Vài nét về ngôi sao Mặt trời
Mặt trời là một ngôi sao có khối lượng và kích thước thuộc loại trung bình so với các sao khác trong thiên hà. Nó nằm cách Milk Way 1.400 năm ánh sáng và cách trung tâm của nó khoảng 26.000 năm ánh sáng, thuộc một nhánh của thiên hà xoắn Milky Way.
Theo biểu đồ quang phổ phân loại sao, Mặt trời thuộc nhóm G2V, là một sao thuộc dãy sao lùn vàng. Mặt trời có khối lượng gấp 33.000 lần Trái đất, còn đường kính gấp 109 lần (có nghĩa là có thể đặt hơn 1 triệu khối cầu như Trái đất vào bên trong Mặt trời).
Mặt trời nằm ở trung tâm Hệ Mặt trời, cách Trái đất khoảng 150 triệu km, tương ứng với 8 phút ánh sáng. Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời vào khoảng 6.000K, tại các vết đen thì có nhiệt độ khoảng 4.800 – 5.000K. Nhiệt độ tại tâm của Mặt trời là khoảng 15.000.000K, nhiệt độ này có được do phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tiếp trong nhân Mặt trời. Chính phản ứng này cung cấp năng lượng cho Mặt trời tỏa sáng.
Hình thành, tỏa sáng và tiến hóa
Hệ Mặt trời ra đời từ một đám khí bụi khổng lồ (tinh vân tiền sao). Cùng với thời gian, đám khí này ngày càng gia tăng khối lượng do sự gia nhập của vật chất bên ngoài. Khối lượng càng lớn, đám khí bụi càng co lại do hấp dẫn bản thân làm mật độ lớn dần. Lực hướng tâm khiến cho toàn bộ khối khí bụi tự quay quanh tâm chung ngày càng nhanh.
Sự co lại tiếp tục làm xuất hiện tại tâm khối khí một khối vật chất có mật độ lớn, đó chính là Mặt trời nguyên thủy. Khối khí bụi tiếp tục quay làm bứt ra nhiều đám khí bụi tiếp tục quay quanh tâm chung dưới dạng những vành vật chất. Trong mỗi vành vật chất hấp dẫn lại đóng vai trò làm khí và bụi tập hợp lại với nhau tạo thành các hành tinh, rồi đến các vệ tinh chuyển động quanh các hành tinh.
Ở Mặt trời, lượng vật chất tham gia tạo thành quá lớn, điều đó đồng nghĩa khối lượng lớp và lực hấp dẫn hướng vào tâm khối khí cũng lớn. Độ lớn của lực này làm gia tốc các hạt vật chất (chủ yếu là các nguyên tử hydro) lên vận tốc rất cao. Ở vận tốc rất cao, lực va chạm giữ các nguyên tử phá vỡ lớp vỏ electron của chúng.
Khối khí lúc này gồm các electron và các proton (hạt nhân hydro) chuyển động hỗn độn, đây là một trạng thái của vật chất mà chúng ta gọi là Plasma. Ở trạng thái này, các hạt nhân hydro có cơ hội va chạm trực tiếp với nhau. Ở vận tốc rất cao, va chạm giữa các hạt nhân này làm kết hợp chúng với nhau từ hydro thành hydro nặng và cuối cùng là hạt nhân heli.
Đây là phản ứng nhiệt hạch mà chúng ta biết tới trên Trái đất ở bom khinh khí (H bomb, một quả bom H cùng khối lượng giải phóng ra năng lượng lớp gấp hàng trăm hoặc hàng nghìn lần bom nguyên tử). Năng lượng giải phóng ra từ phản ứng này sinh ra bức xạ ở rất nhiều bước sóng, trong đó có bức xạ ánh sáng, chính là ánh sáng Mặt trời hàng ngày thắp sáng bầu trời của chúng ta.
Tiến hóa
Quá trình tiến hóa của Mặt trời tuân theo quy luật chung của vòng đời một ngôi sao. Sau khi lượng hydro phản ứng gần hết (với sao như Mặt trời là khoảng 10 tỷ năm và nó đã đi được nửa quãng đường đó) thì các phản ứng nhiệt hạch sinh ra yếu dần không còn đủ sức chống lại lực hấp dẫn hướng tâm. Các lớp trong của Mặt trời khi đó sẽ co lại do hấp dẫn.
Quá trình co lại làm giải phóng một phần khí ra phía ngoài cùng với năng lượng tiếp tục sinh ra do các hạt nhân heli tiếp tục phản ứng để tạo thành các hạt nhân nặng hơn nên lớp vỏ ngoài bị thổi căng lên. Đây là giai đoạn sao khổng lồ đỏ, vỏ ngoài nguội dần nhưng nở rộng rất nhanh, nó sẽ nghiền nát các hành tinh ở gần gồm sao Thủy, sao Kim, Trái đất và thậm chí cả sao Hỏa.
Năng lượng giải phóng từ quá trình co lại của lõi trong phá vỡ lớp vỏ sao khổng lồ đỏ phía ngoài. Vụ nổ này ném các tàn dư của nó ra không gian xung quanh, chỉ còn lại một đám khí lớn dạng cầu bao quanh ngôi sao gọi là tinh vân hành tinh.
Phần trong của Mặt trời tiếp tục co lại, các phản ứng tạo ra một số hạt nhân nặng hơn cho tới khi các lực liên kết hạt nhân chống lại được lực hấp dẫn không cho nó co lại thêm nữa. Các phản ứng chậm dần và ngôi sao nguội đi, Mặt trời lúc này trở thành sao lùn trắng - một thiên thể phát ra ánh sáng rất mờ nhạt do những phản ứng cuối cùng.
Cấu tạo
Mặt trời như một cỗ máy phát nhiệt có cấu tạo phức tạp, gồm nhiều lớp. Lớp trong cùng là lõi (core) của ngôi sao. Nó là một khối có mật độ rất đặc trải rộng từ tâm ngôi sao ra một khoảng chiếm 25% bán kính của Mặt trời. Nhiệt độ của lõi Mặt trời là hơn 15.000.000K, nóng hơn rất nhiều so với bề mặt chỉ khoảng 6.000K.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân giải phóng ra năng lượng chống lại hấp dẫn và làm ngôi sao tỏa sáng được thực hiện tại phần lõi này. Mật độ cao và lực hấp dẫn hướng tâm từ các lớp phải ngoài làm sinh ra phản ứng tổng hợp các proton mà chúng ta thường gọi là phản ứng nhiệt hạch. Phía ngoài lõi sao là vùng bức xạ (radiative zone) - khu vực chiếm thể tích lớn nhất, nó trải dài từ biên giới của lõi ra đến 70% bán kính Mặt trời (tính từ tâm).
Vùng này có mật độ thấp hơn nhiều so với lõi, nhưng đủ đặc để truyền các bức xạ sinh ra từ các phản ứng nhiệt hạch và làm chúng nguội đi đáng kể trước khi ra ngoài. Nhiệt độ của vùng bức xạ này giảm nhanh từ trong ra ngoài, từ 7.000.000 giảm xuống còn 2.000.000K.
Vùng đối lưu (convective zone) nằm kế tiếp vùng bức xạ và trải rộng ra cho tới sát bề mặt của Mặt trời. Tại đây, nhiệt độ và mật độ đều thấp hơn nhiều so với vùng bức xạ, cho phép tạo nên các dòng đối lưu vận chuyển nhiệt và bức xạ ra bề mặt của Mặt trời.
Các dòng đối lưu mang các nguyên tử khí nóng lên bề mặt và làm chúng nguội dần. Khi lên tới nơi và đã nguội xuống, nhiệt độ chỉ còn gần 6.000K, chúng lại chìm xuống dưới theo dòng chuyển dịch và lại được làm nóng khi tới gần vùng bức xạ.
Lớp bề mặt của Mặt trời, chính là phần vỏ sáng mà chúng ta có thể nhìn thấy từ Trái đất gọi là quang cầu (photosphere). Đây là vùng nguội nhất trên Mặt trời với nhiệt độ khoảng 5.800 – 6.000K. Độ dày của nó dao động từ vài chục tới vài trăm km, tức mỏng hơn khí quyển Trái đất. Phía trên quang cầu là lớp khí quyển thấp nhất bao quanh bề mặt Mặt trời, dày khoảng 500km với nhiệt độ chỉ khoảng hơn 4.000K.
Đây là vùng nguội nhất Mặt trời. Lớp ngay phía ngoài của nó là một lớp khí nóng dày gọi là sắc cầu (chromosphere) dày khoảng 2.000 km. Phía trên sắc cầu là nhật hoa (corona), hay còn gọi là hào quang của Mặt trời.
Nó ngăn cách với sắc cầu bởi một lớp trung gian mỏng, nơi khí bị ion hóa mạnh và nhiệt độ tăng lên rất cao. Nhiệt độ của nhật hoa có thể lên tới hơn 1 triệu K. Tuy nhiên, nhật hoa phát ra bức xạ ở dải sóng biểu kiến khá yếu so với quang cầu nên thường không được quan sát thấy bằng mắt thường từ Trái đất.
Người ta chỉ nhận thấy sự có mặt của nhật hoa khi xảy ra nhật thực toàn phần do khi đó phần sáng nhất của Mặt trời là quang cầu đã bị che khuất. Nhật hoa cũng là nơi phát sinh ra gió Mặt trời ném các hạt mang điện vào không gian.
