Thứ Sáu, 12 tháng 10, 2012

Chuyện kể về Mặt Trời: sự hình thành, quá trình phát triển và kết thúc

the_sun.jpg




Mặt trời ở giai đoạn chính (ngày nay)
Mình thấy trên Tinhte.vn có rất nhiều anh em yêu thích khám phá khoa học, đặc biệt là thiên văn học và vũ trụ. Hôm nay xin mạn phép viết một bài về lĩnh vực này nhằm cung cấp cho anh em những thông tin cơ bản nhất để mọi người hiểu một cách rõ ràng hơn các bài giới thiệu chuyên sâu sau này. Kiến thức trong bài viết này mình đọc từ 10 năm trước và thực sự không phải là lĩnh vực thế mạnh nên mong nhận được các ý kiến chỉ ra những điểm thiếu sót, bổ sung, hoặc cập nhật thông tin cần thiết từ các anh em. Bài viết của mình tập trung vào một vật thể quen thuộc mà chúng ta thấy hằng ngày: Mặt Trời. Để cho thuận tiện chúng ta sẽ đi theo tiến trình thời gian trong quá trình hình thành, giai đoạn phát triển chính và sự kết thúc của nó.

Sự hình thành 


Mặt Trời là một ngôi sao thực sự theo đúng nghĩa, tức là nó có thể tự phát sáng nhờ các phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lòng nó. Nếu so với các ngôi sao đầu tiên hình thành trong vũ trụ cách đây hơn 10 tỷ năm thì thực sự tuổi đời của Mặt Trời còn rất trẻ. Tuy vậy quá trình hình thành Mặt Trời có thể coi như một mẫu điển hình khi xem xét các ngôi sao khác trong vũ trụ.


Khoảng 4,6 tỷ năm trước một đám mây bụi và khí giữa các vì sao bắt đầu co lại. Khi nhân của đám mây này trở nên đậm đặc hơn, nó sẽ không cho ánh sáng truyền qua. Quá trình thu nhỏ thể tích diễn ra cho tới khi đám khí bị nén tới mức nhiệt độ bề mặt của nó được đẩy lên 1000 Kelvin. Lúc ấy nó sẽ sáng rực trong vũ trụ giống như một ngôi sao. Ở thời điểm này các nhà khoa học nói rằng nó đã bước vào giai đoạn tiền Mặt Trời.


Với nhiệt độ 1000 Kelvin, tiền Mặt Trời đạt được sự ổn định khi mà áp suất bức xạ do nhiệt sinh ra từ bên trong cân bằng với sự nén của lực hấp dẫn, người ta gọi đó là sự cân bằng thủy tĩnh. Tuy nhiên, do tiếp tục tỏa nhiệt và bức xạ ánh sáng, lực hấp dẫn sẽ dần thắng thế. Kết quả là tiền Mặt Trời nhanh chóng bị phá vỡ cân bằng thủy tĩnh và tiếp tục co lại. Vì bị nén, các lớp khi bên trong trở nên đậm đặc và nóng hơn. Khi đó chúng tiếp tục bức xạ mạnh và bức xạ này đủ cân bằng lực hấp dẫn. Sau đó nó lại bức xạ và lại bị mất cân bằng. Quá trình cân bằng rồi suy sụp, rồi lại cân bằng như vậy tiếp tục diễn ra cho tới khi các phần tử bên trong bị nén đủ gần nhau và nhiệt độ ở tâm tiền Mặt Trời đủ lớn để các phản ứng nhiệt hạch bắt đầu xảy ra.


Giai đoạn chính trong cuộc đời Mặt Trời


Khi bán kính tiền Mặt Trời co lại bằng bán kính Mặt Trời và độ sáng của nó bằng 0,8 lần độ sáng Mặt Trời ngày nay thì các phản ứng tổng hợp các hạt nhân Hydro với nhau bắt đầu. Tiền Mặt Trời đã trở thành Mặt Trời như chúng ta biết. Lúc này Mặt Trời sẽ tương đối ổn định và không suy sụp nữa, đây được gọi là giai đoạn chính trong cuộc đời của nó. Giai đoạn chính sẽ kéo dài trong khoảng 10 tỷ năm trước khi Mặt Trời chuyển qua thời kì tuổi già. Trong thời gian ở giai đoạn chính, ngoài việc cân bằng thủy tĩnh, nó còn đạt được sự cân bằng nhiệt: năng lượng ra từ tâm Mặt Trời được truyền ra ngoài bề mặt và bức xạ hoàn toàn vào vũ trụ. So với thời kì tiền Mặt Trời độ sáng của nó đã tăng lên 30% như chúng ta thấy hiện tại, điều đó đảm bảo quá trình tiến hóa và duy trì sự sống trên Trái Đất. Nếu con số này lớn hơn hoặc nhỏ hơn, chúng ta có thể không tồn tại hoặc thế giới rơi vào kỷ băng hà.


Khi Mặt Trời già đi


Củi đốt mãi rồi cũng phải hết, nhiên liệu Hydro trên Mặt Trời không phải là vô tận cho nên nó sẽ tiêu hao dần trong các phản ứng nhiệt hạch để tạo ra Heli. Sau 10 tỷ năm đốt nhiên liệu không nương tay, lượng Hydro còn lại rất ít vì thế tốc độ các phản ứng tổng hợp bắt đầu chậm lại. Do đó tổng nhiệt lượng mà Mặt Trời sinh ra giảm đi nhiều. Kết quả là lực hấp dẫn lại chiếm ưu thế, phá vỡ sự cân bằng thủy tĩnh. Mặt Trời lại rơi vào một giai đoạn suy sụp kích thước mới. Khi nó co lại từ từ, nhiệt độ ở tâm tiếp tục tăng lên cho tới thời điểm nó đạt 100 triệu Kelvin.


Lúc này một chu trình tổng hợp hạt nhân mới lại bắt đầu, 3 hạt nhân Heli (mỗi hạt nhân chứa 4 nucleon) kết hợp với nhau để tạo ra hạt nhân Carbon (chứa 12 nucleon) và giải phóng năng lượng theo công thức E=mc2 nổi tiếng trong lý thuyết tương đối hẹp của Einstein. Mặt Trời bước vào một giai đoạn rực sáng hoàn toàn mới, lúc này độ sáng của nó gấp 10.000 lần và bán kính của nó được bức xạ năng lượng làm phình to gấp 100 lần hiện nay. Khi ấy sao Thủy sẽ bị nuốt gọn trong lòng Mặt Trời. Còn với cường độ chiếu sáng như vậy, toàn bộ nước bốc hơn khỏi Trái Đất, con cháu anh em Tinh Tế sẽ than rằng: cát bụi lại trở về với cát bụi; sự sống trên Địa Cầu bị hủy diệt hoàn toàn. Tuy nhiên, mầm mống của sự sống vẫn có thể nảy sinh đâu đó ở các thiên thể khác trong hệ Mặt Trời, Thổ tinh hoặc một vệ tinh nào đó của nó chẳng hạn. Với bán kính và độ sáng như vậy, người ta gọi Mặt Trời ở thời kì tuổi già là một Sao Kềnh Đỏ.


Càng sinh nhiệt nhiều thì nhiên liệu Heli trên Mặt Trời bị đốt càng nhanh, do vậy Mặt Trời chỉ có thể tồn tại như một sao kềnh đỏ trong 100 triệu năm. Sau đó nó phóng một lượng khí lớn vào vũ trụ giống như lớp khí và mây bao quanh các ngôi sao khác mà con người quan sát được hiện nay. Các phản ứng hạt nhân gần như dừng lại do nhiệt độ và mật độ nhiên liệu không còn đủ lớn. Lúc này tâm Mặt Trời chỉ còn lại He và C. Do không còn được nâng đỡ bởi áp suất bức xạ, Mặt Trời lại suy sụp, bán kính của nó chỉ bằng 1/100 bán kính Mặt Trời hiện nay và trông nó chỉ nhỏ như Trái Đất.


Sự diệt vong của Mặt Trời




WhiteDwarf.gif

Hình ảnh Mặt Trời khi nó trở thành một sao lùn trắng (bên phải) so với Trái Đất hiện nay (bên trái)


Khi co lại về bán kính cỡ 1/100 kích thước hiện nay, một hiệu ứng lượng tử mới xảy ra ở Mặt Trời và dẫn tới sự giải phóng electron. Quá trình nảy xảy ra rất phức tạp nên mình sẽ không giải thích chi tiết ở đây. Vào những năm 1930, nhà khoa học Ấn Độ Chandrasekhar (khi ấy còn là một sinh viên) đã chứng minh được rằng áp suất do bức xạ electron có thể thắng lực hấp dẫn và Mặt Trời sẽ không tiếp tục suy sụp nữa. Khi đó bề mặt của nó trở nên rất trắng, nó được gọi là một sao lùn trắng. Nếu có khối lượng lớn hơn 1,4 lần Mặt Trời đã có thể chuyển qua một giai đoạn mới, tuy nhiên vì không đủ nặng nên nó sẽ duy trì trạng thái dó mãi mãi, nguội dần và không co lại nữa. Do không có nguồn nhiệt và ánh sáng cung cấp từ ngôi sao trung tâm, toàn bộ Hệ mặt trời sẽ tăm tối và lạnh giá. Sự sống không tồn tại ở bất cứ đâu và cái chết ngự trị.

Trên đây mình đã tóm lược câu chuyện về Mặt Trời. Để tìm hiểu rõ hơn về các ngôi sao khác, sao lùn trắng, lỗ đen và những khái niệm thiên văn lý thú, mình sẽ giới thiệu với anh em trong một bài viết khác với nhan đề: Chuyện kể về các vì sao.
























0 nhận xét:

Đăng nhận xét