Mặt trời là trung tâm của Hệ Mặt trời của chúng ta, một quả cầu nóng bỏng chứa hydro và heli đóng vai trò là vật chủ hấp dẫn đối với Trái đất và tất cả các hành tinh, hành tinh lùn, mặt trăng và đá không gian khác.
Các nhà khoa học năng lượng mặt trời ước tính Mặt trời của chúng ta khoảng 4,5 tỷ năm tuổi. Sau khi Mặt trời hình thành, một đĩa mảnh vụn vũ trụ được để lại bao quanh ngôi sao trẻ.
Từ vật chất này, các hành tinh của Hệ mặt trời đã ra đời.
Trái đất nằm cách Mặt trời khoảng 150 triệu km và khoảng cách này – được gọi là Đơn vị thiên văn – được sử dụng để đo khoảng cách quy mô lớn giữa các vật thể khác.
Ví dụ, sao Hải Vương cách Trái đất khoảng 30 AU.
Mặt trời có bán kính khoảng 696.000km và đủ lớn để chứa hơn 1 triệu Trái đất!
Không có Mặt trời, chúng ta sẽ chẳng là gì cả: nó là nguồn sống trên hành tinh quê hương của chúng ta.
Tuy nhiên, đối với những người trong chúng ta không phải là nhà thiên văn học hay nhà khoa học năng lượng mặt trời, đôi khi có thể cảm thấy như chúng ta biết nhiều hơn về Sao Hỏa hoặc các hành tinh khí khổng lồ Sao Mộc và Sao Thổ hơn là ngôi sao chủ của chính chúng ta.
Vẫn còn nhiều điều chưa được khám phá về Mặt trời, nhưng các nhà thiên văn học về Mặt trời đã có thể trả lời một số câu hỏi cơ bản về cấu trúc của nó, điều gì khiến nó tích tắc và ảnh hưởng của nó đối với phần còn lại của Hệ Mặt trời.
Dưới đây là một số câu hỏi lớn nhất về Mặt trời và khoa học năng lượng mặt trời, và câu trả lời của họ.
Mặt trời được phân loại là một ngôi sao dãy chính loại G. Phần ‘dãy chính’ của tên đề cập đến thực tế là Mặt trời đang ở giai đoạn trong cuộc đời của nó khi nguồn nhiên liệu chính là sự chuyển đổi hydro thành heli.
Các ngôi sao trong giai đoạn này nằm trên cái mà chúng ta gọi là chuỗi chính của sơ đồ Hertzsprung-Russell (HR) (xem ở trên).
Biểu đồ này là một biểu đồ về cường độ tuyệt đối của các ngôi sao so với nhiệt độ bề mặt của chúng.
Các ngôi sao dành phần lớn cuộc đời của họ cho chuỗi chính; thời lượng chính xác phụ thuộc vào khối lượng của ngôi sao.
Và trình tự chính là đường cong nổi bật nhất trên biểu đồ này, tạo thành chữ ‘S’ nghiêng.
Dãy chính không phải là một đường được xác định rõ ràng trên biểu đồ HR, vì một số tính chất khác như thành phần hóa học và tuổi tác ảnh hưởng đến vị trí của một ngôi sao trên biểu đồ.
Một ngôi sao thuộc dãy chính ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh – áp suất bên trong được tạo ra bởi các phản ứng hạt nhân ở lõi của ngôi sao cân bằng lực hấp dẫn hướng vào trong và ngôi sao ổn định.
Nhưng một khi quá trình đốt cháy hydro trong lõi chấm dứt, ngôi sao sẽ mất đi sự ổn định này và tiến hóa ra khỏi hoặc tắt khỏi dãy chính.
Ngôi sao phồng lên và trở thành sao khổng lồ đỏ hoặc siêu khổng lồ. Nhiệt độ bề mặt của những ngôi sao này tương đối mát mẻ vì chúng đang giãn nở, nhưng chúng rất sáng, vì vậy chúng được vẽ trên sơ đồ HR ở trên và bên phải của dãy chính.
Cuối cùng, ngôi sao sẽ đi đến điểm kết thúc cuộc đời của nó và trở thành sao lùn trắng, sao neutron hoặc lỗ đen – một lần nữa tùy thuộc vào khối lượng của nó.
Chỉ các sao lùn trắng thường được vẽ trên biểu đồ HR.
Ở trung tâm của Mặt trời là lõi, tạo ra năng lượng bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân, chuyển đổi hydro thành heli.
Năng lượng đi vào vùng bức xạ phía trên lõi, thường giữ nó trong hàng nghìn năm.
Phía trên vùng bức xạ là lớp đối lưu. Chiếm khoảng 30% phần bên trong, nó truyền năng lượng lên bề mặt (‘quang quyển’) bằng quá trình đối lưu: khí tăng và giảm giống như những đốm sáp trong đèn dung nham.
Quang quyển đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng kính viễn vọng mặt trời trên mặt đất.
Bao quanh Mặt trời là bầu khí quyển của nó – vành nhật hoa.
Các phép đo và nghiên cứu chính xác về vành nhật hoa đã được thực hiện bằng các nghiên cứu trên mặt đất, trong các lần nhật thực và bằng các đài quan sát trên không gian.
Dữ liệu từ các sứ mệnh không gian cũng cho phép các nhà thiên văn học đo được từ trường rộng lớn của mặt trời, giúp tinh chỉnh các mô hình cấu trúc ngôi sao của chúng ta.
Để hiểu cấu trúc của Mặt trời, các nhà thiên văn học sử dụng kết hợp quan sát, lý thuyết và mô hình máy tính để đưa ra một bức tranh mô tả chính xác nhất các đặc điểm đã được ghi lại.
Phần lớn kiến thức của chúng ta về phần bên trong mặt trời bắt nguồn từ thuyết nhật thực.
Giống như các nhà địa chấn học trên mặt đất, các nhà địa chấn học sử dụng các dao động để thăm dò phần bên trong của một vật thể: sóng địa chấn do động đất tạo ra trong trường hợp Trái đất; sóng áp suất trong vùng đối lưu trong trường hợp của Mặt trời.
Những sóng này gây ra chuyển động thẳng đứng trên bề mặt của Mặt trời, quang quyển. Quan sát các dao động cho thấy các thuộc tính của các lớp khác nhau.
Các sóng bên trong Mặt trời có thể được mô tả tốt nhất dưới dạng liên tục và nhiều nguồn tạo ra một vòng âm không đổi.
Ở bề mặt mặt trời, những sóng này tạo ra những chuyển động lên xuống nhỏ trong chất khí, có thể được coi là dịch chuyển Doppler trong quang phổ có độ phân giải cao.
Nhiệt độ, thành phần và các tính chất khác của bên trong hệ mặt trời ảnh hưởng mạnh mẽ đến hành vi của các sóng này.
Kết hợp những quan sát như vậy với các lý thuyết về cấu trúc sao cho phép các nhà thiên văn tạo ra các mô hình về thành phần bên trong của Mặt trời.
Chúng ta thấy ba loại sóng trong chuyển động của bề mặt Mặt trời: sóng âm, sóng hấp dẫn và sóng hấp dẫn bề mặt.
Các dao động có bước sóng từ hàng nghìn đến hàng trăm nghìn km.
Giống như hầu hết các ngôi sao mà chúng ta nhìn thấy trên bầu trời đêm, Mặt trời không bị ràng buộc bởi lực hấp dẫn của một cụm sao.
Tuy nhiên, các nhà thiên văn học tin rằng Mặt trời (giống như hầu hết các ngôi sao) được sinh ra như một phần của cụm sao.
Những ngôi sao nặng nhất trong cụm sao đó giờ đã cạn kiệt nhiên liệu và chết.
Trong vòng đời 4,6 tỷ năm của mình, Mặt trời đã hoàn thành khoảng 20 quỹ đạo của Dải Ngân hà của chúng ta và lực hấp dẫn tác động lên các thành viên cụm ban đầu đã phân tán các anh chị em của Mặt trời từ lâu.
Hiện tại, Mặt trời dường như nằm trong Nhóm di chuyển chính Ursa – một nhóm sao lỏng lẻo có cùng tuổi, tính kim loại, vận tốc hướng tâm và chuyển động riêng.
Tuy nhiên, Mặt trời không thực sự là một thành viên của nhóm trẻ (xấp xỉ 300 triệu năm tuổi) này.
Các quan sát về sự phân bố của khí hydro trung tính vào những năm 1960 chỉ ra rằng Mặt trời của chúng ta nằm ở đâu đó phía trên mặt phẳng giữa của thiên hà chúng ta, Dải Ngân hà.
Kể từ đó, nhiều kỹ thuật đã được sử dụng để thử và ước tính xem Mặt trời thực sự nằm cách mặt phẳng thiên hà bao xa.
Hầu hết các phép đo đều dựa trên các nghiên cứu thống kê về sự phân bố của các ngôi sao, cụm, khí hoặc bụi xung quanh Mặt trời và các ước tính chỉ dao động từ 6 parsec (1 parsec bằng khoảng 3,26 năm ánh sáng) đến 42 parsec.
Các ước tính gần đây nhất đã đề xuất một khoảng cách có khả năng là khoảng 20 parsec, hay 65 năm ánh sáng.
Tuy nhiên, khoảng cách này không phải là hằng số khi Mặt trời mọc và lặn khi nó hoàn thành quỹ đạo 230-250 triệu năm quanh Thiên hà.
Người ta ước tính rằng Mặt trời trải qua 2,7 dao động mỗi ‘năm thiên hà’, với lần cuối cùng đi qua mặt phẳng này là khoảng 3-5 triệu năm trước.
Khoảng cách tối đa mà Mặt trời có thể đạt được bên trên hoặc bên dưới mặt phẳng được cho là 50-100 parsec (từ 163 đến 326 năm ánh sáng).
Nhật hoa là một phần của bầu khí quyển bên ngoài của Mặt trời và bao gồm khí bị ion hóa.
Bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời (tầng quang quyển) có nhiệt độ khoảng 5.800 Kelvin, nhưng nhật hoa có nhiệt độ tối đa từ 1 đến 3 triệu Kelvin.
Tuy nhiên, nhật hoa cực kỳ mong manh, với mật độ chỉ bằng một phần nghìn tỷ của quang quyển.
Nó cũng phát ra rất ít ánh sáng khả kiến và chỉ có thể được nhìn thấy bằng nhật ký quang hoặc trong nhật thực toàn phần, khi quang quyển sáng bị che khuất khỏi tầm nhìn.
Nhưng điều gì làm cho corona trở nên nóng như vậy? Hiện tại có hai lý thuyết chính cho ‘vấn đề làm nóng vành nhật hoa’.
Một giả thuyết đề xuất rằng sóng âm từ (sóng âm thanh bị biến đổi bởi từ trường) và sóng Alfvén (các ion dao động trong từ trường trong plasma) truyền năng lượng từ bên trong Mặt trời.
Một giả thuyết khác lập luận rằng chính từ trường của Mặt trời, tạo ra điện trường trong vành nhật hoa, gây ra sự nóng lên.
Những trường này sau đó sụp đổ đột ngột, giải phóng năng lượng vào nhật hoa và làm nóng nó.
Các nhà lý thuyết và các nhà quan sát vẫn đang cố gắng xác định cơ chế nào chịu trách nhiệm cho vấn đề làm nóng nhật hoa, nhưng có vẻ như rõ ràng là từ trường đóng một vai trò quan trọng.
Thuật ngữ ‘biểu đồ cánh bướm’ đề cập đến mô hình được nhìn thấy trên một biểu đồ vĩ độ của các vết đen mặt trời theo thời gian, trong nhiều chu kỳ mặt trời.
Biểu đồ vĩ độ thời gian này lần đầu tiên được vẽ bởi nhóm vợ chồng của Edward Walter Maunder và Annie Maunder vào đầu thế kỷ 20.
Mô hình ‘con bướm’ là kết quả của xu hướng hình thành dần dần của các vết đen mặt trời ở các vĩ độ thấp hơn (gần xích đạo hơn) khi chu kỳ vết đen mặt trời kéo dài khoảng 11 năm tiến triển.
Hiệu ứng này lần đầu tiên được ghi nhận bởi nhà thiên văn học người Đức, Gustav Spörer vào cuối thế kỷ 19.
Khi bắt đầu một chu kỳ mặt trời (mặt trời cực tiểu), rất ít vết đen được nhìn thấy và những vết đen này hình thành ở vĩ độ cao.
Khi số lượng các vết đen tăng lên (hướng tới cực đại của mặt trời), chúng xuất hiện ngày càng gần xích đạo hơn.
Sau cực đại, số lượng vết đen mặt trời lại giảm xuống cực tiểu tiếp theo, khi mô hình lặp lại.
Mô hình quan sát được phản ánh quá trình ‘cuộn dây’ dần dần của từ trường mặt trời.
Các đường trường trở nên xoắn mạnh hơn do sự quay khác nhau của bề mặt Mặt trời, với các vùng xích đạo quay nhanh hơn các vùng vĩ độ cao hơn.
Biểu đồ cánh bướm cho thấy các vết đen mặt trời lần đầu tiên được quan sát thấy ở khoảng vĩ độ 30° bắc và nam.
Nếu bạn muốn tự mình quan sát các đặc điểm này một cách an toàn, hãy đọc hướng dẫn của chúng tôi về cách quan sát vết đen mặt trời.
Bạn có thể nghĩ rằng vấn đề làm mát một con tàu vũ trụ khi nó đến gần Mặt trời sẽ là yếu tố hạn chế khoảng cách mà nó có thể di chuyển đến Mặt trời, nhưng bảo vệ nhiệt là một lĩnh vực được phát triển tốt.
Các nhiệm vụ hiện tại như Solar Orbiter sử dụng các hệ thống làm mát tiên tiến kết hợp với các vật liệu có độ phản chiếu cao để cho phép nó hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt.
Bức xạ gây ra rủi ro lớn hơn nhiều đối với các phi hành gia, ngay cả ở những khoảng cách ngoài Trái đất và ngoài quỹ đạo của Sao Hỏa.
Hoạt động của Mặt trời gần như tuân theo chu kỳ 11 năm: có nhiều nguy cơ xảy ra bão mặt trời hơn xung quanh mức cực đại của mặt trời.
Các phi hành gia bị bắt bên ngoài từ quyển bảo vệ của Trái đất trong một cơn bão mặt trời có thể tiếp xúc với liều lượng bức xạ gây chết người trong vài phút nếu không được che chắn đầy đủ.
Các sứ mệnh tới sao Hỏa trong tương lai có thể sử dụng tàu vũ trụ với những bức tường chứa đầy nước sẽ tăng gấp đôi như một lá chắn khỏi bức xạ mặt trời.
Và các lần phóng sẽ được hẹn giờ để tránh di chuyển ra ngoài hoặc quay trở lại mức tối đa của mặt trời.
Ngay cả bên ngoài những thời điểm nguy hiểm nhất, sống trong không gian là vô cùng nguy hiểm.
Cho đến nay, chưa có con người nào đi xa hơn phía xa của Mặt trăng, nơi vẫn ở gần đó, ngay cả trong Hệ Mặt trời.
Sự nguy hiểm của việc tiếp xúc lâu dài với bức xạ và thậm chí các vấn đề tâm lý tiềm ẩn khi du hành gần Mặt trời vẫn chưa được biết.
Vì vậy, không có khoảng cách cụ thể nào từ Mặt trời được coi là an toàn, vì ngay cả tàu vũ trụ trên quỹ đạo Trái đất và các phi hành gia cũng có thể chịu thiệt hại nghiêm trọng từ ngôi sao của chúng ta.
Do đó, các sứ mệnh phi hành đoàn đến hành tinh trong cùng, Sao Thủy, rất khó xảy ra, ngay cả trong thế kỷ tới.
Câu trả lời đơn giản là không có gì. Có rất nhiều quan niệm sai lầm về quỹ đạo hành tinh và sự tồn tại của nhiều tiêu điểm có thể gây nhầm lẫn.
Các quỹ đạo là hình elip và các tiêu điểm không gì khác hơn là hai điểm quan tâm hình học.
Chúng nằm ở hai bên tâm của hình elip, trên trục chính và tổng khoảng cách từ mỗi điểm này đến đường cong của hình elip là không đổi.
Mặt Trời và các hành tinh chuyển động xung quanh nhau, với tâm khối lượng (tâm barycentre) là một tiêu điểm của các quỹ đạo hình elip.
Vì Mặt trời chứa 99,9% khối lượng của Hệ Mặt trời nên có vẻ như các hành tinh đang quay quanh Mặt trời. Nhưng Mặt trời cũng quay quanh tâm bary: quỹ đạo của nó rất nhỏ.
Đối với mỗi hành tinh trong hệ Mặt trời, bạn có thể vẽ một hình elip hành tinh-Mặt trời, mỗi hành tinh có các tiêu điểm ở các vị trí khác nhau.
Độ lệch tâm của các quỹ đạo hành tinh dao động từ gần như hình tròn đối với Sao Kim, đến quỹ đạo hình elip cao của Sao Diêm Vương.
Trong trường hợp hệ Trái đất-Mặt trời, tâm bary chỉ cách tâm Mặt trời 450km (280 dặm).
Nhưng nếu tất cả các hành tinh thẳng hàng về cùng một phía, thì tâm bary kết hợp sẽ cách bề mặt mặt trời 500.000 km (310.000 dặm).
Số phận của Mặt trời và tất cả các ngôi sao của chúng ta được quyết định bởi khối lượng.
Mặc dù có vẻ to lớn so với Trái đất, nhưng Mặt trời khá trung bình theo tiêu chuẩn sao và sẽ sống và chết theo một cách khá đặc biệt – thực sự 99% các ngôi sao trong Thiên hà sẽ kết thúc cuộc đời của chúng theo cách này.
Khi Mặt trời cạn kiệt nguồn cung cấp hydro trong lõi, nó sẽ bắt đầu đốt cháy heli.
Điều này bắt đầu giai đoạn phồng lên và nguội đi, khiến Mặt trời trở thành một sao khổng lồ đỏ khổng lồ.
Mặt Trời sẽ phồng lên đến mức khi bầu khí quyển bên ngoài của nó sẽ nhấn chìm Sao Thủy và Sao Kim. Trái đất sẽ được làm nóng đến mức không thể chịu đựng được vài tỷ năm trước đó.
Sau hàng chục, hàng trăm triệu năm với tư cách là một sao khổng lồ đỏ, Mặt trời sẽ bước vào giai đoạn không ổn định.
Nó sẽ rũ bỏ bầu khí quyển bên ngoài, thứ sẽ tạo thành một tinh vân hành tinh. Phần lõi lộ ra của Mặt trời sẽ tiếp tục tỏa sáng ở trung tâm của tinh vân đang mở rộng, nhưng nó sẽ là một ngôi sao lùn trắng, có kích thước bằng Trái đất.
Nhưng không cần phải hoảng sợ ngay bây giờ. Người ta ước tính rằng Mặt trời có đủ nhiên liệu để tiếp tục hoạt động trong khoảng 5 tỷ năm nữa.
Ngay cả khi đó, nếu khoa học và công nghệ tiếp tục phát triển, chúng ta có thể xâm chiếm các thế giới khác: quê hương của con cháu chúng ta có thể là một hành tinh cách xa hàng tỷ dặm.