Khóa luận tốt nghiệp đại học: Ứng dụng lượng giác cầu trong tính toán xác định vị trí của các thiên thể và giải bài tập thiên văn

Chia sẻ: Minh Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thiên văn học là khoa học nghiên cứu các thiên thể, trong đó nếu nghiên cứu về sự dịch chuyển của các thiên thể hay xác định vị trí cụ thể của các thiên thể, khoảng cách giữa chúng trên Thiên cầu và toạ dộ của các điểm trên mặt đất thì chúng ta phải biết được công thức liên hệ giữa các yếu tố (góc và cạnh). Nhưng chúng ta lại không sử dụng được công thức trong hình học phẳng bởi vì các thiên thể được phân bố trên mặt cầu (thiên cầu) và khoảng cách giữa hai điểm trên mặt đất là vòng cung lớn vì vậy người ta phải sử dụng các công thức lượng giác cầu. Mục tiêu của khóa luận này nhằm ứng dụng của các công thức lượng giác cầu trong việc xác định vị trí của các thiên thể và áp dụng để giải bài tập thiên văn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp đại học: Ứng dụng lượng giác cầu trong tính toán xác định vị trí của các thiên thể và giải bài tập thiên văn

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ HỒNG NHUNG ỨNG DỤNG LƢỢNG GIÁC CẦU TRONG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA CÁC THIÊN THỂ VÀ GIẢI BÀI TẬP THIÊN VĂN Chuyên ngành: Vật lý đại cƣơng KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Hà Nội – 2018
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2 KHOA VẬT LÝ PHẠM THỊ HỒNG NHUNG ỨNG DỤNG LƢỢNG GIÁC CẦU TRONG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA CÁC THIÊN THỂ VÀ GIẢI BÀI TẬP THIÊN VĂN Chuyên ngành: Vật lý đại cƣơng KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngƣời hƣớng dẫn khoa học TS. Nguyễn Hữu Tình Hà Nội – 2018
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Hữu Tình ngƣời đã giúp đỡ định hƣớng nghiên cứu, cung cấp cho em những tài liệu quý báu, tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảng kiến thức cơ bản đến những kiến thức chuyên ngành chuyên sâu, cũng nhƣ khả năng thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua . Cuối cùng, em xin gửi những lời tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đình bạn bè đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vƣợt qua khó khăn hoàn thành khoá luận một cách tốt đẹp. Là một sinh viên lần đầu tiên nghiên cứu khoa học nên khoá luận của em không tránh khỏi sự thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận đƣợc những đóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè để khoá luận đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 09 tháng 05 năm 2018 Sinh Viên Phạm Thị Hồng Nhung
LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong khoá luận hoàn toàn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố bởi bất kì nơi nào khác, mọi nguồn tài liệu tham khảo đều đƣợc trích dẫn một cách rõ ràng. Hà Nội, ngày 09 tháng 05 năm 2018 Sinh Viên Phạm Thị Hồng Nhung
MỤC LỤC PHẦN 1: MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2 3. Nhiệm vụ của đề tài....................................................................................... 2 4. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu............................................................................... 2 6. Cấu trúc của đề tài ......................................................................................... 2 PHẦN 2: NỘI DUNG ....................................................................................... 3 CHƢƠNG I: LƢỢC SỬ THIÊN VĂN HỌC ................................................... 3 1.1. Thời tiền sử ................................................................................................ 3 1.2. Thiên văn học trong các nền văn minh cổ đại ........................................... 4 1.3. Thời trung cổ .............................................................................................. 6 1.4. Thời phục hƣng .......................................................................................... 7 1.5. Thế kỉ XVII-XVIII ..................................................................................... 9 1.6. Thế kỉ XIX ............................................................................................... 11 1.7. Thế kỉ XX đến nay ................................................................................... 13 CHƢƠNG II: TOẠ ĐỘ CẦU, LƢỢNG GIÁC CẦU VÀ ỨNG DỤNG ....... 17 2.1. Các hệ toạ độ cầu ..................................................................................... 17 2.1.1. Hệ toạ độ chân trời ................................................................................ 17 2.1.2. Hệ toạ độ xích đạo................................................................................. 18 2.1.3. Hệ toạ độ hoàng đạo.............................................................................. 20 2.2. Lƣợng giác cầu ......................................................................................... 21 2.2.1. Những công thức cơ bản của tam giác cầu ........................................... 21 2.2.1.1. Tam giác cầu ...................................................................................... 21 2.2.1.2. Thành lập công thức cơ bản ............................................................... 22 2.2.2. Công thức chuyển hệ toạ độ .................................................................. 24
2.2.2.1. Chuyển từ hệ tọa độ xích đạo sang hệ tọa độ chân trời ..................... 25 2.2.2.2. Chuyển hệ tọa độ chân trời sang hệ tọa độ xích đạo ......................... 26 2.2.2.3. Chuyển hệ tọa độ từ xích đạo (α, δ) sang hệ tọa độ hoàng đạo (L, B) ......................................................................................................................... 27 2.2.2.4. Chuyển hệ tọa độ từ hoàng đạo sang xích đạo................................... 29 2.2.3. Xác định thời điểm và vị trí mọc (lặn) của các thiên thể ...................... 30 CHƢƠNG 3: ÁP DỤNG LƢỢNG GIÁC CẦU VÀO GIẢI BÀI TẬP ......... 32 PHẦN 3: KẾT LUẬN ..................................................................................... 39 PHẦN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................... 40
DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Minh hoạ hệ toạ độ chân trời ........................................................... 17 Hình 2.2. Hệ tọa độ góc giờ ............................................................................. 18 Hình 2.3. Hệ tọa độ xích kinh .......................................................................... 19 Hình 2.4. Hệ tọa độ hoàng đạo......................................................................... 20 Hình 2.5. Tam giác cầu .................................................................................... 21 Hình 2.6. Tam giác cầu trong hệ tọa độ OXYZ ............................................... 22 Hình 2.7. Tam giác cầu trong hệ tọa độ OXYZ’ ............................................. 23 Hình 2.8. Tam giác cầu vuông ........................................................................ 24 Hình 2.9. Tam giác cầu trong hệ tọa độ xích đạo và chân trời ........................ 25 Hình 2.10. Tam giác cầu trong hệ tọa độ xích đạo và hoàng đạo .................... 28 Hình 2.11. Tam giác cầu trong hệ tọa độ hoàng đạo và xích đạo .................... 29
PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Thế giới tự nhiên, xét về mặt vật lý, là một bức tranh gồm ba phần: vi mô, vĩ mô và siêu vĩ mô. Siêu vĩ mô có nghĩa là vô cùng to lớn theo không gian và thời gian. Thiên văn học là môn học về thế giới siêu vĩ mô đó. Cùng với các phần học khác của Vật lý, Thiên văn giúp chúng ta có đƣợc một bức tranh toàn diện về thế giới tự nhiên. Thiên văn học là một môn rất cổ điển, nhƣng đồng thời cũng rất hiện đại. Thiên văn học có quan hệ rất mật thiết với các ngành khoa học khác. Trƣớc thế kỉ 19, Thiên văn học không tách rời Toán học và Cơ học. Ngày nay khi khoa học phát triển tới trình độ cao, Thiên văn học càng liên quan chặt chẽ với các ngành khoa học tự nhiên khác nhƣ Vật lý, Hoá học, Toán học,... Giờ đây con ngƣời đã có thể đặt chân lên vũ trụ, có thể tiên đoán chính xác các hiện tƣợng thời tiết, các chuyển động của các thiên thể và những ảnh hƣởng của chúng tới Trái Đất, chúng ta cũng có những hệ thống thông tin liên lạc vững chắc qua những vệ tinh nhân tạo mà ngay lúc này vẫn đang không ngừng chuyển thông tin đến khắp mọi nơi trên Trái Đất, .v.v.v... Tất cả những đóng góp đó đã đƣa Thiên văn trở thành ngành khoa học quan trọng đƣợc nghiên cứu mũi nhọn tại nhiều nƣớc trên thế giới; và khác với sự lầm tƣởng của nhiều ngƣời, Thiên văn học ngày nay không chỉ là nghiên cứu những hiện tƣợng trên bầu trời, sự xuất hiện và biến mất của các ngôi sao, mà là một ngành khoa học nghiên cứu về toàn bộ vũ trụ trên quy mô từ vi mô đến siêu vĩ mô với cơ sở chính là vật lý học. Thiên văn học là khoa học nghiên cứu các thiên thể, trong đó nếu nghiên cứu về sự dịch chuyển của các thiên thể hay xác định vị trí cụ thể của các thiên thể, khoảng cách giữa chúng trên Thiên cầu và toạ dộ của các điểm trên mặt đất thì chúng ta phải biết đƣợc công thức liên hệ giữa các yếu tố (góc 1
và cạnh). Nhƣng chúng ta lại không sử dụng đƣợc công thức trong hình học phẳng bởi vì các thiên thể đƣợc phân bố trên mặt cầu (thiên cầu) và khoảng cách giữa hai điểm trên mặt đất là vòng cung lớn vì vậy ngƣời ta phải sử dụng các công thức lƣợng giác cầu. Do thấy sự cần thiết của vấn đề em xin đƣợc làm đề tài “Ứng dụng lượng giác cầu trong tính toán xác định vị trí của các thiên thể và giải bài tập thiên văn”. 2. Mục đích nghiên cứu Ứng dụng của các công thức lƣợng giác cầu trong việc xác định vị trí của các thiên thể và áp dụng để giải bài tập thiên văn. 3. Nhiệm vụ của đề tài Tìm hiểu về lịch sử Thiên văn học. Tìm hiểu các hệ toạ độ cầu. Xây dựng công thức lƣợng giác cầu. Ứng dụng công thức lƣợng giác cầu vào việc xác định vị trí và áp dụng giải bài tập Thiên văn. 4. Phạm vi nghiên cứu Các hệ toạ độ cầu, công thức lƣợng giác cầu và ứng dụng của nó. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu có liên quan. 6. Cấu trúc của đề tài Phần 1: Mở đầu Phần 2: Nội dung Phần 3: Kết luận Phần 4: Tài liệu tham khảo 2
NỘI DUNG CHƢƠNG I: LƢỢC SỬ THIÊN VĂN HỌC 1.1. Thời tiền sử Từ thời đại tiền sử, con ngƣời đã ngắm nhìn và suy ngẫm về bầu trời sao huyền bí trên đầu. Ngƣời xƣa quan sát chuyển động lặp đi lặp lại của Mặt Trời và Mặt Trăng trên bầu trời đêm để nhận biết các thời điểm chuyển mùa. Những hiện tƣợng thiên văn bí ẩn còn đƣợc coi là điềm báo cho những gì sẽ xảy ra trong cuộc sống cũng nhƣ củng cố tín ngƣỡng của con ngƣời. Khi việc trồng trọt và chăn nuôi xuất hiện thì quan sát thiên văn trở nên rất quan trọng. Nông dân, mục đồng và thợ săn quan sát thiên văn để biết đƣợc thời vụ đánh bắt, sản xuất. Dần dần con ngƣời nhận ra rằng Mặt Trời, Mặt Trăng và những vì sao di chuyển theo một đƣờng nhất định trên trời còn những hành tinh lại không nhƣ vậy. Những ngôi sao sáng ở gần nhau đƣợc con ngƣời gộp lại thành các chòm sao theo những hình dạng nhất định và thƣờng đi kèm với những truyền thuyết, tín ngƣỡng thời xa xƣa. Khoảng 8.000-12.000 năm trƣớc, ngƣời tiền sử ở Siberia đã tƣởng tƣợng ra hình một con gấu với cái đuôi dài khi quan sát những ngôi sao sáng trong chòm sao Đại Hùng ngày nay. Có tài liệu cho rằng, những dấu chấm khắc dƣới hình con ngựa trong hang động Lascaux ở Pháp có niên đại khoảng 15.000 năm TCN thể hiện những pha của Mặt Trăng. Từ thời đồ đá, con ngƣời đã xây dựng những công trình thiên văn. Một trong những kiến trúc cổ nhất liên quan đến thiên văn học ở châu Âu là Newgrange ở gần thủ đô Dublin của Ai len. Công trình khổng lồ bằng đá với niên đại khoảng 3.200 năm TCN này có một hành lang hẹp dẫn vào một căn phòng. Vào ngày cận ngày đông chí, ánh sáng Mặt Trời mọc sẽ chiếu xuyên qua hành lang đó vào tận căn phòng. 3
Một trong những công trình bí ẩn và hoành tráng đã đƣợc công nhận là di sản thế giới trên bình nguyên Salisbury của nƣớc Anh là ngôi đền Stonehenge. Ngày nay, hầu hết những nhà nghiên cứu đều nhất trí rằng ngôi đền đƣợc xây dựng vào khoảng năm 1900 đến 1600 TCN với 30 cột đá đồ sộ chôn sâu xuống đất và cao hơn mặt đất khoảng 5,5 m; rộng 2 m; nặng khoảng 26 tấn tạo thành một vòng đƣờng kính 29,5 m. Phía trong vòng cột có 5 "cổng" đƣợc tạo bởi một phiến đá xếp chồng lên hai phiến khác; nhóm "cổng" này đƣợc xếp theo hình móng ngựa bao quanh trụ đá trung tâm. Phiến đá lớn nhất gọi là "Cột Đá Gót" (Heel Stone) nặng tới 35 tấn đƣợc dựng ở cuối một đƣờng hành lang ở hƣớng Đông Bắc của ngôi đền. Vào ngày hạ chí, khi Mặt Trời mọc ở hƣớng Đông Bắc gần điểm chính Bắc nhất thì nó mọc lên ở đúng đỉnh Cột Đá Gót. Ngoài ra, có nhà nghiên cứu còn cho rằng các cột đá khác còn có thể đƣợc dùng để xác định thiên thực. 1.2. Thiên văn học trong các nền văn minh cổ đại Thời cổ đại, thiên văn học ra đời trƣớc tiên với mục đích giải thích các hiện tƣợng của tự nhiên. Con ngƣời cổ đại muốn có một cách giải thích các hiện tƣợng thƣờng làm họ hoảng sợ nhƣ mƣa, bão, nhật thực, nguyệt thực, sự thay đổi của bầu trời... ban đầu các hiện tƣợng thƣờng đƣợc gán cho các vị thần, các thế lực siêu nhiên. Thần thoại và truyền thuyết chính là ra đời từ đó, các quốc gia có nền văn minh phát triển sớm nhất cũng có thần thoại phát triển mạnh nhất nhƣ Hy Lạp, Trung Quốc, Ấn Độ,..., đây cũng chính là cơ sở cho tôn giáo hình thành và phát triển thông qua việc cúng bái các vị thần để cầu xin sự khỏe mạnh, may mắn. Tuy nhiên những giải thích theo thần thoại chỉ có tính tình thế, nó nuôi dƣỡng những niềm tin thiếu cơ sở thực tế, và thiên văn học ra đời chính từ mong muốn tìm ra những cơ sở để giải thích cho các hiện tƣợng thiên nhiên, các quy luật của trời đất, vũ trụ. Những quan sát cổ nhất về thiên văn học mà 4
con ngƣời đƣợc biết ngày nay là những quan sát từ 4000 năm trƣớc Công Nguyên (TCN) tại Ai Cập và Trung Mĩ, văn bản cổ nhất ghi chép lại những quan sát thiên văn đƣợc tìm thấy lầ những văn bản tồn tại từ những năm 3000 TCN tại Trung Mĩ, Ai Cập và Trung Quốc. Năm 2697 TCN, ngƣời Trung Quốc đã có những quan sát và ghi chép đầu tiên về nhật thực. Vào khoảng những năm 2000 TCN, đã xuất hiện những cuốn lịch đầu tiên về chu kì của Mặt Trời và Mặt Trăng (sun – lunar calendar) và các nhà thiên văn cổ đã vẽ đƣợc những chòm sao đầu tiên. Thế kỉ tứ 6 TCN, Pythagor và Thales là những ngƣời đàu tiên nêu lên ý tƣởng rằng Trái Đất có dạng cầu. Thales cũng đã tính đƣợc chính xác chu kì thời tiết là 365 ngày, dự đoán tƣơng đối chính xác chu kì nhật – nguyệt thực. Theo quan niệm của Thales thì mọi thứ trong tự nhiên đều sinh ra từ nƣớc và sẽ quay trở lại với nƣớc. Một nhà triết học khác là Anaximande đƣa ra mô hình vũ trụ đầu tiên trong đó Trái Đất nhƣ một hình trụ ngắn có 3 vành quay quanh trên đó có gắn các hành tinh, Mặt Trời và Mặt Trăng. Khoảng thế kỉ thứ 5 TCN, thiên văn học bắt đầu đƣợc nhiều nhà triết học và toán học quan tâm đến khi họ bắt đầu sử dụng các tƣ duy toán học đầu tiên của mình để giải thích thiên văn. Thế kỉ thứ 4 TCN, Aristotle đƣa ra mô hình vũ trụ trong đó Trái Đất là trung tâm, đây là mô hình địa tâm đầu tiên của nhân loại. Aristotle còn cho rằng mọi vật tạo thành từ 4 yếu tố (element) là đất, không khí, nƣớc và lửa. Nhà vật lí này còn xây dựng nên cả một hệ thống các định luật vật lí mà ngày nay đƣợc gọi là vật lí Aristotle (hệ thống vật lí này là không chính xác và sau này nó bị Galilei chứng minh là sai lầm và bác bỏ). Khoảng năm 280 TCN, 2 nhà thiên văn là Aristarchus và Samos đã đƣa ra ý tƣởng cho rằng Trái Đất chuyển động tròn quanh Mặt Trời. 5
Năm 130 TCN, Hipparchus khám phá ra hiện tƣợng tiến động của các điểm xuân phân và thu phân, ông cũng đã đƣa ra danh mục sao đầu tiên của nhân loại với sự liệt kê khoảng 1000 ngôi sao sáng. Năm 140 sau Công Nguyên (SCN), Claudius Ptolemy – một nhà toán học lớn của Hi Lạp cổ - cho ra đời tác phẩm Mathematike Syntaxis (sau này dịch ra là Almagest) trong đó có các danh mục của 48 chòm sao đầu tiên trong thiên văn học, sự mô tả chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh trên thiên cầu. Mô hình của Ptolemy sau này đƣợc gọi là mô hình địa tâm Ptolemy. Mô hình này cho biết Trái Đất nằm ở trung tâm vũ trụ. Mặt Trời, mặt Trăng, các hành tinh và các ngôi sao chuyển động trên những mặt cầu quanh Trái Đất. Sau này mô hình lộ rõ nhiều điểm bất hợp lí nhƣng nó vẫn đƣợc duy trì dƣới sự bảo vệ rất vững chắc của tôn giáo do nó củng cố niềm tin của con ngƣời vào sự sáng tạo của Thƣợng Đế. 1.3. Thời trung cổ Thiên văn học trung cổ đƣợc tính từ thế kỉ thứ 8 đến thế kỉ thứ 12 sau Công Nguyên. Đây là thời kì nhận thức và tƣ tƣởng của con ngƣời về vũ trụ phần nhiều là không có mấy tiến bộ do phải núp dƣới cái bóng của mô hình địa tâm Ptolemy đƣợc bảo vệ bởi nhà thờ tôn giáo. Từ đầu thế kỉ thứ 9 đến thế kỉ thứ 11 là thời kì phát triển khá mạnh của thiên văn học tại các nền văn minh Ả Rập và Ba Tƣ. Các nhà thiên văn của các nền văn minh này đã đƣa ra đƣợc danh mục sao tƣơng đối đầy đủ, mô tả khá chính xác chuyển động biểu kiến của Mặt Trăng và các hành tinh,... Năm 813, một nhà thiên văn là Al Mamon lập ra trƣờng họ thiên văn Bagdad, tác phẩm Mathematike Syntaxis của Ptolemy đƣợc dịch ra tiếng A rập là Al- Majisti, sau này tiếng Latin gọi nó là Almagest. Năm 903, Al Sufi lập ra danh mục sao của mình đầy đủ hơn Ptolemy cùng với hình vẽ mô tả vị trí các ngôi sao và chòm sao. 6
Năm 1054, các nhà thiên văn cổ Trung Quốc quan sát đƣợc hiện tƣợng xuất hiện một sao siêu mới (super nova) trong chòm sao Taurus (ngày nay sao siêu mới này đƣợc biết đến chính là tinh vân con cua – M1) 1.4. Thời phục hƣng Thiên văn học châu Âu thời Phục hƣng chứng kiến cuộc cách mạng của những tên tuổi lớn nhƣ Tycho Brahe, Copernicus, Kepler, Galileo... Tuy nhiên, trƣớc đó phải nhắc đến Johannes Müller (còn gọi là Regiomontanus), ngƣời đã dịch tác phẩm vĩ đại Almagest từ tiếng Ả Rập và đƣa ra những bình luận có giá trị trong cuốn sách Epitome of the Almagest (Tóm lƣợc về Almagest) mà sau này đƣợc Copernicus, Galileo sử dụng. Cuộc cách mạng đã bùng nổ với nhà thiên văn học ngƣời Ba Lan Nicolaus Copernicus, "ngƣời đã bắt Mặt Trời dừng lại và đẩy cho Trái Đất quay" nhƣ những lời ghi trên tƣợng đài của ông ở Warsaw. Sau những năm tháng làm việc ở giáo đƣờng Frombork, ông cho ra đời tập Tiểu luận (Commentariolus) trình bày những ý niệm ban đầu về thuyết nhật tâm của mình. Kết quả của hàng thập kỷ lao động của ông đƣợc thể hiện trong bộ sách Về chuyển động quay của các thiên thể (De revolutionibus orbium coelestium) xuất bản lần đầu tiên năm 1543. Bộ sách gồm sáu cuốn trong đó trình bày quan điểm và những lý giải của ông về hệ thống nhật tâm đồng thời đƣa ra danh mục các ngôi sao (định tinh) cũng nhƣ mô tả chuyển động biểu kiến của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh. Tuy nhiên do coi rằng các hành tinh chuyển động tròn đều nên hệ thống của Copernicus còn chƣa đạt độ chính xác cao và sau này Kepler, Newton tiếp tục hoàn thiện. Tycho Brahe (1546 - 1601), nhà quan trắc thiên văn học ngƣời Đan Mạch đã xây dựng một đài thiên văn lớn và đặt tên là Uraniborg (nghĩa là "Lâu đài trời"). Với kết quả quan trắc, ông lập đƣợc một bản danh mục gồm 788 ngôi sao với độ chính xác cao mà sau này là cơ sở dữ liệu cho những 7
công trình của Kepler. Ông cũng có những nghiên cứu về sao chổi và đƣa ra lý thuyết về chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng. Tuy nhiên, Brahe vẫn cho rằng Trái Đất đứng yên, Mặt Trời, Mặt Trăng chuyển động quanh nó còn các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời. Sử dụng những kết quả quan sát của Brahe, Johannes Kepler, ngƣời kế nhiệm ông ở đài thiên văn Prague, đã nghiên cứu và tìm ra quy luật chuyển động của các hành tinh. Những công trình của ông không những mô tả chuyển động của các hành tinh mà còn đề cập đến nguyên nhân của những chuyển động ấy. Theo mô hình của Kepler, động cơ tiên khởi của chuyển động của các hành tinh là Mặt Trời, nó quay và nhờ "trƣờng lực" của mình khiến cho các hành tinh khác quay theo. Mặt khác các hành tinh còn hút lẫn nhau, lực hút này giống nhƣ từ tính và càng gần nhau thì cƣờng độ càng lớn. Ông cũng đƣa ra giả thuyết về nguyên nhân của thuỷ triều là do lực hấp dẫn của Mặt Trăng. Thiên văn học giờ đây đã chuyển từ những mô hình thuần tuý toán học sang bản chất vật lý mà sau đó Newton đã làm cho hai môn khoa học này gắn bó chặt chẽ với nhau. Với những đóng góp đó, Kepler đƣợc coi là một trong những ngƣời đặt nền móng cho thiên văn học hiện đại. Sống cùng thời và đã có trao đổi thƣ từ với Kepler là một nhà thiên văn học vĩ đại khác - Galileo Galilei. Đƣợc biết về phát minh ra ống nhòm của ngƣời Hà Lan ông đã chế tạo ra kính viễn vọng và cuối năm 1609, bắt đầu quan sát bầu trời bằng dụng cụ này. Ông đã nhìn thấy những mỏm núi trên Mặt Trăng, quan sát các vết đen Mặt Trời, biết rằng Ngân Hà là đƣợc tạo bởi những ngôi sao nhỏ li ti, phát hiện ra bốn vệ tinh (Galileo gọi chúng là hành tinh và sau đó Kepler mới đề nghị dùng từ vệ tinh) của sao Mộc...Ông cũng nhận thấy các pha của sao Kim rất giống với Mặt Trăng và do đó nó phải quay quanh Mặt Trời chứ không phải Trái Đất. Những khám phá của Galileo đã chứng minh cho học thuyết của Copernicus. 8
Một nhà triết học và vũ trụ học ngƣời Ý khác là Giordano Bruno đã tán thành và phát triển học thuyết của Copernicus về vũ trụ. Ông cho rằng không chỉ Trái Đất mà cả Mặt Trời cũng tự quay quanh trục của nó và còn có nhiều hành tinh quay quanh Mặt Trời mà con ngƣời chƣa biết tới. Trong vũ trụ có vô số những ngôi sao tƣơng tự Mặt Trời cũng nhƣ những thế giới khác giống nhƣ Trái Đất. Vì những quan điểm này mà Bruno đã bị toà án giáo hội thiêu trên giàn lửa. 1.5. Thế kỉ XVII-XVIII Thời cận đại đánh dấu bƣớc chuyển của thiên văn học sang những nhận thức khoa học và hiện đại về vũ trụ, thiên văn học và vật lý học trở nên thống nhất với sự ra đời của môn cơ học thiên thể. Isaac Newton, nhà khoa học vĩ đại đã có những đóng góp to lớn trong sự phát triển của thiên văn học thời kỳ này. Ông đã chế tạo chiếc kính thiên văn phản xạ đầu tiên, phân tích ánh sáng thành một chuỗi các vạch quang phổ, đặt nền móng cho quang phổ học, một phƣơng pháp quan trọng để nghiên cứu các thiên thể. Tuy nhiên thành tựu quan trọng nhất của ông trong thiên văn học là ba định luật của động lực học và định luật vạn vật hấp dẫn đƣợc trình bày trong phần thứ ba (thiên văn học) của tác phẩm Những nguyên lý toán học của triết học tự nhiên (tiếng Latin: Philosophiae Naturalis Principia Mathematica). Với quan niệm rằng chuyển động của các thiên thể cũng tuân theo các quy luật nhƣ chuyển động của các vật thể khác trên mặt đất. Newton đã hợp nhất các định luật của Kepler và cơ học của Galileo tạo bƣớc ngoặt cho sự phát triển của môn cơ học thiên thể. Những ngƣời kế tục Newton đã tiếp tục chứng minh tính đúng đắn của định luật vạn vật hấp dẫn cũng nhƣ phát triển môn cơ học thiên thể. Edmund Halley đã phát hiện ra gia tốc thế kỷ của Mặt Trăng mà sau này Euler, Lagrange và Laplace đã giải thích nó bằng lý thuyết vạn vật hấp dẫn. Ông 9
cũng tới đảo St. Helena và lập bản đồ với 341 ngôi sao ở thiên cầu Nam (không nhìn thấy đƣợc ở châu Âu) và cũng trong khi ở đây, ông đo đƣợc sự khác biệt về độ dài của giây do con lắc dao động tạo ra khi ở những vĩ độ khác nhau do lực hấp dẫn khác nhau (bởi khoảng cách đến tâm Trái Đất thay đổi) mà Newton đã chỉ ra. Halley cũng tạo ra bƣớc ngoặt trong quan niệm về sao chổi. Trƣớc đó sao chổi đƣợc cho là có quỹ đạo parabol và sẽ vĩnh viễn đi vào vũ trụ bao la sau khi đi ngang qua Trái Đất. Trong lĩnh vực quan trắc, giai đoạn này cũng có những thành tựu nổi bật. Giovanni Cassini, giám đốc Đài thiên văn Paris đã khám phá ra 4 vệ tinh của sao Thổ là Iapetus (1671), Rhea (1672), Tethys (1684), Dione (1684) và khoảng tối giữa vành đai của hành tinh này (gọi là vạch chia Cassini). Bằng phƣơng pháp quan sát sao Hoả ở hai điểm Cayenne và Paris rồi từ hiệu toạ độ giữa chúng, ông đã xác định đƣợc khoảng cách tƣơng đối chính xác từ Trái Đất đến Mặt Trời (đơn vị thiên văn). Ở Nga, Mikhail Lomonosov tìm ra khí quyển của sao Kim còn ở Anh, James Bradley phát hiện hiện tƣợng tinh sai do chuyển động của Trái Đất và tính hữu hạn của vận tốc ánh sáng; hiện tƣợng chƣơng động (sự lắc của trục Trái Đất với chu kỳ 18,6 năm đồng bộ với hiện tƣợng quay đảo của quỹ đạo Mặt Trăng). Nhà quan trắc xuất sắc và tiên phong trong giai đoạn này là Friedrich Wilhelm (William) Herschel với những chiếc kính thiên văn phản xạ khổng lồ của mình. Trong 20 năm quan sát, ông đã phát hiện đƣợc khoảng 2500 tinh vân và sao chùm đồng thời đƣa ra mô hình các tinh vân dạng Ngân Hà. Herschel đã tìm ra một hành tinh mới trong hệ Mặt Trời - sao Thiên Vƣơng (1781) mà thoạt đầu ông nghĩ đó là sao chổi rồi 2 vệ tinh của nó là Titania và Oberon, phát hiện 2 vệ tinh thứ sáu và thứ bảy của sao Thổ (Enceladus, Mimas) năm 1789. Herschel còn chỉ ra rằng hệ Mặt Trời cũng chuyển động giữa các ngôi sao gần đó và điểm hƣớng trong chuyển động của nó (điểm Apex) là sao Lambda Herculis trong chòm Vũ 10
Tiên. Nhà thiên văn này cũng là ngƣời phát hiện ra tia hồng ngoại khi nhận thấy nhiệt kế để ở ngoài phạm vi phổ nhìn thấy đƣợc của ánh sáng Mặt Trời về phía màu đỏ cũng nóng lên. Về sự hình thành của vũ trụ và Hệ Mặt Trời, vào đầu thế kỷ 18, giả thuyết tinh vân do Emanuel Swedenborg đề xuất cho rằng mọi cơ cấu trong tự nhiên đều đƣợc tạo thành theo những nguyên lý nhƣ nhau. Các nguyên tử cũng nhƣ những ngôi sao đều đƣợc tạo ra bởi luồng xoáy cố hữu của vật chất. Nguyên tử là một cơ cấu phức tạp của các hạt tƣơng tự nhƣ Hệ Mặt Trời. Tuy nhiên ông không công nhận lực hấp dẫn của Newton mà cho rằng các ngôi sao, hành tinh đƣợc từ lực giữ. Nhà triết học nổi tiếng Immanuel Kant đã tiếp tục phát triển giả thuyết này nhƣng theo thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton, chính lực hấp dẫn đã làm cho vật chất ở trạng thái loãng lúc ban đầu chuyển động xoáy. Dần dần, lực hoá học đã tạo ra đƣợc sự cô đặc ban đầu của vật chất nguyên thuỷ và dƣới tác dụng của lực hấp dẫn, khối lƣợng cô đặc ở tâm tăng lên. Tinh vân chuyển động xoáy ngày càng đặc và phần trung tâm hình thành nên Mặt Trời còn vành khuyên tạo thành các hành tinh. Độc lập với Kant, Laplace cũng có một số ý tƣởng trùng hợp trong tác phẩm Trình bày hệ thống thế giới. 1.6. Thế kỉ XIX Thế kỷ 19 đánh dấu sự hình thành và phát triển của môn vật lý thiên văn, một nhánh quan trọng của thiên văn học. Lúc này, con ngƣời hƣớng vào cấu tạo và sự tiến hoá của các thiên thể, bản chất vật lý của các quá trình diễn ra trong vũ trụ. Năm 1802, William Hyde Wollaston phát hiện ra những vạch sẫm rất mảnh cắt ngang phổ của ánh sáng mặt trời. Sau đó 12 năm, Joseph von Fraunhofer đã giải thích đƣợc nguyên nhân của những vạch tối đó là do các chất khí của Mặt Trời đã hấp thụ ánh sáng. Ứng dụng hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng, ông đã đo đƣợc bƣớc 11
sóng của những vạch quan sát đƣợc và tên ông đƣợc đặt cho những vạch hấp thụ này. Giữa thế kỷ 19, các nhà khoa học đã nghiên cứu kỹ về phổ của các chất khí nóng sáng. Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen đã so sánh bƣớc sóng của những vạch Frauhofer và phát hiện ra natri, sắt, magiê, calcium, crom và những kim loại khác trên Mặt Trời. Trong những thí nghiệm này, họ cũng phát hiện ra hai nguyên tố mới là caesium và rubidium. Năm 1862, Anders Angstrom phát hiện hydro trên Mặt Trời và năm 1869 lập bản đồ phổ Mặt Trời với hàng ngàn vạch. Năm 1868, Pierre Janssen khi quan sát nhật thực toàn phần đã để ý thấy một vạch màu vàng sáng trong phổ Mặt Trời gần những vạch kép của natri và sau đó ít lâu, Norman Lockyer đã khẳng định đó là một nguyên tố mới - helium mà mãi đến năm 1895 mới tìm ra trên Trái Đất. Những kết quả nghiên cứu phổ Mặt Trời đã kích thích sự chuyển hƣớng sang các ngôi sao và hành tinh khác. Angelo Secchi đã nghiên cứu phổ của khoảng 4000 ngôi sao và đƣợc coi là cha đẻ của hệ thống phân loại phổ sao. Một ngƣời Ý khác, Giovanni Donati là ngƣời đầu tiên thu đƣợc phổ sao chổi và nhận dạng, phân loại các vạch quan sát đƣợc trong phổ đó. William Huggins xác lập sự tƣơng đồng giữa phổ Mặt Trời với nhiều ngôi sao và lần đầu tiên thu đƣợc phổ của các tinh vân khí gồm những vạch phát xạ riêng biệt. Năm 1890, Đài thiên văn Havard đã xuất bản danh mục phổ sao gồm 10.350 sao đến cấp 8, bản danh mục này sau đó thƣờng xuyên đƣợc bổ sung. Chụp ảnh đƣợc Joseph Nicéphore Niépce phát minh năm 1826, và sau đó ông cùng với Louis Daguerre hoàn thiện phƣơng pháp này. Năm 1839, Daguerre tìm ra cách thu nhận ảnh trên tấm kim loại phủ Iodua Bạc rồi cho hiện hình bằng hơi thuỷ ngân. Phƣơng pháp này đƣợc mang tên ông và sau đó, Louis Arago, giám đốc Đài thiên văn Paris đã ngay lập tức đánh giá cao những ứng dụng trong tƣơng lai của nó. Năm 1851, Frederick Scott Archer đã 12
đƣa ra phƣơng pháp keo ƣớt, nhờ đó ảnh rõ nét hơn và có thể nhân bản. Chụp ảnh tạo ra một công cụ hữu hiệu cho quan sát thiên văn mà ngƣời đi tiên phong trong chụp ảnh thiên văn là John William Draper với bức ảnh chụp Mặt Trăng năm 1840. Warren de la Rue đã chụp đƣợc rất nhiều ảnh Mặt Trời, rồi cũng chính Draper chụp đƣợc phổ của sao Alpha năm 1872, chụp tinh vân năm 1880. 1.7. Thế kỉ XX đến nay Thiên văn học hiện đại có một bƣớc ngoặt hết sức quan trọng cùng với vật lí, vào những năm đầu tiên của thế kỉ 20, vật lí thế giới bƣớc sang một trang mới, thay đổi một phần lớn nhận thức của nhan loại nhờ 2 lí thuyết vật lí mà đến ngày nay vẫn là 2 mũi nhọn của vật lí hiện đại: thuyết tự do Planck đề xƣớng năm 1900 và thuyết tƣơng đối đƣa ra bởi Einstein (thuyết tƣơng đối hẹp năm 1905 và thuyết tƣơng đối rộng năm 1915). Hai thuyết này đã góp phần quan trọng nhất vào tất cả các khám phá của nhân loại về vũ trụ, không gian và thời gian trong thế kỉ 20 và cả những năm đầu tiên của thế kỉ 21. - Năm 1900, Chaberlin và Moulton đề xuất giả thuyết va chạm về sự hình thành hệ Mặt Trời, theo đó các hành tinh đƣợc hình thành do sự va chạm của Mặt Trời sơ khai với một ngôi sao khác. Cũng năm này, Max Planck nêu ra lí thuyết về sự lƣợng tử hóa năng lƣợng. - Năm 1905, Albert Einstein nêu ra thuyết tƣơng đối hẹp với 2 nội dung chính là mọi định luật vật lí nhƣ nhau với ngƣời quan sát ở các hệ quy chiếu quán tính có vận tốc bất kì và vận tốc ánh sáng là vận tốc lớn nhất và là vận tốc tuyệt đối có giá trị nhƣ nhau đối với mọi hệ quy chiếu có vận tốc bất kì. - Năm 1911-1914, Hertzsprung và Russel cùng khám phá ra mối liên quan giữa các vạch quang phổ của các ngôi sao và cấp sao của chúng , mối liên quan này đƣợc biểu diễn trên biểu đồ Hertzsprung – Russel (biểu đồ H- 13