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
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
+ 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.
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
=30.10
9
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
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).
6
K, nếu chứa toàn khí Heli thì nhiệt độ ở tâm của nó sẽ là 26.10
6
K,
còn nếu toàn bộ là các khí nặng thì nhiệt độ tại tâm của nó sẽ đạt đến 46.10
6
K. 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
=
hay:
( )
1
2 1
2
lg 0,4
E
m m
E
= −
(gọi là công thức Pogson).
Trong đó: m
1
và m
2
là cấp sao nhìn thấy ứng với E
1
và E
2
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
= 3,0857.10
13
=3,8.10
26
W) thì có một số sao có L lớn cỡ 10
6
L
0
, có sao lại có L nhỏ hơn 10
-4
L
0
.
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(M
0
– 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
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
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 2-10.10
9
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 10
8
năm) hoặc giai đoạn tuổi già của nó (sao kềnh đỏ - hình
thành cách đây khoảng 10.10
9
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
6
năm tuổi. Và chính chuyển động của
khí cho chúng ta biết rằng nó bị nun nóng bởi một Ngôi sao khác chỉ mới 2.10
4
năm
qua cho nên có thể nói rằng Ngôi sao trẻ nhất bên trong tinh vân chỉ có 2.10
4
tuổi.
Như vậy các đám sao và các Ngôi sao có màu rất xanh lam (xanh lá) phải có tuổi ít
hơn 10
7
năm còn các Ngôi sao nóng trung bình thì hơi già hơn (đám Pleiades)
khoảng 10
8
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
10
10
năm, các sao hình cầu là các sao già nhất có tuổi vào khoảng 1,3.10
10
năm,
0
. 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 0,08M
0
và nhiệt độ bên trong nó
đạt trên 10
6
K 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
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 10
9
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 10
8
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 10
9
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 0
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
Copyright: Tài liệu đại học ©