Thiên Văn Học

271

1. Thiên văn học là gì?

Thiên văn học là lĩnh vực nghiên cứu Mặt Trời, Mặt Trăng, các hành tinh, sao chổi, khí, bụi, các thiên hà, ngôi sao, và các đối tượng khác bên ngoài Trái Đất.

Theo định nghĩa của NASA thì “Thiên văn học là ngành khoa học nghiên cứu về các ngôi sao, các hành tinh, và không gian.”

Nó nghiên cứu sự phát triển, tính chất vật lý, hóa học, khí tượng học, và chuyển động của các vật thể vũ trụ, cũng như sự hình thành và phát triển của vũ trụ.

Thiên văn học và chiêm tinh học có nhiều liên quan về mặt lịch sử, nhưng chiêm tinh học không phải là một ngành khoa học và được cho là không có gì liên quan đến thiên văn học cả.

Thiên văn học là một trong những ngành khoa học cổ xưa nhất. Các nhà thiên văn học của những nền văn minh đầu tiên đã tiến hành những quan sát có phương pháp bầu trời đêm, và các dụng cụ thiên văn học đã được tìm thấy từ những giai đoạn còn sớm hơn nữa. Tuy nhiên, sự xuất hiện của kính viễn vọng đánh dấu thời điểm thiên văn học bắt đầu bước vào giai đoạn khoa học hiện đại. Trong lịch sử, thiên văn học đã từng bao gồm cả các ngành đo sao, hoa tiêu thiên văn, quan sát thiên văn, làm lịch, và thậm chí cả chiêm tinh học, nhưng ngành thiên văn học chuyên môn hiện đại ngày nay thường chỉ có nghĩa vật lý học thiên thể.

2. Lịch sử thiên văn học

Xét về mặt lịch sử, Thiên văn học tập trung vào việc quan sát các vật thể trên bầu trời. Nó là anh em thân thiết với Vật lý thiên văn. Nói ngắn gọn, Vật lý thiên văn nghiên cứu về mặt vật lý của thiên văn học và tập trung vào hành vi, tính chất và chuyển động của các đối tượng trong vũ trụ. Tuy nhiên, Thiên văn học hiện đại bao gồm nhiều yếu tố của chuyển động và tính chất của các vật thể này, và hai khái niệm này thường được sử dụng hoán đổi cho nhau.

Các nhà Thiên văn học hiện đại hoạt động trên hai nhánh: Lý thuyết và quan sát.

  • Thiên văn học quan sát tập trung vào các nghiên cứu trực tiếp các ngôi sao, hành tinh, thiên hà…
  • Thiên văn học lý thuyết tập trung xây dựng mô hình và phân tích cách mà các hệ thống phát triển.

Không giống như các lĩnh vực khoa học khác, các nhà Thiên văn học không thể quan sát một hệ thống từ lúc sinh ra đến lúc chết đi. Cuộc đời của các ngôi sao, các thiên hà trải dài từ hàng triệu năm đến hàng tỷ năm, do đó các nhà thiên văn học phải nhờ cậy vào hình ảnh các vật thể ở nhiều giai đoạn khác nhau trong quá trình tiến hóa để xác định cách chúng hình thành, phát triển, và kết thúc. Như vậy Thiên văn học lý thuyết và quan sát có xu hướng pha trộn lẫn nhau: các nhà thiên văn học lý thuyết sử dụng thông tin thực tế được thu thập để tạo ra các mô phỏng, trong khi các nhà thiên văn học quan sát sử dụng việc quan sát để xác nhận các mô hình – hoặc đề xuất các yêu cầu để tinh chỉnh chúng.

Thiên văn học bị chia thành nhiều lĩnh vực con, cho phép các nhà khoa học chuyên môn hóa trong các hiện tượng và đối tượng cụ thể: 

  • Thiên văn học hành tinh tập trung vào sự phát triển, tiến hóa và kết thúc của các hành tinh, trong khi các nhà thiên văn học Mặt Trời dành thời gian để phân tích một ngôi sao đơn lẻ – Mặt Trời của chúng ta. Các nhà thiên văn học sao lại hướng đôi mắt của họ đến các vì sao, bao gồm cả lỗ đen, tinh vân, sao lùn trắng và siêu tân tinh tồn tại khi một ngôi sao chết đi.
  • Thiên văn học thiên hà chuyên nghiên cứu về các thiên hà, Dải Ngân Hà, trong khi các nhà thiên văn học ngoại thiên hà xem xét từ bên ngoài thiên hà để xác định cách những tập hợp sao này hình thành, thay đổi, và chết.
  • Nhà vũ trụ học tập trung vào vũ trụ ở dạng tổng thể của nó, từ sự ra đời dữ dội trong Vụ Nổ Lớn đến sự tiến hóa hiện nay của nó, toàn bộ con đường đưa đến cái chết sau cùng của nó. Thiên văn học thông thường (chứ không luôn luôn) nói về những cái rất cụ thể, có thể quan sát được, còn vũ trụ học thường liên quan đến tính chất vĩ mô của vũ trụ và những thứ bí hiểm, vô hình và thỉnh thoảng thuần túy mang tính lí thuyết như lý thuyết dây, vật chất tối và năng lượng tối, và khái niệm đa vũ trụ.
  • Nhà thiên văn học sao hướng mắt của họ về phía các ngôi sao, kể cả các lỗ đen, các tinh vân, sao lùn trắng và sao siêu mới đã trải qua cái chết sao. Đại học California ở Los Angeles cho biết, “Trọng tâm của thiên văn học sao là về các quá trình vật lý và hóa học xảy ra trong vũ trụ.”
  • Nhà thiên văn học mặt trời dành thời gian của họ phân tích một ngôi sao thôi – mặt trời của chúng ta. Theo NASA, “Lượng và chất của ánh sáng đến từ mặt trời biến thiên trên cấp thời gian từ mili giây đến hàng tỉ năm.” Việc tìm hiểu những biến thiên như thế có thể giúp các nhà khoa học nhận ra Trái đất bị ảnh hưởng như thế nào. Mặt trời còn giúp chúng ta hiểu những ngôi sao vận hành như thế nào, vì nó là ngôi sao duy nhất ở đủ gần để bộc lộ các chi tiết về bề mặt của nó.

Thiên văn học thường (không phải luôn luôn) rất cụ thể đối với những thứ quan sát được, trong khi vũ trụ học thường liên quan đến các tính chất ở quy môn lớn của vũ trụ, và những thứ bí ẩn, vô hình, và đôi khi là những thứ thuần lý thuyết như: Lý thuyết dây, vật chất tối và năng lượng tối, và khái niệm đa vũ trụ.

Kỹ thuật đo sao, một trong những nhánh cổ nhất của thiên văn học, là đo đạc Mặt Trời, Mặt Trăng, và các hành tinh. Các tính toán chính xác của những chuyển động này cho phép các nhà thiên văn học ở các lĩnh vực khác xây dựng mô hình về sự hình thành và tiến hóa của các hành tinh và các ngôi sao, và để dự đoán các sự kiện như nhật thực, nguyệt thực, mưa sao băng, và sự xuất hiện của các sao chổi.

Những nhà thiên văn học đầu tiên chú ý đến các hình mẫu trên bầu trời và cố gắng sắp xếp chúng theo thứ tự để dễ theo dõi và dự đoán chuyển động của chúng. Được biết đến là các chòm sao, những khuôn mẫu này giúp con người trong quá khứ đo lường các mùa. Sự chuyển động của các ngôi sao và các thiên thể khác được theo dõi khắp nơi trên thế giới, phổ biến nhất ở Trung Quốc, Ai Cập, Hy Lạp, Lưỡng Hà, Trung Mỹ và Ấn Độ.

Hình ảnh của một nhà thiên văn học là một tâm hồn cô độc với chiếc kính viễn vọng suốt đêm. Trong thực tế, phần khó khăn nhất của thiên văn học ngày nay được thực hiện với các đài quan sát bởi các kính thiên văn điều khiển từ xa bằng các máy tính – trên mặt đất và cả trong không gian – và với các nhà thiên văn học nghiên cứu dữ liệu và các hình ảnh tạo bởi máy tính.

Từ sự ra đời của nhiếp ảnh, và đặc biệt là nhiếp ảnh kỹ thuật số, các nhà thiên văn học đã cung cấp những hình ảnh tuyệt vời của không gian, không chỉ trong các công trình khoa học mà còn làm say mê công chúng.

Các nhà thiên văn học và các chương trình vũ trụ cũng góp phần vào việc nghiên cứu hành tinh của chúng ta, khi các nhiệm vụ chủ yếu là nhìn ra bên ngoài (hoặc du hành đến Mặt Trăng và xa hơn) và nhìn về và chụp những bức ảnh tuyệt vời của Trái Đất từ không gian.

2. Vì sao phải nghiên cứu Thiên văn học?

Ngày đêm lần lượt trôi đi, bốn mùa thay nhau không nghĩ, con người sinh sống trong thế giới tự nhiên luôn tiếp xúc với các hiện tượng thiên văn. Mặt trời rực rỡ, Mặt trăng sáng ngời, các vì sao nhấp nháy, hiện tượng nhật thực tuyệt đẹp, v.v… hàng ngày đặt ra cho con người muôn vàn câu hỏi: Trái đất chúng ta đang sống là gì? Trái đất có vị trí như thế nào trong vũ trụ? Mặt trời chiếu sáng vạn vật có cấu tạo như thế nào? Có bao giờ tắt không? Bầu trời trong xanh phía trên đầu chúng ta gồm những gì? Phía ngoài bầu trời còn có những gì nữa? Các vì sao nhấp nháy trên màn trời đêm là những vật thể gì? Ngoài trái đất mà chúng ta đang sống, trên các hành tinh khác có tồn tại sự sống không? Liệu chúng ta có dịp gặp gỡ trò chuyện với người ngoài trái đất không?

Những câu hỏi đó đòi hỏi con người phải bỏ ra nhiều công sức tìm tòi nghiên cứu và giải đáp. Quá trình hình thành và phát triển của ngành Thiên văn học chính là quá trình con người từng bước tìm hiểu thế giới tự nhiên thông qua các hoạt động lao động sản xuất.

Thiên văn học là một môn khoa học tự nhiên lâu đời nhất. Trong cuốn sách “Phép biện chứng tự nhiên”, Engels viết: “Trước tiên là thiên văn học … những người dân du mục và nông dân làm nông nghiệp rất cần thiên văn học để xác định thời vụ. “Loài người thời xa xưa qua thực tiễn sản xuất dần hình thành môn thiên văn học để xác định quy luật thay đổi giữa ngày và đêm giữa các mùa trong một năm và xác định phương hướng Đông, Tây, Nam, Bắc. Ở Châu Á Trung quốc là một trong những nước có ngành Thiên văn học phát triển sớm nhất.

Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, chăn nuôi, nhân dân lao động thời đại cổ đã biết lợi dụng các hiện tượng thiên văn để xác định thời vụ và không để lỡ thời vụ gieo trồng. Trong sách cổ của Trung Quốc có ghi: “Chuôi chòm sao Bắc Đẩu chỉ về phía đông tức là mùa xuân, chuôi chòm sao Bắc Đẩu chỉ về phía nam tức mùa hạ, chuôi chòm sao Bắc Đẩu chỉ về phía tây tức là mùa thu, chuôi chòm sao Bắc Đẩu chỉ về phía bắc tức là mùa đông”. Ngư dân và các nhà hàng hải xưa kia đã biết quan sát các chòm sao trên trời để xác định phương hướng, quan sát Mặt trăng để nắm bắt thuỷ triều lên xuống, …

Ngày nay ngành Thiên văn học đã có những bước phát triển mới. Ngành Thiên văn học ngày nay gồm nhiều bộ môn và lập ra nhiều loại lịch khác nhau. Những loại lịch này không nhũng phục vụ đời sống hàng ngày của con người mà cũng rất cần thiết cho các công việc trắc địa, hàng hải, hàng không, nghiên cứu khoa học v.v…

Thời gian là vấn đề thường gặp trong đời sống thường ngày của con người. Khoa học cận đại càng đòi hỏi ghi chép thời gian chuẩn xác. Các đài thiên văn đã gánh vác trách nhiệm này.

Các loại thiên thể đều là những phòng thí nghiệm lí tưởng, ở đó có những điều kiện vật lý quý báu mà trên Trái đất hiện nay không có. Ví dụ như có thể to gấp mấy chục lần Mặt trời, nhiệt độ cao tới mấy tỉ độ, áp suất cao tới mấy tỉ atmotphe và mỗi centimet khối vật chất của thiên thể đó nặng tới mấy tỉ tấn. Qua nghiên cứu thiên văn, con người thường được thiên nhiên gợi ý để áp dụng vào thực tế sản xuất trên Trái đất. Giở lại những ghi chép trong lịch sử khoa học, chúng ta dễ dàng nhận thấy: qua tổng kết quy luật chuyển động của các hành tinh, con người đã đúc rút được định luật vạn vật hấp dẫn; qua việc nghiên cứu Mặt trăng quay quanh Trái đất, con người đã chế tạo ra vệ tinh nhân tạo; Sau khi quan trắc tia quang phổ của lớp khí heli (He) trên Mặt trời, con người đã tìm thấy khí heli trên trái đất; qua quan trắc năng lượng các vụ nổ trên các vì sao, con người đã phát hiện ra những nguồn năng lượng mới và đang nghiên cứu tìm cách tận dụng nguồn năng lượng khổng lồ đó cho nhân loại…  

Thiên văn học có quan hệ rất mật thiết với các ngành khoa học khác. Trước thế kỷ 19, thiên văn học không tách rời toán học và cơ học. Ngày nay khi khoa học kỹ thuật đã phát triển tới trình độ cao, thiên văn học càng liên quan chặt chẽ với các ngành khoa học khác. Chúng ta đều biết sau khi Einstein nêu ra thuyết tương đối. Chính những kết quan trắc thiên văn đã chứng minh hùng hồn nguyên lý đó của Enstein. Phát hiện quan trọng của ngành thiên văn học trong những năm 60 về quần thể các vì sao, bức xạ sóng vi ba và các phần tử hữu cơ trong vũ trụ, … đã đặt ra những vấn đề mới cần nghiên cứu và giải đáp cho các ngành khoa học như vật lý cao phân tử, cơ học lượng tử, vũ trụ học, hoá học và nguồn gốc sự sống.

Thiên văn học giúp con người khám phá ra bộ mặt thật của thiên nhiên. Mấy nghìn năm qua, loài người đã có lúc nhận thức sai lầm về tính chất của Trái đất, vị trí của Trái đất trong vũ trụ và cấu tạo của vũ trụ. Nếu như không có ngành Thiên văn học thì chắc chắn những nhận thức sai lầm đó vẫn còn xảy ra. Nhà thiên văn học Ba Lan Copernic đã vứt bỏ những trói buộc hàng nghìn năm của thế lực tôn giáo phản động, đưa ra thuyết Nhật tâm (Mặt trời là trung tâm), giúp nhân loại tiến một bước khá dài nhận thức về vũ trụ. Ngày nay cả các chú bé học sinh cấp I cũng biết rõ chân lý “Trái đất hình tròn”.

Thế nhưng ngày nay vẫn còn một số người lợi dụng việc loài người tạm thời chưa giải thích được một số hiện tượng thiên nhiên để bán rao thuyết vũ trụ duy tâm đủ màu sắc. Họ tuyên truyền nào là thế giới phi vạn chất, vũ trụ có giới hạn về không gian và thời gian, con người không thể nhận thức được vũ trụ. Vì vậy có thể thấy, ngày nay ngành Thiên văn học vẫn đang có cuộc đấu tranh giữa hai loại quan niệm vũ trụ và nhận thức luận.

Trong thời đại con người đã bước lên tàu vũ trụ, ngành Thiên văn học đang tập trung tinh hoa trí tuệ của loài người để nghiên cứu nhận thức thiên nhiên. Nếu như có ai đó không hiểu biết gì những thành quả vĩ đại của ngành Thiên văn học hiện đại thì chứng tỏ người đó chưa được đào tạo trong nhà trường. Bởi vậy nhiều nước trên thế giới đã đưa ra môn thiên văn học vào chương trình giáo dục trung học.

3. Khái quát về vũ trụ

• Thuyết Big Bang (Thuyết Vụ Nổ Lớn):

Lý thuyết Big Bang là một lý thuyết khoa học về nguồn gốc của vũ trụ. Lý thuyết đó phát biểu rằng vũ trụ được bắt đầu từ một điểm kỳ dị có mật độ vật chất và nhiệt độ lớn vô hạn tại một thời điểm hữu hạn trong quá khứ. Từ đó, không gian đã mở rộng cùng với thời gian và làm cho các thiên hà di chuyển xa nhau hơn, tạo ra một vũ trụ giãn nở như chúng ta thấy ngày nay.

Theo thuyết Big Bang, vũ trụ bắt nguồn từ một trạng thái vô cùng đặc và vô cùng nóng (điểm dưới cùng). Từ đó, không gian đã mở rộng cùng với thời gian và làm cho các thiên hà di chuyển xa nhau hơn

Ý tưởng trung tâm của lý thuyết này là quá trình vũ trụ đang giãn nở. Nó được minh chứng bằng các thí nghiệm về dịch chuyển đỏ của các thiên hà (định luật Hubble).

• Định luật Hubble:

Hubble đưa ra định luật rằng các ngôi sao càng xa trung tâm vũ trụ thì di chuyển ra xa khỏi trung tâm vũ trụ với tốc độ càng nhanh theo công thức:

V = H×d

Trong đó:

V là vận tốc di chuyển của các ngôi sao (km/s)

H là hằng số Hubble, hiện nay người ta tính được H = 72 km/s/parsec.

Parsec là đơn vị tính khoảng cách giữa các vì sao, 1 parsec = 3,08*10^13km.

d là khoảng cách từ trung tâm vũ trụ tới ngôi sao đó tính bằng parsec.

• Dựa trên thuyết Big Bang cộng với các tiến bộ trong quan sát đã ước lượng tuổi vũ trụ vào khoảng 13,7 tỷ (13,7 × 10^9 năm), với sai số cỡ 1% (± 200 triệu năm).

• Hiện nay, Trái Đất là ví dụ duy nhất về một môi trường cho phép duy trì sự tiến hóa. Hầu hết các nhà khoa học cho rằng sự sống ngoài Trái Đất nếu có tồn tại thì sự tiến hóa của nó đã xuất hiện độc lập ở nhiều nơi khác nhau trong vũ trụ.

4. Thiên hà

* Khái niệm và phần loại:

Thiên hà là một tập hợp rất lớn các sao liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn và tạo thành một hệ thống quay xung quanh tâm của hệ.

Các thiên hà khá đa dạng, có chứa từ hàng chục triệu ngôi sao cho tới hàng ngàn tỉ ngôi sao, đường kính từ 1.500 đến 300.000 năm ánh sáng (n.a.s). Khu vực gần tâm của thiên hà có kích thước khoảng 1.000 n.a.s và mật độ sao lớn nhất, kích thước các ngôi sao cũng lớn nhất.

Thiên văn học
Thiên hà Andromeda

* Phân loại:

Căn cứ vào hình dạng của các thiên hà đã nghiên cứu, đầu những năm 20 của thế kỉ XX, nhà thiên văn học người Mĩ E.Hubble (1889-1953) đã lập ra bảng phân loại các thiên hà, gọi là “bảng phân loại Hubble”. Theo ông, có các nhóm thiên hà phân theo hình dạng:

Thiên văn học
Phân loại Hubble

Thiên hà xoắn ốc (chiếm 60%), thiên hà elip (chiếm 15%), thiên hà dạng thấu kính (chiếm 20%) và thiên hà không định hình (chiếm 3%). Số lượng 2% các thiên hà còn lại, không có trong bảng phân loại của Hubble, gọi là các thiên hà “đặc biệt”. Đó là các thiên hà lùn.

* Thiên hà bức xạ. Các thiên hà tương tác:

Thiên hà bức xạ (thiên hà có nhân bức xạ) khác với các thiên hà thông thường ở chỗ chúng bức xạ phần lớn năng lượng từ vùng tâm rất nhỏ (có kích thước từ vài giờ đến vài tháng ánh sáng), ở các dải sóng ngoài vùng khả kiến, chủ yếu là dải sóng vô tuyến và tia X. Chúng chỉ chiếm khoảng dưới 5% tổng số các thiên hà.

Các thiên hà ở gần nhau (so với kích thước của chúng) có thể tương tác với nhau (va đập vào nhau, nhập làm một…). Trong số hơn 100 tỉ thiên hà (đã biết) trong Vũ trụ, chỉ có 2% tương tác với nhau.

* Quần Thiên hà và Siêu Quần Thiên hà:

Quần thiên hà là một tập hợp dày đặc gồm vài nghìn thiên hà liên kết với nhau bởi lực hấp dẫn. kích thước 5-60 triệu n.a.s, khối lượng cỡ vài triệu tỉ lần khối lượng Mặt Trời.

Siêu quần thiên hà tập hợp nhiều quần thiên hà. CCó kích thước khoảng 100-300 triệu n.a.s, khối lượng khoảng 10 triệu tỉ lần khối lượng Mặt Trời.

* Thiên hà của chúng ta – Ngân Hà:

Thiên văn học

Dải Ngân Hà nhìn từ Trái Đất

Có thể coi Thiên Hà (Ngân Hà) có dạng hình đĩa dẹt, trong đó có các tay xoắn. Thuộc nhóm các Thiên hà dạng xoắn ốc. Cấu tạo của Ngân Hà gồm:

– Đĩa Thiên Hà (đĩa sao) có đường kính khoảng 30 kpc (kpc: kiloparsec = 1000 parsec (pc), 1pc = 3,26 n.a.s), dày cỡ 1000 n.a.s. Đĩa khí có đường kính ít nhất 40-44kpc. Đĩa Thiên Hà chiếm tới 70% khối lượng của Thiên Hà (150 tỉ lần khối lượng Mặt Trời).

– Nhân Thiên Hà bao quanh tâm có mật độ sao dày đặc, có đường kính khoảng vài pc. Nhân là nguồn bức xạ năng lượng rất mạnh, nhất là sóng vô tuyến, tia hồng ngoại và tia gamma.

– Bầu Thiên Hà là vùng quanh nhân, do đĩa Thiên Hà phồng lên. Bầu có bán kính khoảng 1,5-3pc, khối lượng bằng 1/6 khối lượng đĩa. Bầu chủ yếu gồm các sao tương đối già (phát ra ánh sáng vàng và đỏ) so với các tay xoắn.

– Quầng Thiên Hà, bao trùm quanh đĩa, có hình cầu, đường kính 50.000-65.000 n.a.s. Quầng là nơi phân bố sao thưa thớt, gần như không có khí và bụi giữa các sao. Bao trùm quầng là một quần tối, có đường kính khoảng 200.000-400.000 n.a.s.

– Khí giữa các sao chiếm khoảng 5-10% khối lượng đĩa Thiên Hà, nhưng ở bầu chỉ chiếm dưới 1% khối lượng bầu.

– Thiên hà của chúng ta cũng có chuyển động quay. Ngân Hà quay 1 vòng khoảng 220 triệu năm và thường được gọi là năm Thiên hà.

5. Sao

* Khái niệm. Các đặc trưng cơ bản:

– Khái niệm: Ngôi sao là một quả cầu khí (chủ yếu là Hydro) dạng plasma nóng sáng, khối lượng lớn được giữ bởi lực hấp dẫn.

Thiên văn học

Mặt Trời, ngôi sao gần Trái Đất nhất, là nguồn năng lượng cho sự sống trên hành tinh của chúng ta.

– Các đặc trưng cơ bản:

+ Độ tuổi: Hầu hết ngôi sao có độ tuổi từ 1 tỷ năm đến 10 tỷ năm.

+ Thành phần hoá học: Các ngôi sao hình thành trong thiên hà có thành phần vào khoảng 71% hiđrô và 27% heli, được đo theo khối lượng.

+ Từ trường: Từ trường của một ngôi sao được tạo ra từ những vùng bên trong sao nơi xảy ra những sự đối lưu tuần hoàn. Chuyển động của các plasma đối lưu này có chức năng giống như một máy phát điện, tạo ra từ trường mở rộng ra bên ngoài ngôi sao.

+ Nhiệt độ: Nhiệt độ tại bề mặt của một sao được xác định bằng tốc độ sản sinh năng lượng tại lõi và bán kính của sao, và thông thường được ước lượng từ chỉ số màu của sao. Nhiệt độ tại vùng lõi của sao là khoảng vài triệu đến vài chục triệu độ.

+ Khối lượng: Các sao có khối lượng khá đa dạng. Từ vài phần (sao lùn) đến vài trăm lần khối lượng Mặt Trời.

* Phân loại sao.

Hiện nay có nhiều kiểu phân loại sao. Phân loại theo nhiệt độ bề mặt (Mặt Trời là một ngôi sao loại G với nhiệt độ bề mặt khoảng 5500-6000 độ). Phân loại theo trạng thái – Kích thước (Sao lùn, Sao trẻ, Sao khổng lồ đỏ, Sao notron…)

* Sự hình thành và tiến hóa:

Một ngôi sao được hình thành từ một đám mây khí (chủ yếu là khí Hydro) co cụm lại dưới tác dụng của lực hấp dẫn. Khi nhiệt độ tại tâm khối khí đạt khoảng vài triệu độ thì bắt đầu xảy ra phản ứng nhiệt hạch tổng hợp Hydro thành Heli và sản sinh năng lượng dưới dạng bức xạ và nhiệt. Khi đó một ngôi sao được hình thành.

Đa số các ngôi sao sống từ 1 đến 10 tỉ năm. Sau đó nguồn nhiên liệu cho phản ứng nhiệt hạch dần cạn kiệt. Các ngôi sao bắt đầu phình to trở thành sao khổng lồ đỏ sau đó kết thúc cuộc đời bằng một vụ nổ sao (siêu tân tinh – supernova) bắn lớp vỏ ra ngoài không gian. Phần lõi còn lại chứa chủ yếu các nguyên tố là sản phẩm cuối cùng của chuỗi phản ứng nhiệt hạch trở thành một thiên thể mà ta gọi là Sao Notron.

Một số trường hợp các sao có khối lượng rất lớn khi chết sẽ hình thành nên Hố đen.

6. Hệ Mặt Trời

* Ngôi sao có tên: Mặt Trời

Thiên văn học
Chu kỳ tự quay của Mặt Trời là 27 ngày.

Gió Mặt Trời là một luồng hạt điện tích giải phóng từ vùng thượng quyển của Mặt Trời.

Cực quang là một hiện tượng quang học được đặc trưng bởi sự thể hiện đầy màu sắc của ánh sáng trên bầu trời về đêm, được sinh ra do sự tương tác của các hạt mang điện tích từ gió mặt trời với tầng khí quyển bên trên của hành tinh.

* Các thành viên trong Hệ Mặt Trời:

Hệ mặt trời – ngôi nhà của chúng ta nằm trong Dải Ngân hà. Nó bao gồm một ngôi sao, tám hành tinh chính, ít nhất ba hành tinh lùn, 170 mặt trăng, vô số tiểu hành tinh, sao chổi và bụi, khí ở giữa các hành tinh. Hành tinh chính chia làm 2 loại: bốn hành tinh nhỏ hơn -hay còn gọi là hành tinh đá gồm: Sao Thủy, Sao Kim, Trái đất và Sao Hỏa. Còn lại, bốn hành tinh khổng lồ, hay còn gọi là hành tinh khí gồm: Sao Mộc, sao Thổ, sao Thiên Vương và sao Hải Vương. Ceres, Pluto (Sao Diêm Vương), Eris …là các hành tinh lùn.

Thiên thạch là một vật thể tự nhiên từ ngoài không gian và tác động đến bề mặt Trái đất. Khi thiên thạch từ trong không gian vào đến bầu khí quyển của Trái đất thì áp suất ánh sáng làm thiên thạch nóng lên và phát ra ánh sáng và xuất hiện cái đuôi thiên thạch hướng từ phía Trái đất đi ra.

Sao chổi là một thiên thể gần giống một tiểu hành tinh nhưng không cấu tạo nhiều từ đất đá, mà chủ yếu là băng. Nó được miêu tả bởi một số chuyên gia bằng cụm từ “quả bóng tuyết bẩn” vì nó chứa cacbonic, metan và nước đóng băng lẫn với bụi và các khoáng chất. Đa phần các sao chổi có quỹ đạo elip rất dẹt.

Sao băng, hay sao sa, là đường nhìn thấy của các thiên thạch và vẫn thạch khi chúng đi vào khí quyển Trái Đất. Trên Trái Đất, việc nhìn thấy đường chuyển động của các thiên thạch này là do nhiệt phát sinh ra bởi áp suất nén khi chúng đi vào khí quyển.

7. Bốn mùa – Thời gian – Lịch

* Mặt Trời và bốn mùa:

+ Mặt phẳng Hoàng đạo: Mặt phẳng hoàng đạo là mặt phẳng hình học chứa quỹ đạo chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời.

Đa số các hành tinh trong hệ Mặt Trời đều có quỹ đạo nằm gần mặt phẳng này. Lý do là chúng đều được hình thành cùng Mặt Trời từ một đĩa bụi Mặt Trời dẹt quay tròn trong một mặt phẳng gần trùng với mặt phẳng hoàng đạo.

Nhìn từ Trái Đất, đường Hoàng Đạo là giao điểm của Mặt phẳng Hoàng đạo với Thiên Cầu (hình cầu tưởng tượng ở rất xa Trái Đất, trên đó chứa tất cả các thiên thể).

+ Sự biến đổi mùa:

Trái Đất ngoài chuyển động trên quỹ đạo xung quanh Mặt Trời còn có chuyển động tự quay. Tuy nhiên trục quay của Trái Đất lại ngiêng so với trục vuông góc với mặt phẳng Hoàng đạo một góc khoảng 23,27 độ. Chính độ nghiêng này đã tạo nên sự biến đổi mùa trên Trái Đất.

Thiên văn học

Nguyên nhân chính là ở các vị trí khác nhau trên quỹ đạo, lượng bức xạ của một vị trí trên Trái Đất nhận được thay đổi theo thời gian.

+ Ngày và đêm ở các vĩ độ:

Từ ngày Xuân phân (21/3) đến ngày Thu phân (23/9):

Những vị trí có vĩ độ càng gần cực Bắc thì ngày càng dài. Ở cực Bắc thì Mặt Trời không bao giờ lặn (6 tháng là ban ngày).

Những vị trí có vĩ độ càng gần cực Nam thì ngày càng ngắn. Ở cực Nam thì Mặt Trời không bao giờ mọc (6 tháng là ban đêm)

Từ ngày Thu Phân (23/9) năm trước đến ngày Xuân phân (21/3) năm sau thì ngược lại. Càng gần cực Bắc thì ngày càng ngắn, càng gần cực Nam thì ngày càng dài.

+ Các đới khí hậu:

Thông lượng bức xạ của ánh sáng Mặt Trời đến những nơi khác nhau trên Trái Đất là khác nhau. Thời tiết ở những khu vực có vĩ độ giống nhau là như nhau, tạo nên những đới khí hậu khác nhau.

– Từ vĩ độ (+)(-) 66 độ 33′ về 2 cực Bắc Nam là Hàn đới.

– Từ vĩ độ (+)(-) 23 độ 27′ về vĩ độ (+)(-) 66 độ 33′ là Ôn đới.

– Giữa 2 vĩ độ (+) 23 độ 27′ và (-)2 3 độ 27′ là Nhiệt đới.

* Lịch:

– Cơ sở tính thời gian: Dựa trên chuyển động của Trái Đất xung quanh Mặt Trời, chuyển động tự quay của Trái Đất, chuyển động của Mặt Trăng.

– Dương lịch: Năm dương lịch lấy cơ sở là năm xuân phân (chu kì bốn mùa). Năm xuân phân có 365,2422 ngày. Tuy nhiên năm lịch lại phải là một số nguyên ngày và xấp xỉ với năm xuân phân. Theo lịch sử, dương lịch được coi là bắt đầu từ thời hoàng đế La Mã là Julius Cecar (63 TCN)

+ Dương lịch cũ (năm Julius): Cứ 4 năm là có một năm nhuận. Là năm có con số chia hết cho 4. Năm thường có 365 ngày, năm nhuận có 366 ngày. Như vậy trung bình một năm có 365,25 ngày. Sai số so với năm xuân phân là 0,0078 ngày, như vậy cứ sau 400 năm thì sai gần 3 ngày.

+ Dương lịch mới (lịch Gregorius): sau hàng ngàn năm lịch Julius đã không đúng nữa. Năm 1582, giáo hoàng Gregorius đã cho cải cách lại dương lịch. Theo đó, độ dài trung bình năm là 365,2425 ngày. Sai số là 0,0003 ngày tức cứ sau 3300 năm thì sai 1 ngày. Do đó đã quy ước những năm trong thế kỉ mà không chia hết cho 4 thì không phải là năm nhuận (1700,1800,1900…). Ngoài ra để chỉnh sự sai lệch đã tích lũy nhiều, người ta đã từng quy ước sau ngày 4-10-1852 sẽ là ngày 15-10-1852.

+ Âm lịch: Âm lịch là lịch theo tuần trăng. Lấy độ dài tuần trăng (29,53 ngày) làm cơ sở cho độ dài tháng. Tháng thiếu có 29 ngày, tháng đủ có 30 ngày. Một năm có 12 tháng, trung bình có 354,367 ngày. Vậy năm thường có 354 ngày, ngắn hơn năm xuân phân 10 ngày. Cứ 3 năm thì sai với mùa 1 tháng. Năm âm lịch chỉ có khả năng tính thời gian chứ không phản ánh thời tiết. Hiện nay chỉ có lịch Hồi giáo là sử dụng thuần túy âm lịch.

+ Âm dương lịch: Người ta cải biến âm lịch bằng cách bổ sung quy luật nhuận để bình quân năm lịch phù hợp với 4 mùa. Năm thường có 12 tháng, năm nhuận có 13 tháng, tháng nhuận có 30 ngày.

Người ta thường dùng chu kì 7/19 (chu kì Meton) tức là cứ 19 năm thì có 7 năm nhuận. So với năm xuân phân thì :

19 năm xuân phân = 65,2422 x 19 = 6939,60 ngày.

19 năm Âm dương lịch = (19 x 12) + 7 = 235 tháng = 29,53 x 235 = 6939,55 ngày.

8. Tuần trăng, Nhật – Nguyệt thực, Thủy Triều

* Tuần trăng:

Mặt Trăng chuyển động xung quanh Trái Đất, hệ Mặt Trăng – Trái Đất chuyển động xung quanh Mặt Trời. Do Trái Đất và Mặt Trăng đều là những thiên thể được Mặt Trời rọi sáng mà có thể nhìn thấy phần sáng của Mặt Trăng dưới những dạng khác nhau, đó là nguyên nhân của Tuần Trăng.

* Chuyển động của Mặt Trăng:

Mặt Trăng chuyển động xung quanh Trái Đất theo quỹ đạo elip gần tròn. Mặt phẳng quỹ đạo của Mặt Trăng (bạch đạo) nghiêng so với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất (Hoàng đạo) một góc trung bình 5 độ 9′.

Chu kì chuyển động là 27,32 ngày – gọi là tháng sao. Chiều chuyể động từ Tây sang Đông (như chiều quay của Trái Đất quanh Mặt Trời). Bán trục lớn quỹ đạo là 384.400 km.

* Các pha của Mặt Trăng:

– Là những phần sáng khác nhau của Mặt Trăng được nhìn từ Trái Đất. Khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp của cùng một pha của Mặt Trăng được gọi là một tuần Trăng hay Tháng Giao hội.

* Chuyển động tự quay của Mặt Trăng:

Ngoài chuyển động quanh Trái Đất, Mặt Trăng còn tự quay quanh mình. Chu kì tự quay đúng bằng chu kì quay quanh Trái Đất. Chiều tự quay trùng với chiều chuyển động quanh Trái Đất. Do đó Mặt Trăng luôn chỉ hướng một nửa nhất đỉnh về phía Trái Đất.

* Nhật – Nguyệt Thực:

Nhật -Nguyệt thực là hiện tượng che khuất lẫn nhau của 3 thiên thể Mặt Trời, Mặt Trăng và Trái Đất. Do trong 3 thiên thể chỉ có Mặt Trời là tự phát sáng nên tùy vào vị trí tương đối giữa chúng mà xảy ra những hiện tượng khác nhau.

Nhật Thực: xảy ra khi Mặt Trăng ở vị trí giữa Trái Đất và Mặt Trời. Nếu Mặt Trăng nằm trên đường nối tâm Mặt Trời và Trái Đất, nó sẽ che ánh sáng Mặt Trời vào ban ngày.

Thiên văn học

Nguyệt thực: xảy ra khi Trái Đất ở vị trí giữa Mặt Trời và Mặt Trăng. Mặt trăng đi vào vùng bóng tối của Trái Đất trong không gian, khi đó Trái Đất sẽ cho ánh sáng từ Mặt Trời chiếu tới Mặt Trăng.

* Thủy triều:

Thủy triều là hiện tượng nước biển, nuớc sông… lên xuống trong ngày. Sự thay đổi lực hấp dẫn từ Mặt Trăng (phần chủ yếu) và từ các thiên thể khác như Mặt Trời (phần nhỏ) tại một điểm bất kỳ trên bề mặt Trái Đất trong khi Trái Đất quay đã tạo nên hiện tượng nước lên (triều lên) và nước rút (triều xuống) vào những khoảng thời gian nhất định trong một ngày.

Thủy triều đạt cực đại khi mà cả Mặt Trăng và Mặt Trời cùng nằm về một phía so với Trái Đất.

Ngoài ra khái niệm thủy triều còn được dùng cho sự thay đổi lên xuống của khí quyển Trái Đất.

9. Từ trường của Mặt Trời

Hiện nay, từ trường Mặt Trời là một mối quan tâm của các nhà khoa học. Nghiên cứu từ trường giúp ta hiểu sâu hơn các đặc tính của ngôi sao mẹ. Bài viết này sẽ giúp chúng ta hiểu sơ bộ về cách sinh ra từ trường Mặt Trời cũng như mối liên hệ của nó với các hoạt động của Mặt Trời.

9.1. Nguyên nhân sinh ra từ trường của Mặt Trời

Vật chất của Mặt Trời ở trạng thái plasma, một trạng thái vật chất giống như khí, trong đó các hạt điện tích và ion đã tách ra, tạo ra một hỗn hợp siêu nóng của các hạt mang điện. Khi các hạt mang điện di chuyển, chúng tạo ra dòng điện và dòng điện đó sinh ra TỪ TRƯỜNG. Ở đây plasma được xử lý bởi một hệ thống các quá trình phức tạp: Các dòng plasma chảy bên trong Mặt Trời được khuấy lên bởi nhiệt lượng khổng lồ do phản ứng tổng hợp hạt nhân ở tâm cộng với sự tự quay của ngôi sao lớn sẽ tạo ra từ trường của Mặt Trời. Hệ thống này được xem như “ cái máy phát điện” tự nhiên của Mặt Trời, thường được gọi là Dynamo Mặt Trời. 

Thiên văn học

9.2. Ảnh hưởng của từ trường Mặt Trời đến các hoạt động của nó

Hệ thống từ trường Mặt Trời điều khiển chu kỳ hoạt động vết đen Mặt Trời khoảng 11 năm (Vết đen Mặt Trời là các khu vực tối trên bề mặt Mặt Trời, có nhiệt độ thấp hơn các khu vực khác trên bề mặt nó). Các nghiên cứu quang phổ chỉ ra rằng từ trường trong một vết đen Mặt Trời điển hình là lớn hơn khoảng 1000 lần so với từ trường trong quang quyển xung quanh, (bản thân nó mạnh hơn từ trường của Trái Đất vài lần). Hơn nữa, các đường từ trường không phải hướng ngẫu nhiên, mà thay vào đó là hướng gần vuông góc với (ngoài hoặc vào) bề mặt Mặt Trời. Các nhà khoa học cho rằng các vết đen mát hơn khu vực xung quanh vì nó có từ trường mạnh một cách bất thường, làm cản trở dòng đối lưu của khí nóng về phía bề mặt của Mặt Trời. Các vết đen thường đi theo cặp và hầu như chúng nằm trên cùng một vĩ độ và chúng có cực từ trái ngược nhau.

Thiên văn học

Vết đen Mặt Trời là các khu vực tối trên bề mặt Mặt Trời, có nhiệt độ thấp hơn các khu vực khác trên bề mặt nó Trên thực tế, chu kỳ vết đen Mặt Trời là 11 năm, chỉ bằng một nửa của chu kỳ Mặt Trời – khoảng thời gian cần thiết để cả số vết đen trung bình và cực từ tổng thể của Mặt Trời lặp lại. Trong 11 năm đầu tiên của chu kỳ Mặt Trời, trong cùng một bán cầu, những vết đen chủ đạo của các cặp vết có cùng một cực, đồng nghĩa với việc cấu hình từ trường (S-N) giống nhau. Ở bán cầu kia thì cặp vết đen có cầu hình từ trường ngược lại. Qua 11 năm tiếp theo, các cực trong cặp vết đen tiếp tục đổi chỗ cho nhau.

Các nhà thiên văn học nghĩ rằng sự quay không đồng đều của vật chất trên Mặt Trời và sự đối lưu của Mặt Trời gây ra sự dãn, xoắn, gấp khúc đối với đường sức từ. Điều này làm xảy ra quá trình vừa tạo ra vừa khuếch đại từ trường Mặt Trời. Một dự đoán quan trọng của lý thuyết này là từ trường của Mặt Trời sẽ tăng đến cực đại, sau đó giảm xuống 0 và tự đảo cực. Đây được coi là quá trình đảo cực của Mặt Trời.

Từ trường Mặt Trời không chỉ đơn giản như vậy. Nên nhớ rằng bề mặt Mặt trời tựa như một chảo dầu sôi, chúng không hề ổn định và sẽ có những vụ phun trào xảy ra. Các vùng có từ trường mạnh của Mặt Trời là địa điểm lý tưởng của các hoạt động ấy, đồng nghĩa với việc nó gần với các cặp vết đen và có mối liên kết với các vết đen này. 

9.3. Tai lửa Mặt Trời (Solar prominences)

Hoạt động đẹp đẽ nhất được cho là Tai lửa Mặt Trời. Chúng có dạng những vòng khí, hoặc tấm khí phát sáng nhô ra và kéo dài từ vùng hoạt động (active region) trên bề mặt. Như ta vừa đề cập ở trên, sự bất ổn định từ trường mạnh trong hoặc gần vệt đen là “thủ phạm” gây ra việc này. Một Tai lửa có phạm vi khoảng 100.000 km, gần gấp 10 lần đường kính của hành tinh Trái Đất. Quá trình này diễn ra rất mạnh mẽ. Nhưng khi điểm phun trào của chúng cao hơn từ trường, chúng nhanh chóng giảm nhiệt độ rồi đổ xuống bề mặt theo các đường sức từ, Tai lửa có thể tồn tại trong vài ngày hoặc vài tuần. 

Thiên văn học

9.4. Pháo sáng (Solar flare)

Thêm một hoạt động nữa có thể nói là dữ dội, mạnh mẽ, tàn bạo gấp bội so với Tai lửa Mặt Trời chính là “Pháo sáng”. Chúng là điển hình của sự phun trào đột ngột các bức xạ năng lượng cường độ cao từ quang quyển. Nhiệt độ trong tâm của pháo sáng có thể đạt 100 triệu K (nóng hơn lõi Mặt Trời rất nhiều lần). Không giống như vật chất bị mắc kẹt tạo nên vòng khí đặc trưng của Tai lửa, những vụ nổ của Pháo sáng kinh hoàng hơn nhiều. Các vụ nổ này giải phóng năng lượng cực kì lớn, lớn đến mức làm cho các vật chất thoát ra khỏi ra khỏi Mặt Trời và bay ra ngoài không gian bao la. Pháo sáng được cho là nguyên nhân gây ra các sóng áp suất bên trong Mặt Trời làm phát sinh dao động bề mặt Mặt Trời. Một thông tin thú vị nữa minh chứng cho nguồn năng lượng khủng khiếp đó là Pháo sáng lớn nhất kéo dài trong vài giờ và đủ để cung cấp năng lượng cho toàn bộ nước Mỹ với tốc độ tiêu thụ điện hiện tại trong 100.000 năm.

Thiên văn học

9.5. Sự phun trào vật chất vành nhật hoa (CME)

Tiếp đến là “Sự phun trào vật chất vành nhật hoa” hay có thể liên tưởng nó như một “bong bóng” vật chất khổng lồ bị từ hóa, bị tách ra khỏi Mặt trời bay vào không gian, và hiển nhiên mang nguồn năng lượng khổng lồ.

Thiên văn học

Từ trường của nó sẽ kết nối với từ trường của Trái Đất. Nếu cùng hướng với từ trường Trái Đất thì nó sẽ lướt qua hành tinh của chúng ta và ít gây ảnh hưởng. Nhưng nếu ngược hướng, một sự nhiễu loạn lên từ trường Trái Đất là điều tất yếu xảy ra, có thể kể đến như rối loạn vô tuyến hay mất điện. Bức xạ điện từ của CME còn gây khó dễ cho các phi hành gia hay thậm chí phá hủy các vệ tinh của chúng ta. Khả năng một vụ CME lớn gây ra một cơn bão từ rất mạnh là có thật. Đã có cơn bão từ được ghi nhận là lớn nhất trong lịch sử xảy ra vào năm 1859 và được gọi ‘Siêu bão Mặt Trời 1859″ hay “sự kiện Carrington”. Nó đã phá hủy các hệ thống điện trên khắp châu Âu và Bắc Mỹ. Thêm nữa, dải ánh sáng sặc sỡ vắt ngang qua bầu trời đêm ở Bắc cực và Nam cực cũng có thể do CME này đấy!

BÌNH LUẬN

Vui lòng nhập bình luận của bạn
Vui lòng nhập tên của bạn ở đây