượng của nó không giống nhau. Ở Mặt trời giai đoạn này diễn ra trong khoảng 1010 năm, trong khoảng thời gian này Mặt trời luôn nằm trong trạng thái ổn định, luôn luôn có sự cân bằng thủy tỉnh và năng lượng nhiệt cũng phải ở trạng thái cân bằng, toàn bộ nhiệt được sinh ra ở tâm dần dần được 55 chuyển ra quang cầu mà không tích tự tại bất kỳ ở lớp nào trong Mặt trời và tại bề mặt Mặt trời năng lượng bức xạ, Vũ trụ được chiếu sáng hoàn toàn. Hiện này Mặt trời là một Ngôi sao đã nằm trong dải chính và đã chiếu sáng được 4,6.109 năm, dường như một nửa thời gian của Mặt trời nằm trong giai đoạn chính đã trôi qua và theo tính toán thì Mặt trời chỉ còn chiếu sáng khoảng 4,5.109 năm nữa mà thôi. Không phải tự nhiên con người lại đưa ra con số 4,5.109 năm nữa Mặt trời ngừng chiếu sáng, mà thông qua các số liệu đo đạc được từ Mặt trời: Khối lượng Mặt trời ≈ 2
1030kg, lượng Hydro trong Mặt trời bằng 4,4% tổng khối lượng của Mặt trời và cứ 1s Mặt trời tỏa ra 3,9
1026 J cuối cùng dựa tính toán như bên dưới người ta thu được con số đó. Trong phản ứng p –p cứ 4 nguyên tử Hydro kết hợp lại thành một nguyên tử Heli thì sẽ giải phóng lượng năng lượng là 26,2Mev. Khối lượng của 4 nguyên tử Hydro là: m4H = 4,0313u = 6,692.10 -27Kg. Vậy cứ 1Kg Hydro tham gia phản ứng thì nhiệt lượng do nó sinh ra là: 6 19 14 27 26,2.10 .1 .1,6.10 6,26.10 6,692.10 ev Kg J E J Kg ev − − = = Cứ trong 1 giây Mặt trời tỏa ra năng lượng là 3,9.1026J vậy số kg Hydro sẽ tiêu hao trong 1s đó là: 26 12 14 3,9.10 (1 ) 0,623.10 6,26.10 J Kgsm s J s Kg = = Số kg Hydro mà Mặt trời tiêu tốn trong một năm là: m(1 năm) = 0,623.1012.365.24.3600 = 19.55.1018Kg/năm. Vậy thời gian để Mặt trời đốt hết lượng Hydro trong lòng nó là 30 9 18 02.10 .4,4( ) 0 4,5.10 (1 ) 19,55.10 M Hydro t m nam = = = (năm). 56 d. Tuổi già. Như ta đã biết giai đoạn chính của Mặt trời là ở tâm xảy ra phản ứng hạt nhân sinh ra năng lượng chiếu sáng khắp Vũ trụ, và điều gì sẽ xảy ra khi giai đoạn này kết thúc - Mặt trời đốt hết nhiên liệu? Sau khi nhiên liệu bị đốt hết thì Mặt trời một lần nữa co lại để tạo ra sự cân bằng về áp suất bên trong lòng Mặt trời, sự co lại này làm nóng khí, và nhiệt độ tại tâm tăng lên từ từ. Khi nhiệt độ tăng lên và đạt tới giá trị là 108 K, thì ba hạt nhân Heli biến đổi thành một hạt nhân Cacbon ( )4 123 He C γ⇒ + . Như vậy Heli dư từ sự tổng hơp Hydro đã trở thành một nhiên liệu hạt nhân mới. Độ trưng của Mặt trời khi xảy ra hiện tượng này rất cao đạt đến giá trị là L ∼ 104 L0. Điều đó chứng tỏ rằng Mặt trời phải nở phông lên rất lớn để cho bức xạ này thoát ra ngoài môi trường (bán kính Mặt trời khi nở phồng lên là R ∼ 400 R0). Nó tạo cho Mặt trời một cuộc sống mới, trở thành sao khổng lồ đỏ - ánh sáng mà nó phát ra không phải là màu vàng của loại phổ G2 nữa mà trở thành màu đỏ, khi đó bán kính của Mặt trời lớn đến nổi lan ra đến quỹ đạo hành tinh của chúng ta và cả Thủy tinh cũng nằm bên trong Mặt trời. Mặt trời đốt nóng Trái đất chúng ta với nhiệt độ là 12000C, lúc đó mọi thứ hầu như bị nóng chảy và thiêu rụi, Toàn bộ nước trên Trái đất bị bốc hơi và thoát khỏi Trái đất, Sự sống sẽ không tồn tại trên Trái đất. Lượng Heli dư thừa từ phản ứng nhiệt hạch có sẵn cung cấp cho sự tổng hợp hạt nhân mới diễn ra rất nhanh, thời kỳ này chỉ kéo dài khoảng 108 năm (chiếm khoảng 1% toàn bộ cuộc đời của Mặt trời). Mặt trời lớn dần lên và phóng ra một lớp khí đồng nghĩa với việc Mặt trời mất dần khối lượng, các lớp vỏ bên ngoài mất dần chỉ còn lại lõi bên trong chứa toàn là Heli và Cacbon – sản phẩm của phản ứng hạt nhân, lúc này Mặt trời vẫn còn chiếu sáng nhưng nhiệt độ của nó giảm dần vì nguồn phát ra năng lượng đã không còn. Khi đó bán kính của Mặt trời co lại xấp xỉ bằng 10-2 R0, gần bằng bán kính của Trái đất và khoảng thời gian này diễn ra rất nhanh chỉ trong vòng 104 năm. 57 e. Số phận cuối cùng của nó. Khối lượng của Mặt trời không đủ để kết thúc cuộc đời của mình bằng vụ nổ siêu tân tinh nên sau khi đốt hết nhiên liệu bằng các phản ứng hạt nhân thì phần lõi bên trong Mặt trời chỉ còn lại các nguyên tử nặng như Fe, Oxi. Bán kính của sao khổng lồ đỏ dần dần nhỏ lại đến khi nó vào khoảng cỡ 10-2 R0, thì áp suất của hệ khí điện tử suy biến (nhiệt độ cao nên phần lõi bên trong của Mặt trời chỉ còn toàn là electron nó tồn tại dưới dạng flasma) cân bằng với lực hấp dẫn của Ngôi sao, như vậy khi này Mặt trời được nâng đỡ bởi áp suất electron ở trạng thái cân bằng nên Mặt trời lúc này trở thành sao lùn trắng có kích thước cỡ 106 đến 107m, mật độ khối lượng ρ ∼ 106 gcm-3, nhiệt độ bề mặt khoảng 104 K. Khi đã trở thành sao lùn trắng rồi thì bán kính của sao không giảm xuống nữa, những tia sáng cuối cùng của nó được chiếu từ từ ra xa Vũ trụ. Nhiệt bên trong của nó dần dần giảm xuống và sao nguội dần, sau một thời gian thì biến thành sao lùn nâu rồi sao lùn đen, sự sống kết thúc hoàn toàn. Khi này nếu xung quanh Mặt trời tồn tại các hành tinh thì chúng sẽ bị đóng băng. 2.2.4. Có thể nhìn thấy gì trên Mặt trời Hình như ai cũng biết rằng không thể nhìn thẳng lên Mặt trời vì ánh sáng của Mặt trời mang năng lượng rất lớn nếu chúng ta phạm điều cấm kị này khi quan sát Mặt trời thì có thể làm hư mắt của chúng ta. Một phương pháp đơn giản có thể dùng để quan sát Mặt trời là sử dụng kính thiên văn, nhưng khi sử dụng kính thiên văn để quan sát Mặt trời một cách trực tiếp thì chúng ta cũng cần quan tâm đến độ sáng của Mặt trời sau khi nó qua kính thiên văn và đến mắt chúng ta, nếu kính thiên văn có dụng cụ lọc ánh sáng không tốt hoặc không có các thiết bị làm dịu ánh sáng thì việc nhìn lên Mặt trời một cách trực tiếp như vậy cũng gây ảnh hưởng rất lớn đối với mắt chúng ta. Chính vì vậy chúng ta nên thu ảnh của Mặt trời lên trên một màn giấy trắng sau đó mới quan sát (phương pháp này rất đơn giản đối với một cái kính thiên văn nhỏ cũng có thể thu được ảnh của Mặt trời lớn như một cái đĩa). Vậy qua 58 việc quan sát này chúng ta thấy những gì trên Mặt trời? Đó là sự tạo hạt và vết đen Mặt trời. a. Sự tạo hạt Nhìn lên đĩa Mặt trời ta thấy Mặt trời không phải là một đĩa đồng nhất mà trên đó có những chi tiết lớn nhỏ khác nhau gọi chung là hạt, giữa các hạt có các khoảng tối. Kích thước của các hạt là khoảng 1000 – 2000 Km, còn các đường kính của khoảng tối thì nhỏ hơn có bề rộng khoảng 300 – 600Km, và cùng lúc chúng ta có thể quan sát thấy cả triệu hạt trên đĩa Mặt trời Sở dĩ chúng ta nhìn thấy sự tạo hạt trên bề mặt Mặt trời là do: Bên trong Mặt trời có một vùng truyền năng lượng ra quang cầu bằng phương pháp đối lưu – vùng đối lưu của Mặt trời. Vì sự truyền năng lượng bằng phương pháp đối lưu nên trên Mặt trời luôn có một dòng khí nóng mang năng lượng cao từ dưới lên trên giản nở, tỏa nhiệt rồi truyền năng lượng cho môi trường xung quanh đồng thời có một luồng khí lạnh từ trên đi xuống vào trong lòng Mặt trời nên vật chất trên bề mặt Mặt trời luôn bị đốt nóng, chuyển động và xáo trộn cảnh tượng đó là cơ chế của sự tạo hạt, cho nên khi quan sát ta thấy trên bề mặt của Mặt trời chứa rất nhiều hạt nó tạo nên một cái nền chung cho toàn bộ Mặt trời và trên đó có thể quan sát thấy các đối tượng lớn hơn, tương phản hơn, ví dụ như: Vết đen, các đốm sáng của Mặt trời…… Hình 2. 20: Mô hình vết đen được quan sát trên nền của sự tạo hạt 59 b. Vết đen Mặt trời. Galileo là người đầu tiên quan sát Mặt trời và các vết đen của nó dường như mỗi ngày, ông thấy rằng Vết đen là những miền trên quang cầu, có nhiệt độ thấp hơn miền bao quanh khoảng vài nghìn Kenvin, có kích thước khoảng 104km, Các Vết đen càng lớn thì có thời gian tồn tại trên Mặt trời càng lâu, một Vết đen lúc đầu xuất hiện ở bên này của Mặt trời, sau đó di chuyển ngang qua bề mặt Mặt trời, và biến mất ở đầu bên kia của Mặt trời trong khoảng thời gian hai tuần. Từ đó ông khẳng định rằng vết đen là một phần của Mặt trời và nó quay cùng Mặt trời theo chu kỳ quay tự quay khoảng 28 ngày (một số tài liệu khác là 27 hoặc 25 ngày). Sau này với những quan sát chính xác hơn cho thấy Mặt trời tự quay quanh trục với chu kỳ thay đổi theo vĩ độ B của điểm đó trong hệ tọa độ Vật lý Mặt trời và sự thay đổi đó thỏa mãn biểu thức: 0 0 214 ,37 2 60B Sin Bω = − (trong đó ωB là góc quay được trong một ngày của những điểm có vĩ độ B). Hình 2. 21: Vết đen Mặt trời được chụp bởi vệ tinh SOHO vào ngày 30/03/2001, diện tích của Vết đen trải rộng gấp 13 lần diện tích của Trái đất. 60 Hình 2. 22: Hình dung về cảnh vật Vết đen Ngày nay, với sự phát triển của ngành thiên văn, kính viễn vọng có thể quan sát các vết đen (vết tối) Mặt trời một cách hoàn thiện và giải thích được các vấn đề liên quan đến nó. Mặt trời như một cái đĩa phát sáng, vết tối quan sát trên đĩa Mặt trời giống như một chiếc đĩa sâu và tối hơn các vùng xung quanh, vì sao nó lại như vậy? (hình 2.25) Đó là do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng gây nên, tại vùng tối nhiệt độ thấp hơn khoảng 1500 – 2000 K, mặt khác khí ở đây còn trong suốt hơn khí ở xung quanh chúng ta. Kích thước của các vết đen cũng rất khác nhau, từ vết nhỏ có đường kính khoảng 103 – 2.103 km tới vết lớn hơn có đường kính khoảng 4.104 km lớn gấp vài lần đường kính của Trái đất, hiện nay vết đen lớn nhất quan sát được trên Mặt trời có đường kính là 105 km, những vết đen này tồn tại lâu hơn khoảng hai tháng sau đó mới biến mất. Thời gian này đủ lớn để cho các vết đen biến mất và xuất hiện lại sau hai tuần ở phía kia của Mặt trời. Nhưng thực tế, các vết đen Mặt trời đã được quan sát chỉ tồn tại trong khoảng vài ngày, sau đó biến mất để được thay thế bằng các vết đen khác. Vết đen lớn thì có cấu trúc phức tạp hơn vết đen nhỏ, chúng gồm hai phần: Một vùng tối mờ bao quanh vùng tối đen, đường kính của vùng tối mờ lớn gấp vài lần so với đường kính của vùng tối đen. 61 Nguyên nhân nào làm xuất hiện vết đen? Sự xuất hiện vết đen gắn chặt với sự biến đổi cấu hình từ trường trên Mặt trời, mà từ trường trên Mặt trời lại có nguồn gốc từ sự chuyển động plasma của vật chất. Vì vậy từ thủy động lực học plasma sẽ giúp ta lý giải nguồn gốc và sự tiến hóa của các vết đen trên Mặt trời. Cụ thể lý thuyết từ thủy động MHD (Magnet hydrodynamic theory) do Cawling và Alfven đề xướng có thể giúp chúng ta giải thích một cách định tính sự xuất hiện và tồn tại của vết đen. Theo Alfven do có nhiễu động nào đấy làm xuất hiện miền plasma có mật độ electron và nhiệt độ khác nhau, từ đó hình thành các dòng điện có cường độ lớn kéo theo sinh ra từ trường lớn ở vùng lân cận. Nếu có cơ chế nào đó chuyển động năng của khối plasma 2 2 vρ thành năng lượng từ có mật độ 2 28 B piµ thì cảm ứng từ B ở địa phương đó sẽ tăng dần. Vì plasma có độ dẫn điện lớn nên dường như từ trường bị “đống keo” vào vật chất đó và nếu như dòng plasma đứng yên thì mọi biến thiên của từ trường đều bị từ trường của dòng cảm ứng ngăn lại và từ trường chỉ biến đổi khi các đường sức từ cảm ứng cùng dịch chuyển với dòng vật chất đó. Chính dòng đối lưu trong lòng Mặt trời đã “nắn thẳng” các đường sức từ, kéo dài nó, dồn nó lại, làm cho từ trường mạnh hơn. Chính từ trường này đã làm yếu dòng năng lượng chuyển động từ trong lòng Mặt trời lên quang cầu làm cho nhiệt độ ở vùng này bị tụt xuống, xuất hiện vết đen Mặt trời. Nói là vết đen nhưng với độ sáng này cũng có thể làm mù mắt người, vì độ sáng của nó bằng ¼ độ sáng môi trường xung quanh, sự chênh lệch nhiệt độ giữa các vùng chỉ nằm trong khoảng 1500 – 2000K. Nên vết đen không phải hoàn toàn là màu đen, mà chỉ cảm tưởng là màu đen do sự tương phản ánh sáng của hai vùng tương ứng có ánh sáng khác nhau. Như vậy xung quanh vết đen Mặt trời luôn luôn tồn tại một từ trường mạnh và nguyên nhân gây ra từ trường đó chính là dòng điện, dòng điện có được là do nhiễu động làm xuất hiện miền plasma có mật độ electron và nhiệt độ khác nhau, nhưng tại sao lại như vậy? Bởi lẽ toàn bộ Mặt trời là một khối khí khổng lồ nên không thể chứa các vật chất từ rắn ở đây, các phân tử khí trên Mặt trời thì luôn luôn bị ion hóa bởi các electron tự do, khi các electron tự do và các hạt mang điện của 62 chúng chuyển động tương đối so với các nguyên tử và các ion, thì có một dòng điện chạy trong chất khí và chính dòng điện này đã sinh ra từ trường của Vết đen. Vậy làm sao để tính được giá trị dòng điện đã sinh ra từ trường? Để đơn giản gần đây người ta đã dùng hình ảnh sợi dây solenoid (“solenoid” là một ống dây hình trụ gồm n vòng quấn thành – hình 2.26) để biểu thị cho vết đen Mặt trời, mỗi vết đen được xem như một “dây” có dòng điện chạy dày trong khoảng đường kính là 103 km, nhưng với đường kính khoảng 104 km thì dòng điện chạy quanh vết đen tạo ra từ trường được xem là đồng nhất. Để tính toán ra số liệu thì người ta đã tưởng tượng rằng: Dây solenoid (vết đen Mặt trời) như một sợi dây dài vô hạn, và cứ một mét dây được quấn bởi n vòng dây và có cường độ dòng điện là I, khi đó từ trường đồng nhất bên trong sợi dây ứng với một mét được tính theo công thức 74 10B nIpi −= × . Với kết quả giá trị từ trường tại vùng có vết đen quan sát được là B = 0,15T thì trị số nI trong một mét dây là: nI =1,2.105A/m. Và với công nghệ thông tin trang thiết bị hiện đại, chúng ta đã ước định chính xác độ sâu của vết đen Mặt trời là 3.104Km, như vậy có thể coi sợi dây solenoid dài 3.104 Km, vậy dòng điện chạy trong vết đen Mặt trời là 4.1012A đây là một dòng điện khổng lồ. Một điều lý thú nữa là sự khác biệt giữa dòng điện trong vết đen Mặt trời và dòng điện trong phòng thí nghiệm. Đối với dòng điện trong phòng thí nghiệm thì khi dây dẫn càng nhỏ nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn càng lớn và có thể nun nóng dây dẫn. Còn nếu dây càng dày thì hầu như không có nhiệt tỏa ra trên dây. Nhưng đối với vết đen có “dây” dày 103Km mà nó vẫn tỏa nhiệt và lượng nhiệt này còn lớn vô cùng, có thể truyền đến Trái đất, dòng điện này sẽ còn chạy mãi mãi cho đến khi có một lực nào đó xuất hiện làm biến mất vết đen Mặt trời. Như vậy vết đen chính là lối ra của từ trường mạnh dẫn vào khí quyển Mặt trời. Nhưng dựa vào đâu để người ta xác định được từ trường của các vùng này trên đĩa Mặt trời, và nó có liên hệ với các vết đen như thế nào? Như chúng ta đã biết, theo hiệu ứng Zeemann nếu một nguyên tử khi đặt trong từ trường, vạch quang phổ do nguyên tử này bức xạ sẽ bị tách làm ba vạch hay nói cách khác chúng sẽ thay đổi 63 khi đặt trong từ trường. Chính vì vậy qua việc chụp phổ và phân tích phổ bức xạ đi từ vết đen ta thấy rằng: Vết đen bức xạ như một vật đen có nhiệt độ 4000K. Các vạch phổ vạch hấp thụ trên nền phổ liên tục đều bị tách ra thành một số vạch kề cận, độ rộng vạch phổ cũng nới rộng ra chứng tỏ nó đang chịu tác dụng của hiệu ứng Zeemann và hiệu ứng Doppler, vì vậy hiệu ứng Zeemann của các nguyên tử trên bề mặt Mặt trời sẽ giúp chúng ta biết được những bí ẩn về vết đen Mặt trời. Nhưng tai sao các vạch quang phổ này lại thay đổi (cơ sở vật lý của hiệu ứng Zeemann)? Để giải thích hiện tượng đó chúng ta hãy tưởng tượng rằng khi chưa đặt nguyên tử trong từ trường thì các electron trong nguyên tử luôn quay trên các quỹ đạo xung quanh hạt nhân, mà không rơi vào hạt nhân nên lực hướng tâm của electron cân bằng với lực hút tỉnh điện của hạt nhân với electron. Còn khi các nguyên tử này được đặt trong từ trường thì các electron trong nguyên tử có các moment từ tương tác với nhau, làm cho electron chịu thêm một lực tương tác nữa, nhưng lực này yếu hơn lực do từ trường xung quanh tác dụng lên nó. Vì vậy khi đặt nguyên tử trong từ trường thì nguyên tử này sẽ nhận thêm một năng lượng phụ có độ lớn 0E m Bµ∆ = làm cho các electron có xu hướng quay đi hướng khác, dẫn đến năng lượng của các electron trong nguyên tử lớn hơn một tí nếu các electron này quay theo một chiều nào đó xung quanh từ trường, còn năng lượng này sẽ nhỏ hơn một tí nếu các electron quay theo chiều ngược lại. Do đó mà mức năng lượng của các electron bị tách thành (2l+1) mức con khi các electron nhảy từ mức nguyên tử này đến mức nguyên tử khác và phát ra photon, các photon này mang các mức năng lượng khác nhau tùy thuộc vào electron đó chuyển động trên quỹ đạo theo hướng nào. Dựa vào đó, nếu ví dụ rằng có một đám khí trong đó chứa các nguyên tử sắt phát bức xạ về phía chúng ta và các đường sức của từ trường H nằm dọc theo đường ngắm của mắt đến đám khí thì các bước sóng được phát xạ bị tách làm hai vạch và ánh sáng ứng với mỗi vạch bị phân cực tròn theo chiều ngược nhau (hình 2.23). Còn nếu khi ta quan sát theo phương vuông góc với các đường sức từ của từ trường H thì ta nhìn thấy đầu đủ ba vạch thành phần và ánh sáng bị phân cực thẳng (hình 64 2.24). Và các vạch này có bước sóng hơi cao hơn và thấp hơn một xí so với mức bình thường, đo sự chênh lệch giữa hai bước sóng này (sự tách vạch Zeeman) chúng ta sẽ biết được cường độ từ trường nơi nguyên tử định vị. Hình 2. 23 Hình 2. 24 Theo lý thuyết là vậy nhưng làm thế nào để quan sát được sự tách vạch Zeemann của bức xạ phát ra từ một vết đen Mặt trời? Người ta đã sử dụng một cái khe đặt trên hình ảnh của vết đen Mặt trời, khi đó chỉ có ánh sáng đi qua khe mới được phép rơi vào phổ kế được đặt bên trong khe, qua phổ kế ánh sáng bị tách ra thành phổ của vết đen Mặt trời (hình 2.27). Từ đây ta có thể tính được từ trường của Mặt trời tại vị trí có vết đen và cho kết quả là hầu hết các vết đen Mặt trời có từ trường nằm trong khoảng 0,1 – 0,2 Tesla, và từ trường này giảm dần tới giá trị 0 trong một vùng dày khoảng 103Km, mỏng so với đường kính của vết đen (chính vì vậy mà vết đen có dạng như một cái đĩa với vùng tối đen có đường kính nhỏ hơn vùng tối mờ đến vài lần). 0,1 – 0,2 Tesla như vậy thôi nhưng từ trường của vết đen lớn hơn từ trường của Trái đất gấp hàng ngàn lần và nó nằm trong thể tích lớn hơn thể tích của Trái đất, cho nên cứ một vết đen Mặt trời được coi như một nam châm rất mạnh. 65 Thông thường các vết đen trên Mặt trời tập trung lại thành từng đám gồm nhiều vết đen lớn nhỏ khác nhau, các đám vết đen này thì chiếm một vùng đáng kể trên đĩa Mặt trời, và các vùng này cũng có thời gian tồn tại lâu hơn, khoảng hai đến ba vòng quay của Mặt trời. Như vậy vết đen là một trong số những ví dụ của các dòng điện và từ trường Vũ trụ. Hình 2. 25: Mô hình Vết đen Mặt trời Hình 2. 26: Dây solenoid Hình 2. 27: Khe dùng quan sát Vết đen Khe qua vết đen Phổ 66 c. Các Đốm sáng Bên cạnh việc nhìn thấy các vết đen Mặt