Mặt Trời – Ngôi sao của chúng ta – phần 2

Vết đen Mặt trời

Galileo là người đầu tiên quan sát Mặt trời và các vết đen của nó hầu như mỗi ngày. Ông đã thấy rằng những vết đen Mặt trời rộng hơn và tồn tại lâu hơn hiện ra ở một phía của Mặt trời, sau đó di chuyển ngang qua bề mặt Mặt trời và biến mất ở phía khác sau khoảng 2 tuần. Galileo đã khẳng định rằng những vết đen Mặt trời phải thực sự là một phần của Mặt trời và quay cùng với chiều quay của Mặt trời, khoảng 28 ngày. Đường kính của vết đen rộng nhất vào cỡ 10⁴km, nghĩa là lớn gấp vài lần đường kính Trái Đất. Các vết đen Mặt trời hoàn toàn không phải đen, độ sáng bề mặt của chúng điển hình vào khoảng 1/4 độ sáng của môi trường xung quanh, khoảng 4.10³ K, ngay cả đối với độ sáng đó nó vẫn dễ làm mù mắt người quan sát.

Các vết đen trên Mặt trời là những vùng khí xoáy có nhiệt độ thấp hơn vào khoảng 4.500 ⁰C do từ trường gây ra. Những vết đen rộng nhất tồn tại trong khoảng 2 tháng, khoảng thời gian này là đủ dài để các vết đen biến mất ở một phía của đĩa Mặt trời và tái xuất hiện ở phía khác hai tuần sau đó. Hầu hết các vết đen được quan sát thấy trong vài ngày và sau đó biến mất để được thay thế bởi những vết đen khác.

Số lượng các vết đen tăng giảm theo một chu kỳ 11 năm . Cứ 11 năm lại có hàng chục vết đen Mặt trời, những khoảng thời gian này được xem là một cực đại của vết đen Mặt trời. Khoảng 6 năm sau đó có rất ít vết đen Mặt trời hoặc không có vết đen nào. Những khoảng thời gian này được xem là một cực tiểu của vết đen Mặt trời. Chu kì 11 năm của Mặt trời cũng liên quan đến vị trí của các vết đen Mặt trời. Những vết đen đầu tiên  của một chu kì mới ngay sau một cực tiểu Mặt trời, diễn ra ở các vĩ độ Mặt trời khoảng 35⁰ Bắc và Nam. Khi những vết đen này biến mất, những vết đen mới hình thành ở gần đường xích đạo. Và quá trình cứ thế tiếp diễn. Tại cực đại của vết đen Mặt trời, hầu hết các vết đen Mặt trời nằm ở vĩ độ khoảng 15⁰ Bắc và Nam. Vào cuối chu kì, chúng xuất hiện ở gần xích đạo. Chu kì 22 năm liên quan đến hướng của từ trường vết đen. Hầu hết các vết đen xuất hiện thành cặp, định hướng đông tây, với từ trường trong một vết đen định hướng về phía chúng ta, từ trường trong vết đen khác định hướng đi xa chúng ta. Trong suốt một chu kì 11 năm, sự phân cực từ trường của các cặp vết đen ở phía Bắc của đường xích đạo là theo một hướng, ở phía Nam của đường xích đạo là theo hướng khác. Trong suốt chu kì 11 năm tiếp theo sự định hướng của các cặp vết đen là ngược lại. sau một chu kì 22 năm, sự phân cực lặp lại.

Vì toàn bộ Mặt trời là một quả cầu khí nên không thể có các vật chất từ rắn ở đó. Từ trường phải do dòng điện tạo ra như đã xảy ra đối với một nam châm trong phòng thí nghiệm. Vậy liệu dòng điện có thể chạy trong chất khí không? Hoàn toàn có thể vì có nhiều nguyên tử trong khí của Mặt trời bị ion hoá nên có nhiều electron tự do. Khi các electron và các hạt mang điện của chúng chuyển động tương đối với các nguyên tử và các ion, có dòng điện chạy trong chất khí. Có thể lấy hình ảnh solenoid (cuộn dây từ) như mô hình của vết đen Mặt trời: dây được quấn chặt theo dạng ống hình trụ. “dây” tương ứng với khí ở vùng biên giới của vết đen, “dây” mà trong đó có các dòng điện chạy dài khoảng 10³km. Các dòng điện quay xung quanh vết đen với đường kính khoảng 10⁴km, ở đó từ trường là đồng nhất. Sự ước tính tốt nhất của chúng ta đối với độ sâu thật sự đạt được bởi một vết đen Mặt trời và từ trường của nó là 3.10³km và dòng điện tổng cộng quay quanh Mặt trời là 4.10¹²A. Dòng điện này rất mạnh, người ta đo được từ trường của vết đen B=0,15T. Từ trường này mạnh gấp hàng ngàn lần từ trường của Trái Đất. Mỗi vết đen Mặt trời như một nam châm cực mạnh.

Các vết đen Mặt trời là một trong số nhiều ví dụ của các dòng điện và từ trường vũ trụ.

Các tai lửa

Thỉnh thoảng người ta thấy các tai lửa bắn ra từ Mặt trời, ta thấy chúng như những vòng khí màu đỏ, điển hình khoảng 10⁴km phía trên bề mặt Mặt trời. Chúng tồn tại bên trên Mặt trời trong một số ngày.

Màu đỏ (bước sóng 656,3mm) của tai lửa cho chúng ta biết rằng chúng ta đang quan sát Hidro nóng khoảng 10⁴K. Tại sao những khí nóng này lại bốc cao như vậy mà không rơi vào bề mặt Mặt trời? Một bằng chứng được rút ra từ hình dáng của nhiều tai lửa. Nhìn hình bên dưới: tai lửa như hình ảnh của bột sắt xung quanh một nam châm rắn trong phòng thí nghiệm. Điều này cho thấy có từ trường tạo nên tai lửa. Nếu ở đó cũng có dòng điện thì tai lửa được nâng lên bởi các lực IxB. Những tai lửa này có nhiệt độ khoảng 7.000 C đến 10.000 C cao hơn nhiệt độ bề mặt của Mặt trời, điều này không hề vô lý, nó chứng tỏ rằng các tai lửa có nguồn gốc từ bên trong Mặt trời.

Nhật thực và vành nhật hoa

Trong suốt nhật thực toàn phần, khi Mặt trăng bao phủ đĩa sáng của Mặt trời, khi đó ta mới quan sát được vành nhật hoa (corona: tiếng La tinh có nghĩa là vương miện). Nhật thực toàn phần có thể kéo dài đến 7 phút.

Nguyên nhân của ánh sáng nhìn thấy phát ra từ vành nhật hoa là: Hầu hết ánh sáng này là ánh sáng Mặt trời được tán xạ về phía chúng ta bởi các electron tự do. Từ độ sáng của ánh sáng Mặt trời bị tán xạ, chúng ta biết mật độ của electron và của các proton trong vành nhật hoa. Mật độ khí có thể đạt 10^-6 mật độ trong quang quyển, mật độ còn giảm hơn ở phía ngoài, do vậy vành nhật hoa rất mờ, không quan sát được trong điều kiện bình thường, chúng ta chỉ thấy nó khi có hiện tượng nhật thực toàn phần như hình trên.

Một phần khác của bức xạ từ vành nhật hoa là sự phát xạ ở những bước sóng xác định từ các nguyên tử bị ion hoá cao độ như các ion sắt mất đến 8 đến 12 electron. Khi một ion được tích điện nhiều như vậy cần rất nhiều năng lượng để dịch chuyển tiếp một electron, những electron còn lại trong các ion phải bị đánh bật ra bởi những vụ va chạm rất mạnh với các electron hoặc ion khác. Năng lượng va chạm cao đòi hỏi chuyển động nhiệt với tốc độ lớn, do đó nhiệt độ cao. Hiện nay, vật lý nguyên tử cho chúng ta biết rằng nhiệt độ vành nhật hoa phải vào 2.10⁶K. Gần như tất cả Hidro đều bị ion hoá ở nhiệt độ này.

Vì những vụ va chạm giữa các nguyên tử và electron mạnh như vậy nên các photon được phát ra mang năng lượng rất lớn. Ở nhiệt độ của vành nhật hoa, hầu hết các photon là tia X. Vì thế hình ảnh của vành nhật hoa có thể thu được bằng cách sử dụng một camera tia X. Tia X không xuyên qua khí quyển Trái đất nên camera tia X phải được đặt trong vũ trụ.

Tài liệu tham khảo:
Tìm hiểu hệ mặt trời.
Giáo trình thiên văn học đại cương của trường ĐH SP TPHCM.
Explorations- an introduction to astronomy.

Huỳnh Phương Loan (HAAC)
Theo Vietastro