Mặt trời

Chúng ta sống trên Trái Đất, một trái cầu lơ lửng, lăn tròn. Hàng đêm, bầu trời của chúng ta sáng lên nhờ những đốm sáng nhỏ bé mà chúng ta vẫn gọi là các ngôi sao, các tinh tú. Giờ đây chúng ta đều biết rằng mỗi đốm sáng nhỏ bé đó đều là các khối cầu khí khổng lồ có khả năng tự phát sáng và phát nhiệt, đó là cách duy nhất để ánh sáng của chúng đến được với chúng ta. Trong số hàng tỷ tỷ ngôi sao đó, chỉ có một ngôi sao duy nhất đã mang lại cho chúng ta sự sống, một ngôi sao không bao giờ xuất hiện vào ban đêm bởi vì bản thân sự hiện diện của nó đã đồng nghĩa với ánh sáng ban ngày. Có lẽ chúng ta chẳng bao giờ gọi nó là một ngôi sao bởi vì nó đã có một tên gọi khác : Mặt Trời.

1. Mặt Trời trong nhận thức ban đầu của con người

Trong nhận thức của con người thời xưa, Mặt Trời không phải một ngôi sao, mà là một khối lửa rực sáng mang lại ánh sáng và cả sự nóng nực, nó là biểu tượng của lửa - thứ sức mạnh mà người xưa cho là đáng sợ nhất.

Sự lo sợ về các hiện tượng thiên nhiên, về các chu kì thời tiết đẫ khiến họ tin vào các đấng siêu nhiên, các thần linh che chở, bảo vệ và cũng có thể nổi giận với họ. Cũng như mưa, gió, lửa, ...., Mặt Trời cũng được gán với một vị thần, một vị thần ở trên cao hàng ngày mang ánh sáng đến cho loài người.

Tag: gia sư vật lý tại nhà hà nội
Có thể nói rằng hầu hết các dân tộc đều có hình ảnh của vị thần Mặt Trời trong các truyền thuyết của họ. Trong nhiều truyền thuyết, thần Mặt Trời được coi là vị thân tối cao thống trị thiên đình, cũng có nhiều truyền thuyết coi thần Mặt Trời tuy không phải một vị thần tối cao nhưng là vị thần đáng kính nhất, mang lại ánh sáng cũng chính là cái quí nhất cho con người.

Một truyện thần thoại rất tiêu biểu mà đến nay chúng ta vẫn con được biết tới hình ảnh của vị thần Mặt Trời trong trí tưởng tượng của con người trước đây là thần thoại Hy Lạp. Cho đến nay, vẫn còn rất nhiều hình ảnh được giữ lai về vị thần Mặt Trời Helios trong thần thoại này. Theo trí tưởng tượng của người Hy Lạp xa xưa, Helios là vị thần hàng ngày ngồi trên cỗ xe vàng tứ mã. Mặt Trời được thần đặt trên xe này và đưa đi dọc theo bầu trời từ Đông sang Tây theo lệnh của thần Zeus. Do đó mà thế giới không thể thiếu Helios vì chỉ một ngày thần xin... nghỉ phép là ngày hôm đó sẽ hoàn toàn là đêm đen.

(Hình bên: Thần Helios và cỗ xe vàng tứ mã mang lại ánh sáng cho loài người)

Nhìn chung thời xa xưa tất cả quan niệm của con người về vũ trụ cũng như Mặt Trời chỉ có vậy. Đến khi các ý tưởng toán học đầu tiên hình thành, con người ta mới bắt đầu quan tâm đến việc giải thích cấu trúc vũ trụ. Một lần nữa chúng ta lại nhắc đến mô hình địa tâm của Ptolemy. Mô hình này được đưa ra trong tác phẩm Almagest của Ptolemy mà theo đó Trái Đất của chúng ta chính là trung tâm vũ trụ và các mặt cầu quay quanh Trái Đất tạo nên vũ trụ của chúng ta. Theo mô hình đó mà chúng ta đã biết thì Mặt Trời cũng như các hành tinh khác , chỉ là một thiên thể luôn quay quanh Trái Đất, điều này dường như giống như câu chuyện về Helios.

Mô hình này được thay thế bằng mô hình nhật tâm của Copernicus vào năm 1543 mà theo đó Mặt Trời đã trở thành trung tâm của vũ trụ và Trái Đất chỉ là một hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời (như ngày nay chúng ta đã biết một mô hình như vậy về hệ mặt Trời)

Vậy trước khi kết thúc vấn đề nhận thức cũ của con người hay là lịch sử phát triển nhận thức của con người về Mặt Trời, chúng ta sẽ khẳng định lại một lần nữa về những gì chúng ta đã biết về vị trí của chúng ta và của Mặt Trời trong vũ trụ.

Chúng ta sống trên Trái Đất, hành tinh thứ ba (tính từ trong ra ngoài) và là hành tinh duy nhất có sự sống của hệ Mặt Trời. Mặt Trời của chúng ta là một ngôi sao nằm trên một trong các cánh tay của thiên hà xoắn Milky Way - hàng đêm chúng ta thấy nó là dải sáng vắt ngang bầu trời mà chúng ta vẫn thường gọi là Ngân Hà. Chính Mặt Trời đã mang lại sự sống cho chúng ta suốt mấy tỷ năm qua, còn tương lai của nó thì chúng ta sẽ biết thêm ở một trong những phần được nhắc tới dưới đây.

Bây giờ chúng ta sẽ tìm hiều kĩ hơn vầ Mặt Trời.

2.Vài nét về ngôi sao Mặt Trời

Mặt Trời là một ngôi sao có khối lượng và kích thước thuộc loại trung bình so với các sao khác trong thiên hà. Nó nằm cách ảìa của Milky Way 14000 năm ánh sáng và cách trung tâm của nó khoảng 26000 năm ánh sáng, thuộc một nhánh của thiên hà xoắn Milky Way

• - Phân loại: Theo biểu đồ quang phổ phân loại sao, Mặt trời thuộc nhóm G2V, là một sao thuộc dãy sao lùn vàng.
• - Khối lượng và kích thước: Mặt Trời có khối lượng gấp 330.000 lần khối lượng Trái Đất còn đường kính gấp 109 lần đường kính Trái Đất (có nghĩa là có thể đặt hơn 1 triệu khối cầu như Trái Đấtvào bên trong Mặt Trời)
• - Mặt Trời nằm ở trung tâm Hệ Mặt Trời, cách Trái Đất của chúng ta khoảng 150 triệu km (1 đơn vị thiên văn) tương ứng với 8 phút ánh sáng.
• - Cấp sao biểu kiến của Mặt Trời là -26,72 và cấp sao tuyệt đối là 4,85.
• - Nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời vào khoảng 6.000K, tại các vết đen thì có nhiệt độ khoảng 4800 - 5000 K
• - Nhiệt độ tại tâm Mặt Trời là khoảng 15.000.000 K, nhiệt độ này có được do phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tiếp trong nhân Mặt Trời. Chính phản ứng này cung cấp năng lượng cho Mặt Trời toả sáng.

3.Hình thành, tỏa sáng và tiến hóa

Sự hình thành của Mặt Trời hay chính là sự hình thành của cả Hệ Mặt Trời ngày nay đã được mô tả trong lý thuyết hiện đại về sự ra đời của Hệ Mặt Trời.

Toàn bộ hệ Mặt Trời ra đời từ một đám khí bụi khổng lồ (tinh vân tiền sao/protostar nebula). Cùng với thời gian, đám khí này ngày càng gia tăng khối lượng do sự gia nhập của vật chất bên ngoài. Khối lượng càng lớn, đám khí bụi càng co lại do hấp dẫn bản thân làm mật độ lớn dần. Lực hướng tâm khiến cho toàn bộ khối khí bụi tự quay quanh tâm chung ngày càng nhanh. Sự co lại tiếp tục làm xuất hiện tại tâm khối khí một khối vật chất có mật độ lớn, đó chính là Mặt Trời nguyên thủy. Khối khí bụi tiếp tục quay làm bứt ra nhiều đám khí bụi tiếp tục quay quanh tâm chung dưới dạng những vành vật chất. Trong mỗi vành vật chất hấp dẫn lại đóng vai trò làm khí và bụi tập hợp lại với nhau tạo thành các hành tinh, rồi đến các vệ tinh chuyển động quanh các hành tinh.

Ở Mặt Trời, lượng vật chất tham gia tạo thành quá lớn, điều đó đồng nghĩa với khối lượng lớn và lực hấp dẫn hướng vào tâm khối khí cũng lớn. Độ lớn của lực này làm gia tốc các hạt vật chất (chủ yếu là các nguyên tử Hydro) lên vận tốc rất cao. Ở vận tốc rất cao, lực va chạm giữ các nguyên tử phá vỡ lớp vỏ electron của chúng. Khối khí lúc này gồm các electron và các proton (hạt nhân hydro) chuyển động hỗn độn, đây là một trạng thái của vật chất mà chúng ta gọi là Plasma. Ở trạng thái này, các hạt nhân hydro có cơ hội va chạm trực tiếp với nhau. Ở vận tốc rất cao, va chạm giữa các hạt nhân này làm kết hợp chúng với nhau, từ hydro thành hydro nặng và cuối cùng là hạt nhân heli. Đây là phản ứng nhiệt hạch mà chúng ta biết tới trên Trái Đất owar bom khinh khí (H bomb, một quả bom H cùng khối lượng giải phóng ra nặng lượng lớn gấp hằng trăm hoặc hàng nghìn lần bom nguyên tử/A bomb). Năng lượng giải phóng ra từ phản ứng này sinh ra bức xạ ở rất nhiều bước sóng, trong đó có bức xạ ánh sáng, chính là ánh sáng Mặt Trời hàng ngày thắp sáng bầu trời của chúng ta.

Tiến hóa

Quá trình tiến hóa của Mặt Trời tuân theo qui luật chung của vòng đời một ngôi sao. Sau khi lượng hydro phản ứng gần hết (với sao như Mặt Trời là khoảng 10 tỷ năm và nó đã đi được nửa quãng đường đó) thì các phản ứng nhiệt hạch sinh ra yếu dần không còn đủ sức chống lại lực hấp dẫn hướng tâm. Các lớp trong của Mặt Trời khi đó sẽ co lại do hấp dẫn. Quá trình co lại làm giải phóng một phần khí ra phía ngoài cùng với năng lượng tiếp tục sinh ra do các hạt nhân heli tiếp tục phản ứng để tạo thành các hạt nhân nặng hơn nên lớp vỏ ngoại bị thổi căng lên. Đây là giai đoạn sao khổng lồ đỏ, vỏ ngoài nguội dần nhưng nở rộng rất nhanh, nó sẽ nghiền nát các hành tinh ở gần gồm Sao Thủy, Sao Kim, Trái Đất và thậm chí cả Sao Hỏa.

Phần trong co lại ngày một nhanh làm tăng tốc độ các phản ứng hạt nhân, tạo ra một vụ bùng nổ lớn từ lõi trong phá vớ lớp vỏ sao khổng lồ đỏ, đó là vụ nổ supernova. Vụ nổ này ném các tàn dư của nó ra không gian xung quanh, chỉ còn lại một đám khí lớn dạng cầu bao quanh ngôi sao gọi là tinh vân hành tinh.

Phần trong của Mặt Trời tiếp tục co lại, các phản ứng tạo ra một số hạt nhân nặng hơn cho tới khi các lực liên kết hạt nhân chống lại được lực hấp dẫn không cho nó co lại thêm nữa. Các phản ứng chậm dần và ngôi sao nguội đi, Mặt Trời lúc này trở thành sao lùn trắng - một thiên thể phát ra ánh sáng rất mờ nhạt do những phản ứng cuối cùng.

4.Cấu tạo

Mặt Trời giống như một cỗ máy phát nhiệt có cấu tạo phức tạp gồm nhiều lớp.

Trong cùng là lõi (core) của ngôi sao. nó là một khối có mật độ rất đặc trải rộng từ tâm ngôi sao ra một khoảng chiếm 25% bán kính của Mặt Trời. Nhiệt độ của lõi Mặt trời là hơn 15 triệu K, nóng hơn rất nhiều so với bề mặt chỉ khoảng 6000K. Phản ứng tổng hợp hạt nhân giải phóng ra năng lượng chống lại hấp dẫn và làm ngôi sao tỏa sáng được thực hiện tại phần lõi này, mật độ cao và lực hấp dẫn hướng tâm từ các lớp phài ngoài làm sinh ra phản ứng tổng hợp các proton mà chúng ta thường gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Phía ngoài lõi sao là vùng bức xạ (radiative zone) - khu vực chiếm thể tích lớn nhất, nó trải dài từ biên giới của lõi ra đến 70% bán kính Mặt Trời (tính từ tâm). Vùng này có mật độ thấp hơn nhiều so với lõi, nhưng đủ đặc để truyền các bức xạ sinh ra từ các phản ứng nhiệt hạch và làm chúng nguội đi đáng kể trước khi ra ngoài. Nhiệt độ của vùng bức xạ này giảm nhanh từ trong ra ngoài, từ 7 triệu giảm xuống 2 triệu K.

Vùng đối lưu (convective zone) nằm kế tiếp vùng bức xạ và trải rộng ra cho tới sát bề mặt của Mặt Trời. Tại đây nhiệt độ và mật độ đều thấp hơn nhiều so với vùng bức xạ, cho phép tạo nên các dòng đối lưu vận chuyển nhiệt và bức xạ ra bề mặt của Mặt Trời. Các dòng đối lưu mang các nguyên tử khí nóng lên bề mặt và làm chúng nguội dần, khi lên tới nơi và đã nguội xuống nhiệt độ chỉ còn gần 6000K chúng lại chìm xuống dưới theo dòng chuyển dịch và lại được làm nóng khi tới gần vùng bức xạ.

Lớp bề mặt của Mặt Trời, chính là phần vỏ sáng mà chúng ta có thể trực tiếp nhìn thấy từ Trái Đất gọi là quang cầu (photosphere). Đây là vùng nguội nhất trên mặt trời với nhiệt độ khoảng 5800-6000K. Độ dày của nó dao động từ vài chục tới vài trăm kilomet, tức là còn mỏng hơn khí quyển của Trái Đất. Chính qua nghiên cứu các vạch quang phổ hấp thụ của quang cầu mà năm 1868 một nguyên tố mới đã được phát hiện, đó là heli. Heli là cái tên được đặt theo tên của thần Mặt Trời Helios như đã nói qua bên trên, ngụ ý rằng đó là nguyên tố đến từ Mặt Trời.

Ngay phía trên quang cầu là lớp khí quyển thấp nhất bao quanh bề mặt Mặt Trời, dày khoảng 500km với nhiệt độ chỉ khoảng hơn 4000K. Đây là vùng nguội nhất Mặt Trời. Lớp ngay phía ngoài của nó là một lớp khí nóng dày gọi là sắc cầu (chromosphere) dày khoảng 2000km. Lớp này có sự chuyển dịch không ngừng giống như sự dịch chuyển khí quyển trên bề mặt Trái Đất, vì thế nhiệt độ của nó có sự dao động, có thể lên tới 20.000K, tức là nóng hơn quang cầu rất nhiều, các nhà khoa học cho rằng đó là kết quả của sự ion hóa do nhận bức xạ thoát ra từ bề mặt.

Phía trên sắc cầu là lớp cuối cùng của Mặt Trời, gọi là nhật hoa (corona), hay gọi cách khác là hào quang của Mặt Trời. Nó ngăn cách với sắc cầu bởi một lớp trung gian mỏng nơi khí bị ion hóa mạnh và nhiệt độ tăng lên rất cao. Nhiệt độ của nhật hoa có thể lên hơn 1 triệu K. Tuy nhiên nhật hoa phát ra bức xạ ở dải sóng biểu kiến khá yếu so với quang cầu nên thường không được quan sát thấy bằng mắt thường từ Trái Đất. Người ta chỉ thường nhận thấy sự có mặt của nhật hoa khi xảy ra nhật thực toàn phần do khi đó phần sáng nhất của Mặt Trời là quang cầu đã bị che khuất. Nhật hoa cũng là nơi phát sinh ra gió Mặt Trời ném các hạt mạng điện vào không gian.

Toàn bộ vùng bị ảnh hưởng của gió Mặt Trời trải dài ra 50AU (quĩ đạo Sao Hải Vương chỉ có 30AU) được gọi là nhật quyển (heliosphere).

5.Vết đen Mặt Trời

Một trong các hiện tượng gây ảnh hưởng mạnh nhất lên Trái Đất của Mặt Trời là từ trường sinh ra bởi các vết đen (sunspot), các vệt nhỏ màu đen mà đôi khi ta có thể quan sát được trực tiếp bằng mắt thường khi nhìn lên Mặt Trời.

Hình ảnh so sánh kích thước của một vết đen trên Mặt Trời với Trái Đất

Người đầu tiên quan sát các vết đen này là Galileo Galilei, ông đã hi sinh đôi mắt của mình để quan sát các vết đen này bằng một kính thiên văn 30x (chiếc kính thiên văn đầu tiên của loài người). Các quan sát của Galilei cho thấy các vết đen Mặt Trời xuất hiện và tồn tại khá lâu trên Mặt Trời, chúng chuyển động từ từ trên bề mặt này và dần biến mất sau khi bị che khuất. Từ đó ông đi đến kết luận rằng các vết đen này cũng là một phần của Mặt Trời và chuyển động quay cùng với thiên thể, và việc quan sát các vết đen Mặt Trời cho phép Galilei tự rút ra kết luận rằng Mặt Trời có chu kì tự quay khoảng 28 ngày.

Vết đen là hiện tượng xảy ra trên quang cầu của Mặt Trời. Chúng có nhiệt độ khoảng 4800 đến 5000K, mặc dù đó là một nhiệt độ cao nhưng do sự chênh lệch với nhiệt độ trung bình trên quang cầu (hơn 6000K) nên xuất hiện sự tương phản làm cho chúng giống như những mảng tối trên bề mặt Mặt Trời. Các vết đen có đường kính từ vài nghìn tới hơn 100.000km và có thể tồn tại trên 2 tháng, tức là đủ thời gian để chúng chuyển động trên bề mặt Mặt Trời, biến mất và lại xuất hiện 2 tuần sau đó.

Sự chênh lệch về nhiệt độ ở nơi xuất hiện các vết đen gây ra sự chênh lệch áp suất đáng kể trong khí quyển Mặt Trời, nó là nguyên nhân chính gây ra các quầng lửa (hay tai lửa/solar flare) và các vụ phun trào nhật hoa (coronal mass ejection/CME).

Chúng ta đã biết rằng nhật hoa của Mặt Trời là nguồn của các dòng hạt mang điện gọi là gió Mặt Trời (solar wind). Nhờ có từ trường rất dày, Trái Đất của chúng ta không bị dòng hạt này bắn phá trực tiếp, chúng theo các đường sức từ để đi vào địa cực của Trái Đất và đôi khi tạo ra một cảnh tượng rất đẹp gọi là cực quang (aurora). Tuy vậy các vụ phun trào nhật hoa hay các quầng lửa lớn là những vụ bùng phát rất dữ dội, chúng ném vào không gian lượng hạt mang điện lớn hơn thông thường rất nhiều lần gây ra những "cơn bão" (chứ không còn là gió) gồm toàn những hạt mang điện. Dòng hạt cường độ cao này đủ sức xuyên qua lớp từ trường bảo vệ của Trái Đất, đưa một lượng hạt mang điện không nhỏ vào trong khí quyển của hành tinh chúng ta. Đó là khi chúng ta biết rằng có các đợt bão từ, gây ảnh hưởng lên hệ thống thông tin liên lạc, mạng lưới điện, thậm chí các trận bão mạnh có thể gây ảnh hưởng nhất định tới hoạt động của hệ thần kinh con người và động vật.

Nguồn: thienvanvietnam.org