Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Mặt trời - Tìm hiểu và quan sát qua kính thiên văn Takahashi

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:142

Thêm vào BST

Báo xấu

119
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Mặt trời - Tìm hiểu và quan sát qua kính thiên văn Takahashi bao gồm những nội dung về các sao; mặt trời; quan sát mặt trời;... Luận văn hữu ích với các bạn chuyên ngành Vật lý và những bạn quan tâm tới lĩnh vực này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Mặt trời - Tìm hiểu và quan sát qua kính thiên văn Takahashi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA VẬT LÝ @& ? LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Niên khóa: 2005 – 2010 ĐỀ TÀI: MẶT TRỜI: TÌM HIỂU VÀ QUAN SÁT QUA KÍNH THIÊN VĂN TAKAHASHI GVHD: Thầy CAO ANH TUẤN SVTH: LÊ THỊ THU HUỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 2010
Lôøi caûm ôn “Không thầy đố mày làm nên” Đó là một đạo lý làm người rất hay của con người Việt Nam, nó sẽ tồn tại và sống mãi với thời gian. Nó luôn nhắc nhở em rằng, tương lai ngày hôm nay em có được là do Thầy Cô đã ban tặng cho em, bên cạnh sự hy sinh, đùm bọc, dưỡng dục to lớn của Cha và Mẹ. Thầy, Cô là những người đã dạy dỗ, bồi dưỡng nhân cách làm người và truyền thụ kiến thức để em vững bước vào tương lai và cũng là nguồn động lực để em có thể tiếp tục con đường sự nghiệp trồng người của mình trong tương lai. Luận văn tốt nghiệp là một trong những hình thức nghiên cứu khoa học phổ biến nhất hiện nay đối với sinh viên trong các trường đại học để tổng kết và đánh giá quá trình học tập, rèn luyện và tu dưỡng đạo đức của mỗi sinh viên. Được Ban Chủ Nhiệm Khoa Vật Lý tạo điều kiện tiếp cận với các phương pháp này thật sự là một cơ hội lớn và quý báo đối với em. Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa Vật Lý Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM đã tạo điều kiện cho em học tập. Một lần nữa cho em được nói lời cảm ơn đến quý Thầy Cô đã luôn tận tình dạy dỗ và giúp đỡ em từ những bước đi đầu tiên đến khi khôn lớn như ngày hôm nay. Em xin gửi lời cảm ơn đến tất cả quý Thầy, Cô Trường Đại Học Sư Phạm TP.HCM đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt khóa học vì nếu không có Thầy, Cô chắc chắn rằng em đã không thể hoàn thành luận văn một cách hoàn chỉnh. Em xin chân thành gửi lời cám ơn đến Thầy CAO ANH TUẤN – người đã tận tình cung cấp kiến thức, giúp đỡ tìm kiếm tài liệu, luôn luôn hướng dẫn và động viên em suốt quá trình thực hiện đề tài này.
Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy NGUYỄN THANH TÚ – đã động viên, giúp đỡ và cung cấp cho em một số tài liệu liên quan cần thiết đến đề tài. Đặc biệt con xin cám ơn Ba, Mẹ. Ba, Mẹ đã dành tất cả những gì tốt đẹp nhất cho con. Cảm ơn bạn NGUYỄN HÂN và NGUYỄN THỊ THÚY DIỄM đã giúp đỡ mình trong việc tìm kiếm tài liệu, và tất cả bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình mình hoàn thành luận văn. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến hội đồng khoa học đã xét duyệt luận văn. Em xin chúc sức khỏe quý Thầy Cô nhà trường. Thành phố HCM, ngày27 tháng 04 năm 2010 Sinh viên thực hiện LÊ THỊ THU HUỆ
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 1
mà em đã đến với ngành sư phạm Vật lý, mong rằng mình có thể đem lại thật nhiều, thật nhiều điều thú vị cho học sinh. Sự phát triển của khoa học, kỹ thuật và công nghệ không chờ đợi một ai, nó mở ra một kỷ nguyên mới cho loài người. Vật lý học cũng phát triển như vũ bảo, thiên văn học cũng tiến lên một bước mới, lĩnh vực “Thiên văn cao không” bước vào giai đoạn phát triển rực rỡ, nhiệm vụ của nó là nghiên cứu tất cả các hiện tượng trên trên bầu trời đi từ thế giới vi mô đến siêu vĩ mô và giải quyết tất cả các vấn đề bí ẩn của thiên văn Vật lý, nó trở thành một trong những ngành mũi nhọn của khoa học hiện đại. Tuy nhiên đây là một môn học còn mới đối với nước ta, vì nó đòi hỏi phải có sự quan sát thực tế, với trang thiết bị dụng cụ thiên văn hiện đại… mà nước ta thì không đủ điều kiện để phát triển rộng rải. Chính vì vậy, môn học này chưa thể đưa vào chương trình phổ thông, nó chỉ được đưa vào một số trường đại học sư phạm nhằm giúp giáo viên nghiên cứu khoa học và giảng dạy cho sinh viên, tuy nhiên chỉ ở mức độ bắt đầu với thời lượng rất ít ỏi, tài liệu sách vở lại nghèo nàn. Năm IV đại học khi đến với môn học này em lại có thêm cơ hội để tìm hiểu về thế giới huyền bí nhưng nó rất gần gũi với chúng ta: Nguyên nhân nào để Mặt trời chiếu sáng? Sự vận động vật chất bên trong Mặt trời ra sao? Sự hình thành, phát triển và cái chết của Ngôi sao diễn ra như thế nào? Lý thuyết về Vũ trụ hiện đại là gì?….. Chính vì điều đó, khi được làm luận văn em quyết định chọn đề tài nghiên cứu về THIÊN VĂN HỌC nhằm có cơ hội tìm hiểu và khám phá sâu hơn, nhiều hơn chủ đề mà mình yêu thích. Đồng thời qua đó góp một phần lý thuyết đã tổng hợp và nghiên cứu cho những ai thích thú và đam mê về chủ đề này. Nhưng chỉ trong một khoảng thời gian rất ngắn em không thể tìm hiểu, giới thiệu, tổng kết và quan sát hết tất cả những điều huyền bí của bầu trời được cho nên sự lựa chọn cuối cùng của em là chỉ nghiên cứu một phần nhỏ trong thế giới huyền bí đó, Ngôi sao gần chúng ta nhất luôn luôn chiếu sáng: “Mặt trời” với đề tài MẶT TRỜI: TÌM HIỂU VÀ QUAN SÁT QUA KÍNH THIÊN TAKAHASHI như một cơ hội để mình học tập và nghiên cứu. 2
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 thời gian khác nhau, lưu lại hình ảnh đã quan sát để kiểm chứng lý thuyết và so sánh với kết quả đã tìm được từ trước. Lấy và đo các giá trị quang học khi cho Mặt trời qua hệ thấu kính của kính thiên văn TAKAHASHI. 3
Sử dụng phương pháp giải toán Vật lý để xử lý số liệu vừa thu được từ thực nghiệm từ đó tính lại kích thước của bán kính Mặt trời. Kết quả đạt được • Lí luận: Qua việc tìm kiếm, đọc, tổng hợp kiến thức từ nhiều nguồn tại liệu khác nhau sau đó trình bày thành nội dung của luận văn này trong luận văn đã đề cập đến những vấn đề sau: Trình bày những đặc tính cũng như những đặc điểm chung của tất cả các vì sao trên bầu trời. + Cấu tạo chung của các Ngôi sao. + Các đại lượng đặc trưng cho một Ngôi sao như: Cấp sao, độ trưng, màu sắc và nhiệt độ. + Cuộc đời của Ngôi sao: Quá trình được sinh ra, phát triển rồi già đi, sau đó là cái chết của nó. Từ khi mới sinh ra cho đến khi chết đi nó nó trải qua một chặng đường dài với nhiều biến đổi, thời gian của chặng đường đó thì phụ thuộc vào khối lượng của chúng. Sau đó là tìm hiểu chi tiết về Ngôi sao đã mang đến sự sống cho toàn nhân loại và gần loài người chúng ta nhất đó là Mặt trời: + Các loại quỹ đạo chuyển động của Mặt trời. + Sự tiến hóa của Mặt trời, cấu trúc của nó cũng như những ảnh hưởng do nó gây ra đối với Trái đất của chúng ta. + 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. 4
• 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. 5
Chương 1- Các sao 1.1. Ngôi sao là gì. Từ xưa rất xưa, khi loài khủng long đang còn ngự trị, rồi đến thời kỳ kim tự tháp của Ai Cập bắt đầu xây dựng thì các vì sao đã mọc trên bầu trời. Ban đầu chúng là vật chỉ đường cho các nhà hàng hải Phênixi và các tàu buồm của Coulomb, các Ngôi sao này cứ nằm im trên bầu trời để nhìn ngắm con người, những cuộc chiến tranh kéo dài hàng thế kỷ, ngắm vụ nổ bom nguyên tử ở Hiroshima và Nagasaki tại Nhật bản do tổng thống Harru S Truman của Hoa kỳ chỉ định trong cuộc chiến tranh thế giới thứ hai. Vì vậy có rất nhiều quan điểm và cách nhìn nhận về Ngôi sao, một quan điểm thể hiện quan niệm sống, một lượng tri thức mà loài người chiếm lỉnh được vào thời điểm đó. Có một số người nhìn nhận Ngôi sao bằng ánh mắt thần linh, đôi khi họ còn gắn với các vị thần; có người lại xem nó như những chiếc đinh bạc, đẹp và quý hiếm được gắn trên bầu trời đêm; có người lại cho rằng đó là những lỗ thủng để ánh trời lọt qua và truyền đến chúng ta. Chính vì vậy mà ở thời này các Ngôi sao được coi là vừa mang tính bất biến vừa mang tính bất khả tri (không nhận biết được). Cho nên, người Ai Cập cổ đại cho rằng khi con người đoán ra được bí ẩn của các Ngôi sao thì sẽ đến ngày tận thế, còn một số dân tộc khác cho rằng đời sống trên Trái đất sẽ chấm dứt ngay khi chòm sao Chó săn đuổi kịp Gấu lớn. Như vậy theo họ bên cạnh mọi sự việc luôn luôn đổi thay thì vẫn còn một thứ là bất biến với thời gian, chính là các Ngôi sao và họ nghĩ rằng những biến đổi của Ngôi sao thì luôn gắn liền với một sự kiện nào đó sẽ xảy ra trong Vũ trụ. + Theo kinh thánh cho rằng: Một Ngôi sao bừng sáng là dấu hiệu cho sự ra đời của chúa Giêxu, còn một Ngôi sao khác xuất hiện sẽ là dấu hiệu cho ngày tận thế đã đến. 6
+ 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 =30.109 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 gì?” mới được mới hiện lên đầy đủ trước mắt các nhà khoa học. Nhưng ban đầu câu trả lời này chỉ để trả lời cho Ngôi sao ở gần chúng ta nhất đó là Mặt trời. Mặc dù ngành thiên văn đã bắt đầu hình thành và phát triển nhưng những quan niệm cũ vốn đã ăn sâu vào trong mỗi con người nên không dễ dàng xóa bỏ triệt để các quan niện đó trong một lúc được. Chính vì vậy mà người Hy Lạp cổ đại đã gắn Mặt trời với 7
ngọn lửa vĩnh cửu. Dẫn đến những sai lầm khi giải thích nguồn năng lượng của Mặt trời lấy từ đâu ra? + Cuối thế kỷ XIX người ta vẫn còn cho rằng bên ngoài Mặt trời thì nóng còn bên trong Mặt trời thì lạnh thỉnh thoảng nó được hiện qua các vết đen của Mặt trời. Với quan niệm này người ta đã đặt ra giả thuyết về nguồn gốc năng lượng Mặt trời là do các thiên thạch và sao chổi liên tiếp rơi xuống Mặt trời. + Sau đó người ta đưa ra giả thuyết Mặt trời là những ngọn lửa cháy được và phát ra năng lượng nhờ vào các phản ứng hóa học. Nhưng giả thuyết này cũng không tồn tại được lâu vì theo số liệu của các nhà địa chất cho biết Trái đất đã hình thành lâu hơn nhiều so với thời gian phát ra năng lượng của Mặt trời. + Vào năm 1953 nhà thiên văn người Đức H. L. F. von Helmholtz cũng đã đưa ra một giả thuyết mới ông cho rằng: Nguồn năng lượng của Mặt trời và các Ngôi sao khác có được là do sự co lại của chúng. Tuy nhiên, mặc dù nguồn năng lượng này có lớn hơn nhưng vẫn chưa đủ để cho Mặt trời hoạt trong mấy tỉ năm. Sự bế tắc trên đòi hỏi phải giải quyết, một nhiệm vụ mới được đặt ra cho ngành khoa học. Cho đến đầu thế kỷ XX từ công trình nghiên cứu của nhà thiên văn người Anh Athơ Eđinhtơn người ta mới xây dựng được hoàn chỉnh câu trả lời Ngôi sao là gì? Ngôi sao là một quả cầu lửa nóng rực chứa trong lòng chúng nguồn năng lượng khổng lồ có được từ sự tổng hợp hạt nhân Hydro bằng phản ứng nhiệt hạch, ngoài ra chúng còn tổng hợp nên cả các nguyên tố hóa học nặng hơn. Với một Ngôi sao 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 8
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). Nồng độ vật chất bên trong sao rất đặc nó đặc hơn bất kỳ vật rắn nào tồn tại trên Trái đất. Điều này được giải thích như sau: Với nhiệt độ ước lượng trong lòng các Ngôi sao là từ khoảng 107K – 3.107K thì mọi nguyên tử của các nguyên tố hóa học ở đây đều bị mất lớp vỏ electron bên ngoài của mình trở thành các hạt nhân nguyên tử và các electron riêng biệt. Tiết diện của các hạt này rất nhỏ, nhỏ hơn hàng vạn lần so với các loại hạt khác nên trong cùng một thể tích giả sử một chất nào đó chứa được hàng chục nguyên tử thì Ngôi sao lại chứa được hàng tỉ hạt nhân nguyên tử và các electron riêng biệt này, chính vì vậy mà vật chất bên trong sao rất đặc (mật độ vật chất ở tâm Mặt trời lớn gấp 100 lần so với mật độ nước). Nhưng nó vẫn mang đầy đủ tính chất của một chất khí lý tưởng. Chất khí được tạo thành từ 9
các nguyên tử Hydro, Heli, Natri và Sắt các nguyên tử này có khối lượng luôn luôn không đổi cho nên nếu nồng độ các hạt trong mỗi nguyên tử càng lớn thì khối lượng trung bình của nó sẽ càng nhỏ dẫn đến nhiệt độ của khối khí đó càng thấp. Khi bị ion hóa phân tử Hydro có lớp vỏ electron ở ngoài cùng bị tách ra khỏi hạt nhân nó trở thành 2 hạt: Một là hạt nhân nguyên tử, một là electron riêng biệt cho nên khối lượng trung bình của phân tử Hydro khi bị ion hóa sẽ bằng ½ , tương tự như vậy khối lượng trung bình của Heli bằng 4/3 (2 electron và một nguyên tử hạt nhân), của Natri bằng 23/12 (11 electron và 1 nguyên tử hạt nhân), của Sắt bằng 56/27 (26 electron và 1 nguyên tử hạt nhân), như vậy nếu một Ngôi sao chứa khí Hydro và Heli thì nhiệt độ của nó sẽ thấp hơn Ngôi sao chứa khí Natri và Sắt cho nên người ta ước tính rằng nếu trong Mặt trời chỉ chứa toàn Hydro thì nhiệt độ tại tâm của nó khoảng 10.106K, nếu chứa toàn khí Heli thì nhiệt độ ở tâm của nó sẽ là 26.106K, còn nếu toàn bộ là các khí nặng thì nhiệt độ tại tâm của nó sẽ đạt đến 46.106K. 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. 10
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 ra dễ dàng ta cần biết một số phép trắc quan trong thiên văn trước sau đó lập nên biểu đồ Hecsprung – Rutxen (H – R) về dấu vết tiến hóa của các sao thì sẽ trả lời được vấn đề mà chúng ta đã đặt ra. 1.3.1. Cấp sao nhìn thấy Cấp sao nhìn thấy là thang dùng để đo độ sáng của một thiên thể nhìn thấy trên bầu trời. Ở thang này cấp “0” được quy ước là Ngôi sao sáng trên bầu trời, nó được nhìn thấy từ mặt đất. Thực ra trước kia không phải cấp “0” là cấp nhìn thấy Ngôi sao sáng nhất mà là cấp 1, nhưng về sau người ta thấy rằng chỉ có từ cấp 1 đến cấp 6 là không đủ để biểu diễn độ sáng của các sao vì vậy mà cấp sao “0” và âm xuất hiện, hơn nữa các cấp sao không chỉ mang giá trị nguyên mà còn mang cả giá 11
trị thập phân. Khi sử dụng thang đo này cần chú ý một điều: Đối với các sao càng sáng thì cấp sao càng nhỏ và ngược lại. Cấp sao nhìn thấy được ký hiệu bằng chữ m. Hai sao khác nhau một cấp độ có độ rọi khác nhau 2,512 lần. Còn nếu khác nhau n cấp thì độ rọi khác nhau là (2,512)n lần. Hay ta có biểu thức thể hiện tỷ số độ rọi của hai cấp sao như sau: E1 = (2, 512)m2 − m1 E2 E1 hay: lg = 0, 4 ( m2 − m1 ) (gọi là công thức Pogson). E2 Trong đó: m1 và m2 là cấp sao nhìn thấy ứng với E1 và E2 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 = 3,0857.1013 Km). Cấp sao tuyệt đối được ký hiệu bằng chữ M, nó giúp ta dễ dàng so sánh độ sáng giữa các sao (cấp sao tuyệt đối của Mặt trời bằng 4,8 và nó được lấy làm đơn vị, ký hiệu bằng chữ M0). Nếu như chúng ta biết được cấp sao nhìn thấy và thị sai hằng năm π của một Ngôi sao thì chúng ta có thể tính được cấp sao tuyệt đối của một Ngôi sao đó theo công thức: M = m + 5 + 5lg π . 1.3.3. Độ trưng Là đại lượng đặc trưng cho công suất bức xạ của sao (năng lượng được phát ra bởi Ngôi sao trong một đơn vị thời gian). Nó được xác định bằng công thức: L = 4 π d2E. 12
Nếu lấy độ trưng của Mặt trời làm đơn vị và ký hiệu bằng L0 (L0=3,8.1026W) thì có một số sao có L lớn cỡ 106L0, có sao lại có L nhỏ hơn 10-4L0. 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(M0 – 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 13
1.3.5. Phân loại sao theo quang phổ Hình 1. 3: Quang phổ của Ngôi sao có tên Mặt trời Trên thấu kính thiên văn được lắp một thiết bị quang học đặc biệt gọi là cách tử nhiễu xạ, ánh sáng của Ngôi sao sau khi qua cách tử nhiễu xạ được một máy phân tích phổ phân tích thành một dải phổ cầu vồng. Qua phân tích đặc điểm của dải phổ mới thu được (số vạch, bước sóng của từng vạch, mật độ của các vạch….) chúng ta sẽ có đầy đủ thông tin về bản chất phát xạ năng lượng của các sao: Đánh giá đúng nhiệt độ và màu sắc của Ngôi sao tương ứng với nhiệt độ đó. Với một nguyên tử hóa học có một tập hợp các vạch riêng của quang phổ nên khi dựa vào quang phổ chúng ta cũng có thể xác định được thành phần cấu tạo nên sao (hóa ra cũng gồm các chất đã biết trên Trái đất, mà nhiều nhất là Hydro và He) mặc dù phổ hấp thụ của một nguyên tố hóa học thì không hoàn toàn giống nhau do nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ và mật độ của khí quyển. Như vậy dựa vào nhiệt độ và màu sắc của sao, theo quy ước người ta đã xếp quang phổ các sao thành 8 loại chính và được ký hiệu bằng 8 chữ in hoa trong bảng chữ cái. 14
Bảng 1.1: Đặc trưng cơ bản của sao theo quang phổ Nhiệt độ Loại sao Màu Các vạch quang phổ nổi bật (0C) W 50.000 Lục (xanh biển) Vạch phát xạ He+, He, và N hay C và O Vạch hấp thụ He+, He, H và ion C, Si, O 30.000 Lam (xanh lá) 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 3.000 Đỏ Dải hấp thụ của phân tử TiO. 1.4. Biểu đồ Hecsprung – Rutxen Vào năm 1905 – 1907 trên cơ sở trắc quang các sao sáng của hai quần sao tương đối gần nhau là Pleiades ( Tua Rua) và Hyades (Tất Tú). Nhà thiên văn người Đan Mạch Hertzsprung Ejnar đã phát hiện ra rằng các sao xanh lam trong mỗi quần sao luôn có độ sáng cao nhất còn các sao đỏ thì có thể chia làm hai loại gồm các sao sáng yếu và các sao tương đối sáng. Như vậy nếu để các sao lên trên giản đồ đối chiếu cấp sao và màu sao thì các sao được chia thành các nhóm riêng lẻ (giá trị cấp sao được dùng để so sánh và vẽ giản đồ đối chiếu giữa các sao là vì khoảng cách của các Ngôi sao trong quần sao đến chúng ta là không đổi nên độ sáng biểu kiến của sao cũng không đổi và nó được biểu thị bằng cấp sao). Như vậy ta có một biểu đồ màu – độ trưng thể hiện mối quan hệ giữa màu sao với độ trưng của nó. Nhưng màu sao thì lại phụ thuộc và nhiệt độ của nó, mà nhiệt độ lại liên quan chặt chẽ với hình dạng của quang phổ. Năm 1913, nhà thiên văn người Mỹ Russell Henry đã đối chiếu độ sáng của các sao khác nhau với các loại quang phổ 15
của chúng trên giản đồ phổ - độ trưng, trên giản đồ này ông đặt tất cả các Ngôi sao ở cùng một khoảng cách. Từ đó các giản đồ màu – độ trưng và nhiệt độ - độ trưng tương tự nhau về ý nghĩa nên chúng đều được gọi là giãn đồ Hertzsprung – Russell Hình 1. 4: Biểu đồ Hertzsprung – Russell 1.4.1. Giải thích giản đồ Hertzsprung – Russell. Nếu như chúng ta nhìn lên bầu trời và quan sát vài ngàn Ngôi sao trong 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 2-10.109 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 108 năm) hoặc giai đoạn tuổi già của nó (sao kềnh đỏ - hình thành cách đây khoảng 10.109 năm) thì rất ít bắt gặp khi quan sát chúng trong phạm 16
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 chúng ta chủ yếu là những Ngôi sao ở giải chính, điều đó nhằm giải thích tại sao khi quan sát ở một phạm vi xác định trên bầu trời thì chúng ta luôn bắt gặp các Ngôi sao đang ở giai đoạn chính của nó, như những Ngôi sao ở giải chính. Đối với các Ngôi sao có khối lượng lớn thì tất cả các giai đoạn của cuộc đời chúng đều ngắn hơn. Khi nhìn vào các Ngôi sao ở gần Mặt trời thì việc nhìn thấy các Ngôi sao có khối lượng bé và sống lâu, nhiều hơn các Ngôi sao có khối lượng lớn và sống ngắn như một lẽ đương nhiên. Điều này cũng được giản đồ Hertzsprung – Russell giải quyết phù hợp, khi nhìn vào giản đồ Hertzsprung – Russell ta thấy các Ngôi sao ở gần Mặt trời hầu như đều nằm trên dải chính và ở dưới Mặt trời chính vì vậy mà các Ngôi sao ta nhìn thấy khi quan sát đều có khối lượng nhỏ và có cuộc sống dài. Dựa vào giản đồ Hertzsprung – Russell chúng ta có thể giải thích được hiệu ứng lựa chọn được sử dụng trong thiên văn học, nó rất quan trọng khi các nhà thiên văn phát hiện ra các thiên thể mới. Như trên bầu trời hiện nay các nhà thiên văn đã tìm thấy 20 Ngôi sao sáng nhất, khi họ đem đi so sánh với Mặt trời thì họ thấy rằng các Ngôi sao này sáng hơn rất nhiều so với Mặt trời, chúng cũng lớn hơn Mặt trời 17