MẶT TRỜI

Tiếng Việt: Thanh Tuyền A2K8, Việt Quang A2K7

English: Tống Gia Huy A1K7, Lâm Anh B2K7

[English version below]

1. Khái quát về Mặt trời

Chúng ta sống trên Trái Đất, một quả cầu lơ lửng, lăn tròn. Hằng đêm, bầu trời của chúng ta sáng lên nhờ những đốm sáng nhỏ bé mà chúng ta vẫn gọi là các ngôi sao. Giờ đây chúng ta đều biết rằng mỗi đốm sáng nhỏ bé đó đều là các khối cầu khí khổng lồ có khả năng tự phát sáng và phát nhiệt, đó là cách duy nhất để ánh sáng của chúng đến được với chúng ta. Trong số hàng tỷ tỷ ngôi sao đó, chỉ có một ngôi sao duy nhất đã mang lại cho chúng ta sự sống, một ngôi sao không bao giờ xuất hiện vào ban đêm bởi vì bản thân sự hiện diện của nó đã đồng nghĩa với ánh sáng ban ngày. Có lẽ chúng ta chẳng bao giờ gọi nó là một ngôi sao bởi vì nó đã có một tên gọi khác: Mặt trời.

2. Cấu tạo

Mặt trời giống cỗ máy phát nhiệt có cấu tạo phức tạp gồm nhiều 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 triệu K, nóng hơn rất nhiều so với bề mặt chỉ khoảng 6000K. 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 lõi này, mật độ cao và lực hấp dẫn hướng tâm từ các lớp 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 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 triệu giảm xuống 2 triệu K.

Vùng đối lưu (convective zone) nằm kế tiếp vùng bức xạ và trải rộng 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 6000K 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 thấy trực tiếp từ Trái Đất gọi là quang cầu ( photosphere). Đây là vùng nguội nhất của Mặt trời với nhiệt độ khoảng 5800-6000K. Độ dày của nó dao động từ vài chục tới vài trăm kilomet, tức là còn mỏng hơn khí quyển của Trái Đất. Chính qua nghiên cứu các vạch quang phổ hấp thụ của quang cầu mà năm 1868 một nguyên tố mới đã được phát hiện, đó là heli. Heli là tên được đặt theo của thần Mặt trời Helios như đã nói qua bên trên, ngụ ý rằng đó là nguyên tố đến từ Mặt trời.

Ngay 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 4000k. 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 2000km. Lớp này có sự chuyển dịch không ngừng giống như sự dịch chuyển của khí quyển trên bề mặt Trái đất, vì thế nhiệt độ của nó có sự dao động, có thể lên tới 20000K, tức là nóng hơn quang cầu rất nhiều, các nhà khoa học cho rằng đó là kết quả của sự ion hóa do nhận bức xạ thoát ra từ bề mặt.

Phía trên sắc cầu là lớp cuối cùng của Mặt trời, gọi là nhật hoa (corona), hay còn gọi cách khác 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 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 thường 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.

Toàn bộ vùng ảnh hưởng của gió Mặt trời trải dài ra 50AU (quĩ đại Sao Hải Vương chỉ có 30AU) được gọi là nhật quyển (heliosphere).

3. Vòng đời của mặt trời?

Theo tính toán, đến nay mặt trời đã 4,57 tỉ năm tuổi và đã sống được khoảng nữa cuộc đời của mình. Dự đoán khi nó đoán sinh nhật lần thứ 10 tỷ, nó sẽ chính thức kết thúc sự tồn tại của mình. Và bây giờ chúng ta hãy cùng làm một chuyến du hành để cùng xem từ khi mặt trời còn là 1 baby đến khi nó đã thành ông lão 10 tỷ tuổi như thế nào nhá:

1.    Tiền Mặt Trời: kéo dài khoảng 50 triệu năm trước khi hình thành hệ Mặt Trời. Lúc này các đám mây bụi, tinh vân Mặt Trời bắt đầu được tích tụ lại dần sinh ra Mặt Trời và vài sản phẩm đi kèm khác chính là các hành tinh,..

2.    Hình thành Mặt Trời: Được đánh dấu bằng việc phản ứng tổng hợp hạt nhân bắt đầu xảy ra tại tâm Mặt Trời, đây là thời kì diến ra nhiều sự kiện chấn động để định hình lại ngôi sao thành 1 khối cầu hoàn chỉnh kéo dài khoảng 50 triệu năm

3.    Tiến trình chính: Mặt Trời đi vào ổn định (hiện nay), điều đặn mỗi 1 tỉ năm, độ sáng và nhiệt độ ngôi sao sẽ tăng 10%.

4.    Hậu tiến trình chính, từ năm 10 tỉ - 12 tỉ: Giai đoạn sao khổng lồ đỏ theo tiến trình Hertzsprung-Russell.

5.    Tàn dư: Sau khi mặt trời biến thành sao khổng lồ đỏ và giải phóng đi các lớp của mình, nó sẽ chỉ còn để lại 1 thiên thể nhỏ nhoi là 1 sao lùn trắng, bằng chứng cuối cùng cho sự tồn tại của nó.

1.   Ngoài 20 tỉ năm: Sao lùn trắng cạn kiệt dần năng lượng, nguội đi và trở thành sao lùn đen

2.   Ngoài 100 nghìn tỉ năm: Mặt Trời hạ nhiệt độ xuống chỉ còn vài độ K. Toàn bộ hệ Mặt Trời tham gia vào khối vật chất tối của vũ trụ

4. Ý nghĩa của Mặt Trời với cuộc sống.

Ánh sáng nói riêng, hay bức xạ điện từ nói chung, từ bề mặt của Mặt Trời được xem là nguồn năng lượng chính cho Trái Đất, trực tiếp hoặc gián tiếp gây ra các hiện tượng tự nhiên, cũng như cung cấp cho đời sống chúng ta. Ánh sáng Mặt Trời bị hấp thụ một phần trên bầu khí quyển Trái Đất, và chỉ một phần nhỏ tới được bề mặt và chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác như điện năng, cơ năng, nhiệt năng, từ năng,…Năng lượng dự trữ trong dầu mỏ và các nguồn nhiên liệu hóa thạch khác được giả định rằng là nguồn năng lượng của Mặt Trời được chuyển đổi từ xa xưa trong quá trình quang hợp và phản ứng hóa sinh của sinh vật cổ. Có thể kết luận, phần lớn năng lượng xuất hiện xung quanh chúng ta đều đến từ mặt trời và nếu không có nó, dường như mọi hoạt động của cả tự nhiên lần con người đều sẽ bị cản trở rất lớn, khó lòng vượt qua nếu không có nguồn năng lượng khác thay thế sớm.

Nguồn: Thiên văn Việt Nam – VACA, Wikipedia

------------------------------------------------

THE SUN

1. Introduction

We are on Earth a spinning, pale blue dot in space. Every night, the sky lights up with countless of luminating specks, those are stars. Now we know that these small dots are enormous glowing and radiating gas balls, that is the only way their lights could reach us. Amongst those billions of stars, only one brings us life, a star that never appear during nighttime, for its presence brings us day light. We might never call it a star, since it is more commonly known as: The Sun.

2. Structure

The sun is like a heat-generating machine with complex structure that is divided into many layers.

The innermost is the core of the star. It is a dense “block” that spreads from the center of the star to a zone, taking up about 25 percent of the Sun’s radius. The temperature here is 15 million Kelvins; for comparison, the surface temperature of the Sun is only 6000 Kelvins. The nuclear reaction in the core releases energy that pushes against gravity, thus causing the star to illuminate. This process of combining protons together is called nuclear fusion.

Next to the core is the radiative zone – which takes up most of the Sun’s volume: 70 percent of its radius. The density here is much lesser than in the core, but it is still dense enough to transmit and cool down the radiation coming from the nuclear fusion inside. The temperature of this zone drops from 7 million to 2 million Kelvins as we continue to move outwards.

The convective zone lies between the radiative zone and the surface of the Sun. Here, the temperature and matter density are much more reduced, compared to the radiative zone. This allows currents to be formed, which transfer the heat and radiation to the surface of the Sun, cooling down in the process. When they had reached the surface, the hot stream of atoms cooled down to 6000 Kelvins, then it will sink down, and eventually get hotter as it move closer to the radiative zone.

The bright surface of the Sun which we can see directly from Earth (looking directly at the Sun is not recommended 😉) is the photosphere. This is the coolest part of the Sun with temperature ranging from 5800 to 6000 Kelvins. Its thickness is only about a few dozen to a few hundred kilometers, thinner than Earth’s atmosphere as a matter of fact. In 1868, through research conducted on the photosphere’s spectrum, a new element, helium, was discovered. The name of that element is based upon “Helios – The God of the Sun”, indicating that it came from the Sun.

Above the photosphere is the lowest atmosphere surrounding the Sun, its thickness is about 500 kilometers and the temperature is roughly 4000 Kelvins. Right outside the atmosphere is a 2000 – kilometer zone of hot gas called the chromosphere. This part is constantly moving, like Earth’s atmosphere. This movement causes temperature differences in various places, at times can reach up to 20000 Kelvins, which is way hotter than the photosphere. Scientists believe a reasonable explanation for this phenomenon would be the ionization from escaping surface radiation.

The last layer of the Sun is called the corona, also known as its halo. It is separated from the chromosphere by a thin layer where the hot gas is ionized. The temperature of the corona can reach as high as 1 million Kelvins. However, it is not visible with the naked eye on Earth because of the light coming from the photosphere. During a total solar eclipse, we can actually see the halo since much of the sunlight is blocked off. The corona is also the starting point of solar wind, where charged particles are launched into space.

The zone affected by solar wind is about 50 AU* wide (the orbital radius of Neptune is only 30 AU), this is called the heliosphere.

*Translator’s note: 1 AU (Astronomical Unit) is roughly the distance between the Earth and the Sun.

3. Life phases

The Sun is currently 4.57 billion years old and it had lived through half of its life. By the time its age reaches 10 billion years old, the Sun will end its existence. And now, let’s take a journey back in time, to discover the beginning, and end of our Sun:

1.      Presolar: About 50 million years before the Solar System was formed, the Sun nebula started to get denser, thus creating the Sun and other planets.

2.      Formation: This historic event started with nuclear fusion in the center of the Sun, this 50-million-year-long process also changed the shape of the star, making it a sphere.

3.      Main sequence: The Sun went into a stable phase (current status), the star’s luminosity and temperature will rise about 10 percent for every 1 billion years.

4.      After the main sequence: About 10 to 12 billion years after its formation, the Sun will transform into a red giant, according to the Hertzsprung-Russell diagram.

5.      Remnant: After the Sun had became a red giant and released its layers, it will remain a small celestial object called a white dwarf, the last evidence of the Sun’s existence.

a.      After 20 billion years: The white dwarf will eventually run out of energy and turn into a black dwarf.

b.      After 100 billion years: The Sun’s temperature will drop to just a few Kelvins. The now cooling star will slowly fade into the darkness of a vast, and cold universe.

4. The meaning of the Sun to Earth’s live forms

 The light and electromagnetic radiation coming from the Sun’s surface acts as a main energy source for Earth; it directly, and indirectly, causes many natural phenomena, and supports our life. The Sun’s light is partly absorbed when it reaches the Earth’s atmosphere, only a small portion of it reaches the surface and is converted to electricity, mechanical, thermal, and electromagnetic energy, etc. The energy stored in oil and other fossil fuels was theorized to be converted solar energy, which came from the photosynthesis and biochemical reactions of ancient life forms. In conclusion, many energy sources around us came from the Sun, and without it, life would not be as it is right now.

Source: Vietnam Astronomy and Cosmology Association – VACA, Wikipedia