Hệ mặt trời, Mặt trời và các hành tinh
Lời giới thiệu
Bầu trời đêm huyền ảo hay bầu trời trong xanh vào ban ngày cũng đều gợi cho con người khát vọng tìm hiểu về thế giới xung quanh và ước mơ vươn tới các vì sao xa xăm ngoài Trái đất.
Hệ mặt trời là một từ đã rất quen thuộc với mỗi chúng ta. Ai cũng biết rằng chúng ta đang sống trên 1 hành tinh, 1 hành tinh rất đặc biệt trong hệ mặt trời, một hành tinh có sự sống, có nền văn minh nhân loại. Mặt trời là 1 ngôi sao trung bình trong vũ trụ nhưng đối với con người nó chính là yếu tố không thể thiếu để hình thành sự sống. Ngoài Trái đất ra còn có 8 hành tinh khác quay xung quanh mặt trời và rất nhiều các vệ tinh của các hành tinh. Hệ mặt trời đã được loài người quan tâm tìm hiểu từ rất lâu rồi và cũng có nhiều quan niệm sai lầm trước khi có được những hiểu biết như hiện nay.
Hệ mặt trời của chúng ta bị chi phối hoàn toàn bởi một vật thể chiếm đến 99% khối lượng của hệ mặt trời,đó là mặt trời.
Mặt trời là một vì sao rất tiêu biểu, cấu tạo từ những nguyên tố hoá học hiện diện trên Trái đất và các vì sao khác trong vũ trụ. Khi nhìn từ hướng bắc, các hành tinh chuyển động xung quanh mặt trời theo chiều ngược với chiều quay kim đồng hồ trên các quỹ đạo cách Mặt trời từ 58 triệu km (sao Thuỷ) đến 5.900 triệu km (sao Diêm Vương). Chu kì chuyển động của chúng thay đổi từ 88 ngày (sao Thuỷ) đến 248 năm đối với sao Diêm Vương và vận tốc trung bình trên quỹ đạo của chúng thay đổi từ 48km/s đến 5km/giây. Các hành tinh đều tự quay quanh trục, các hành tinh có chiều quay quanh trục cùng chiều chuyển động trên quỹ đạo, ngoại trừ sao Kim quay theo chiều ngược lại.
Hệ mặt trời có ba đặc trưng cơ bản
- Tất cả các hành tinh quay quanh mặt trời trong cùng một hướng và trừ sao Diêm Vương hầu hết các hành tinh đều nằm trên cùng một mặt phẳng qua xích đạo của mặt trời. Thêm vào đó, hầu hết các hành tinh đều quay quanh trục của chúng cùng với chiều quay của Mặt trời và hầu hết các vệ tinh cũng di chuyển trên những quỹ đạo ngược chiều với chiều quay kim đồng hồ.
- Sao Mộc và sao Thổ có thành phần cấu tạo tương tự như Mặt trời và các vì sao khác, chủ yếu từ Hidro và Heli. So sánh thành phần cấu tạo của các thiên thể trong Hệ mặt trời cho thấy tiến trình phát triển rõ rệt từ các hành tinh bên trong được cấu tạo từ đá giàu kim loại cho đến các hành tinh bên ngoài được tạo thành chủ yếu từ băng tuyết. các sao chổi cũng là những vật thể băng tuyết, trong khi các tiểu hành tinh lại tượng trưng cho thành phần đá giàu cacbon.
- Định tuổi bằng phương pháp phóng xạ xác nhận một số mẫu đá trên vỏ Trái đất đã được hình thành ít nhất từ 3,8 tỉ năm trước và các mẫu đá từ mặt trăng khoảng 4,2 tỉ năm tuổi. Một số thiên thể có tuổi từ 4,5 đến 4,6 tỉ năm, phù hợp với các tính toán về tuổi của Mặt trời.
I.Sự hình thành hệ mặt trời
Khoảng không bao la giữa các vì sao có vẻ như trống rỗng nhưng thực sự không phải vậy, chúng chứa rất nhiều những hạt cực nhỏ và các nhà khoa học cho rằng hệ mặt trời được hình thành từ một đám tinh vân là tàn dư của những quá trình hình thành những vì sao trước đó hay do vật chất sau các vụ nổ siêu tân tinh. Đám mây ấy gồm những khí và bụi .Những hạt nhỏ nhiều vô kể trong khi chuyển động va chạm vào nhau và vì vậy chúng có khuynh hướng chuyển động sao cho không cản trở lẫn nhau. Muốn như thế thì tất cả các đường đi của chúng phải nằm ở gần một mặt phẳng và trở thành đường tròn. Khi quay theo những đường tròn đường kính khác nhau chúng sẽ không va chạm vào nhau nữa. Khi đó chuyển động theo một chiều nhất định nào đó sẽ thắng thế và rốt cuộc các hạt nhỏ khác cũng sẽ quay theo chiều đó. Như vậy thay thế cho chuyển động hỗn độn ban đầu của các hạt nhỏ ,xuất hiện chuyển động có trật tự và toàn thể đều quay theo cùng một chiều. Sau đấy đám mây bắt đầu được hâm nóng lên bởi chính năng lượng hấp dẫn và vận tốc quay nhanh của nó. Khi nhiệt độ tăng,các chất rắn ban đầu bị bốc hơi. Đám mây bây giờ dần dần trở thành cái đĩa dẹt. Ở tâm của đĩa dẹt ấy, vật chất gom tụ lại cho đến một lúc nào đấy nhiệt độ và áp suất đủ để tạo phản ứng hạt nhân. Vào cuối giai đoạn tích tụ cũng là lúc đám tinh vân nóng nhất. Khi không còn năng lượng hấp dẫn để nóng lên nữa, đám tinh vân bắt đầu nguội dần nhưng ở trung tâm, mặt trời mới hình thành nhiệt độ vẫn rất cao.
Tại vùng bên trong của hệ mặt trời ,các vật thể cứng tiếp tục lớn lên nhưng chúng không tương tác với các chất khí còn sót lại của đám tinh vân. Ngược lại,các hành tinh phôi thai ở vùng bên ngoài của hệ mặt trời trở nên quá lớn và chúng tiếp tục hút các chất khí xung quanh.
Khi hidro và heli tập trung nhanh chóng vào nhân của chúng ,các hành tinh khổng lồ này nóng lên bởi năng lượng co rút của chúng. Tuy nhiên các hành tinh này không đủ lớn để đạt được nhiệt độ và áp suất cần thiết để phản ứng hạt nhân xảy ra. Sau khi cháy đỏ rực trong vài ngàn năm,chúng dần dần nguội lại và có trạng thái như ngày nay.
Thêm vào đó,khi đám tinh vân nguội lại ,các chất khí phản ứng tương tác với nhauvà sinh ra các hợp chất,các hợp chất này đọng lại thành các hạt ở thể lỏng và thể rắn. Kim loại và đá silicat cùng các khoáng chất khác là những vật chất đầu tiên tạo thành các hạt. khi nhiệt độ tiếp tục giảm , các hạt này liên kết với các hợp chất giàu cacbon và nước mà ngày nay chúng ta thấy chúng hiện diện rất nhiều trong các tiểu hành tinh. Ở phần bên trong của các đám tinh vân,nhiệt độ hạ không đủ thấp để các chất này có thể đọng lại vì thế chúng không hiện diện trong những hành tinh trong cùng nhất. khi nhiệt độ hạ xuống khoảng -70độC, oxi liên kết với hidro và đông lại thành băng đá.
Sau một thời gian các hành tinh lớn được tạo ra, mặt trời phôi thai cũng giống như những vì sao sơ sinh khác đã trải qua một giai đoạn phát sinh ra gió mặt trời cực mạnh thổi bay đi các chất khí còn lại trong đám tinh vân. Đám tinh vân mặt trời dần dần tan biến và cuối cùng để lại một vì sao vừa mới hình thành cùng với 9 hành tinh và vô số những vật thể khác di chuyển chung quanh nó.
CẤU TẠO CỦA MẶT TRỜI
Mặt trời là ngôi sao thuộc loại trung bình và nó đặc biệt đối với con người là vì nó là ngôi sao ở gần chúng ta nhất và là một trong những yếu tố quan trọng tạo nên sự sống ở Trái Đất. Trái Đất cách Mặt trời 150 triệu km (150.10^6 km). Khoảng cách này được quy ước là 1 đơn vị thiên văn (1AU = 150.10^6km)
Mặt trời hoàn toàn là khí. Ngày nay, qua các phân tích quang phổ của Mặt trời chúng ta biết Mặt trời chứa chủ yếu Hidro chiếm khoảng 75%, một ít khí Heli khoảng 23% các khí còn lại chỉ chiếm 2% khối lượng Mặt trời. Nguồn năng lượng do Mặt trời có được là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp H thành He. Quá trình này diễn ra qua một số bước còn gọi là chu trình proton-proton:
Theo công thức E = mc2 thì năng lượng được giải phóng trong quá trình này là:
E = 0.048 x 10^-27 x (3 x 10^8)^2 = 4.3 x 10^-12 J. Năng lượng này sẽ được nhân lên với một số vô cùng lớn tương ứng với số hạt nhân He được tạo thành, trong 1 giây nguồn năng lượng do Mặt Trời phát ra tương ứng với một quả bom H 100 tỷ megaton.
Mỗi giây có khoảng 600 - 700 triệu tấn bị hidro tiêu huỷ và khoảng 4 triệu tấn được biến thành năng lượng theo phương trình E=mc^2. Với tốc độ tiêu thụ nhiên liệu như hiện nay thì Mặt trời còn có thể sáng thêm 5 tỷ năm nữa mặc dù nó đã sáng được 4 đến 5 tỷ năm rồi.
Bề mặt của Mặt trời là lớp khí mà từ đó ánh sáng của Mặt trời tới chúng ta, lớp này gọi là quang quyển có chiều dày khoảng 300 km. Bán kính của Mặt trời được xác định như là khoảng cách của quang quyển tính từ tâm Mặt trời RMo=7.10^5km. Màu sắc và cường độ của ánh sáng Mặt trời cho thấy nhiệt độ bề mặt vào khoảng 5,8.10^3K.
Ánh sáng của Mặt trời có cường độ rất mạnh, không thể nhìn bằng mắt thường trực tiếp hoặc qua các thấu kính, kính thiên văn, muốn quan sát được chúng ta phải hứng ảnh của Mặt trời qua kính thiên văn vào một màn hứng hoặc một bề mặt trắng, hoặc cũng có thể lắp thêm kính lọc trước thị kính của kính thiên văn để quan sát.
Vết đen Mặt trời
Galileo là người đầu tiên quan sát Mặt trời và các vết đen của nó hầu như mỗi ngày. Ông đã thấy rằng những vết đen Mặt trời rộng hơn và tồn tại lâu hơn hiện ra ở một phía của Mặt trời, sau đó di chuyển ngang qua bề mặt Mặt trời và biến mất ở phía khác sau khoảng 2 tuần. Galileo đã khẳng định rằng những vết đen Mặt trời phải thực sự là một phần của Mặt trời và quay cùng với chiều quay của Mặt trời, khoảng 28 ngày. Đường kính của vết đen rộng nhất vào cỡ 10^4km, nghĩa là lớn gấp vài lần đường kính Trái Đất. Các vết đen Mặt trời hoàn toàn không phải đen, độ sáng bề mặt của chúng điển hình vào khoảng 1/4 độ sáng của môi trường xung quanh, khoảng 4.10^3 K, ngay cả đối với độ sáng đó nó vẫn dễ làm mù mắt người quan sát.
Các vết đen trên Mặt trời là những vùng khí xoáy có nhiệt độ thấp hơn vào khoảng 4.500 độC do từ trường gây ra. Những vết đen rộng nhất tồn tại trong khoảng 2 tháng, khoảng thời gian này là đủ dài để các vết đen biến mất ở một phía của đĩa Mặt trời và tái xuất hiện ở phía khác hai tuần sau đó. Hầu hết các vết đen được quan sát thấy trong vài ngày và sau đó biến mất để được thay thế bởi những vết đen khác.
Số lượng các vết đen tăng giảm theo một chu kỳ 11 năm . Cứ 11 năm lại có hàng chục vết đen Mặt trời, những khoảng thời gian này được xem là một cực đại của vết đen Mặt trời. Khoảng 6 năm sau đó có rất ít vết đen Mặt trời hoặc không có vết đen nào. Những khoảng thời gian này được xem là một cực tiểu của vết đen Mặt trời. Chu kì 11 năm của Mặt trời cũng liên quan đến vị trí của các vết đen Mặt trời. Những vết đen đầu tiên của một chu kì mới ngay sau một cực tiểu Mặt trời, diễn ra ở các vĩ độ Mặt trời khoảng 35 độ Bắc và Nam. Khi những vết đen này biến mất, những vết đen mới hình thành ở gần đường xích đạo. Và quá trình cứ thế tiếp diễn. Tại cực đại của vết đen Mặt trời, hầu hết các vết đen Mặt trời nằm ở vĩ độ khoảng 15 độ Bắc và Nam. Vào cuối chu kì, chúng xuất hiện ở gần xích đạo. Chu kì 22 năm liên quan đến hướng của từ trường vết đen. Hầu hết các vết đen xuất hiện thành cặp, định hướng đông tây, với từ trường trong một vết đen định hướng về phía chúng ta, từ trường trong vết đen khác định hướng đi xa chúng ta. Trong suốt một chu kì 11 năm, sự phân cực từ trường của các cặp vết đen ở phía Bắc của đường xích đạo là theo một hướng, ở phía Nam của đường xích đạo là theo hướng khác. Trong suốt chu kì 11 năm tiếp theo sự định hướng của các cặp vết đen là ngược lại. sau một chu kì 22 năm, sự phân cực lặp lại.
Vì toàn bộ Mặt trời là một quả cầu khí nên không thể có các vật chất từ rắn ở đó. Từ trường phải do dòng điện tạo ra như đã xảy ra đối với một nam châm trong phòng thí nghiệm. Vậy liệu dòng điện có thể chạy trong chất khí không? Hoàn toàn có thể vì có nhiều nguyên tử trong khí của Mặt trời bị ion hoá nên có nhiều electron tự do. Khi các electron và các hạt mang điện của chúng chuyển động tương đối với các nguyên tử và các ion, có dòng điện chạy trong chất khí. Có thể lấy hình ảnh solenoid (cuộn dây từ) như mô hình của vết đen Mặt trời: dây được quấn chặt theo dạng ống hình trụ. "dây" tương ứng với khí ở vùng biên giới của vết đen, "dây" mà trong đó có các dòng điện chạy dài khoảng 10^3km. Các dòng điện quay xung quanh vết đen với đường kính khoảng 10^4km, ở đó từ trường là đồng nhất. Sự ước tính tốt nhất của chúng ta đối với độ sâu thật sự đạt được bởi một vết đen Mặt trời và từ trường của nó là 3.10^3km và dòng điện tổng cộng quay quanh Mặt trời là 4.10^12A. Dòng điện này rất mạnh, người ta đo được từ trường của vết đen B=0,15T. Từ trường này mạnh gấp hàng ngàn lần từ trường của Trái Đất. Mỗi vết đen Mặt trời như một nam châm cực mạnh.
Các vết đen Mặt trời là một trong số nhiều ví dụ của các dòng điện và từ trường vũ trụ.
Các tai lửa
Thỉnh thoảng người ta thấy các tai lửa bắn ra từ Mặt trời, ta thấy chúng như những vòng khí màu đỏ, điển hình khoảng 10^4km phía trên bề mặt Mặt trời. Chúng tồn tại bên trên Mặt trời trong một số ngày.
Màu đỏ (bước sóng 656,3mm) của tai lửa cho chúng ta biết rằng chúng ta đang quan sát Hidro nóng khoảng 10^4K. Tại sao những khí nóng này lại bốc cao như vậy mà không rơi vào bề mặt Mặt trời? Một bằng chứng được rút ra từ hình dáng của nhiều tai lửa. Nhìn hình bên dưới: tai lửa như hình ảnh của bột sắt xung quanh một nam châm rắn trong phòng thí nghiệm. Điều này cho thấy có từ trường tạo nên tai lửa. Nếu ở đó cũng có dòng điện thì tai lửa được nâng lên bởi các lực IxB. Những tai lửa này có nhiệt độ khoảng 7.000 C đến 10.000 C cao hơn nhiệt độ bề mặt của Mặt trời, điều này không hề vô lý, nó chứng tỏ rằng các tai lửa có nguồn gốc từ bên trong Mặt trời.
Nhật thực và vành nhật hoa
Trong suốt nhật thực toàn phần, khi Mặt trăng bao phủ đĩa sáng của Mặt trời, khi đó ta mới quan sát được vành nhật hoa (corona: tiếng La tinh có nghĩa là vương miện). Nhật thực toàn phần có thể kéo dài đến 7 phút.
Nguyên nhân của ánh sáng nhìn thấy phát ra từ vành nhật hoa là: Hầu hết ánh sáng này là ánh sáng Mặt trời được tán xạ về phía chúng ta bởi các electron tự do. Từ độ sáng của ánh sáng Mặt trời bị tán xạ, chúng ta biết mật độ của electron và của các proton trong vành nhật hoa. Mật độ khí có thể đạt 10^-6 mật độ trong quang quyển, mật độ còn giảm hơn ở phía ngoài, do vậy vành nhật hoa rất mờ, không quan sát được trong điều kiện bình thường, chúng ta chỉ thấy nó khi có hiện tượng nhật thực toàn phần như hình trên.
Một phần khác của bức xạ từ vành nhật hoa là sự phát xạ ở những bước sóng xác định từ các nguyên tử bị ion hoá cao độ như các ion sắt mất đến 8 đến 12 electron. Khi một ion được tích điện nhiều như vậy cần rất nhiều năng lượng để dịch chuyển tiếp một electron, những electron còn lại trong các ion phải bị đánh bật ra bởi những vụ va chạm rất mạnh với các electron hoặc ion khác. Năng lượng va chạm cao đòi hỏi chuyển động nhiệt với tốc độ lớn, do đó nhiệt độ cao. Hiện nay, vật lý nguyên tử cho chúng ta biết rằng nhiệt độ vành nhật hoa phải vào 2.10^6K. Gần như tất cả Hidro đều bị ion hoá ở nhiệt độ này.
Vì những vụ va chạm giữa các nguyên tử và electron mạnh như vậy nên các photon được phát ra mang năng lượng rất lớn. Ở nhiệt độ của vành nhật hoa, hầu hết các photon là tia X. Vì thế hình ảnh của vành nhật hoa có thể thu được bằng cách sử dụng một camera tia X. Tia X không xuyên qua khí quyển Trái đất nên camera tia X phải được đặt trong vũ trụ.