Tài liệu Quan sát vết đen mặt trời bằng kính thiên văn Takahashi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ TRẦN THỊ THANH THỦY QUAN SÁT VẾT ĐEN MẶT TRỜI BẰNG KÍNH THIÊN VĂN TAKAHASHI Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ Mã số: 102 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUỐC HÀ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 2011 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm đề tài này em đã gặp rất nhiều khó khăn nhưng được sự động viên hướng dẫn nhiệt tình của các Thầy, Cô đã giúp em hoàn thành luận văn này. • Đầu tiên, em xin cảm ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa Vật Lý Trường Đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho em được học tập và tạo cơ hội để em được làm luận văn – một phương pháp nghiên cứu khoa học mới. • Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy, Cô Trường Đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt khóa học. • Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến cô Trần Quốc Hà – người đã tận tình cung cấp kiến thức, giúp đỡ em tìm kiếm tài liệu, luôn luôn hướng dẫn, động viên và có những ý kiến đóng góp quý báu giúp em củng cố, nâng cao được những kiến thức để hoàn thành luận văn này. • Em xin gửi lời cảm ơn thầy Cao Anh Tuấn – người luôn nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong cách điều chỉnh và cách ghi nhận hình ảnh vết đen Mặt Trời qua kính thiên văn Takahashi. • Đặc biệt, Con xin cảm ơn Mẹ - người luôn luôn quan tâm, lo lắng cho con và gửi đến lời cảm ơn đến gia đình, anh em đã luôn luôn động viên, tạo nền tảng vững chắc cho em hoàn thành luận văn này. • Cảm ơn bạn Nguyễn Phước đã tận tình giúp mình trong giai đoạn đi quan sát Mặt Trời trên kính thiên văn và cảm ơn tất cả bạn bè đã luôn động viên trong thời gian mình làm luận văn. • Em xin gửi lời cảm ơn đến hội đồng khoa học đã xét duyệt luận văn. • Mặc dù, em đã rất nỗ lực để thực hiện đề tài này nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế trong quá trình nghiên cứu, mong thầy cô và các bạn góp ý. • Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Tp.HCM, ngày 25 tháng 04 năm 2011 Sinh viên thực hiện TRẦN THỊ THANH THỦY DANH MỤC HÌNH VẼ Stt 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Kí hiệu của các hình vẽ Hình 1.1: Cấu trúc Mặt Trời Hình 1.2: Các hạt từ gió Mặt Trời tiếp xúc với từ quyển Trái Đất Hình 1.3: Cấu tạo vết đen Hình 1.4: Phân loại nhóm vết đen Hình 1.5: Sự hình thành vết đen Hình 1.6: Từ tính vết đen Hình 1.7: Cuộn dây Solenoid Hình 1.8: Số vết đen trung bình hàng tháng Hình 1.9: Giản đồ bướm thể hiện chu kì 11 năm Hình 1.10: Sự định hướng của từ trường Hình 1.11: Chu kì 24 của vết đen Mặt Trời Hình 1.12: Mô phỏng mới nhất về vết đen Mặt Trời Hình 2.1: Mô phỏng tạo ảnh bởi kính thiên văn khúc xạ Hình 2.2: Nguyên lý của kính thiên văn phản xạ Hình 2.3: Kính thiên văn phản xạ kiểu Newton Hình 2.4: Kính Takahashi của khoa Lý ĐH Sư Phạm Tp.HCM Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo kính Hình 2.6: Bảng điều khiển Hình 2.7: Hộp điều khiển Hình 2.8: Máy chụp hình Nikon Hình 2.9: Dây điều khiển bằng tay Hình 2.10: Bảng điều khiển điều chỉnh kính Hình 2.11: Bảng điều khiển điều chỉnh kính Hình 2.12: Bảng điều khiển điều chỉnh kính Hình 2.13: Bảng điều khiển điều chỉnh kính Hình 2.14: Hứng bóng Mặt Trời Hình 2.15: Lắp thị kính vào máy chụp hình Hình 2.16: Lắp máy chụp hình vào kính Hình 2.17: Điều khiển kính thiên văn Takahashi Hình 2.18: Hứng bóng Mặt Trời Hình 2.19: Lắp thị kính vào máy chụp hình Hình 2.20: Lắp máy chụp hình vào kính Hình 2.21: Hình ảnh 1/4 Mặt Trời được lưu lại bằng máy chụp hình kỹ thuật số (ngày 06/12/2010). Hình 2.22: Hình ảnh Mặt Trời chụp bằng kính thiên văn Takahashi của trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM bằng phương pháp quan sát Mặt Trời gián tiếp qua ảnh chiếu dùng thị kính (ngày 06/12/2010). Hình 2.23: Hình ảnh vết đen Mặt Trời bởi SOHO của trung tâm NASA được lấy từ website: http://spaceweather.com/archive.php?view=1&day=06&month=125 0&year=2010 Hình 2.24: Hình ảnh Mặt Trời không có vết đen được thu từ máy chụp hình thông qua kết nối với kính thiên văn Takahashi trường Trang 12 14 18 19 21 21 22 25 25 26 27 28 31 32 32 35 35 36 36 38 38 40 40 41 41 42 42 43 45 45 46 46 47 48 48 TU 2 T 2 U 36 50 37 38 39 ĐH Sư Phạm Tp.HCM (ngày 21/12/2010). Hình 2.25: Hình ảnh Mặt Trời bởi SOHO của trung tâm NASA lấy từ website:http://spaceweather.com/archive.php?view=1&day=21&mo nth=12&year=2010 Hình 2.26: Hình ảnh Mặt Trời thu được từ máy chụp hình thông qua kết nối với kính thiên văn Takahashi ở trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM (ngày 06/04/2011). Hình 2.27: Hình ảnh Mặt Trời bởi SOHO của trung tâm NASA lấy từ website: http://spaceweather.com/images2011/06apr11/hmi4096_blank.jpg?P HPSESSID=qnaasv7br4eht4nh2j8c2rm9c5 Hình 2.28: Hình ảnh Mặt Trời thu được từ máy chụp hình thông qua kết nối với kính thiên văn Takahashi ở trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM (ngày 07/04/2011). Hình 2.29: Hình ảnh Mặt Trời bởi SOHO của trung tâm NASA lấy từ website: http://spaceweather.com/images2011/07apr11/hmi4096_blank.jpg?P HPSESSID=2c7lvq1rk5l30evcfeldp1au51 Hình 2.30: Hình ảnh Mặt Trời thu được từ máy chụp hình thông qua kết nối với kính thiên văn Takahashi ở trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM (ngày 08/04/2011). Hình 2.31: Hình ảnh Mặt Trời của SOHO bởi trung tâm NASA lấy từ website http://spaceweather.com/images2011/08apr11/hmi4096_blank.jpg?P HPSESSID=15rej260mhrurl52vkhlp0qbg6 Hình 2.32: Hình ảnh Mặt Trời thu được từ máy chụp hình thông qua kết nối với kính thiên văn Takahashi ở trường ĐH Sư Phạm Tp.HCM (ngày 09/04/2011). Hình 2.33: Hình ảnh Mặt Trời của SOHO bởi trung tâm NASA lấy từ website http://spaceweather.com/images2011/09apr11/hmi4096_blank.jpg?P HPSESSID=oualgei6as09m2d185mjfkf7f3 50 51 51 TU 2 T 2 U 40 41 52 52 TU 2 T 2 U 42 43 53 53 TU 2 T 2 U 44 45 TU 2 T 2 U 54 54 MỞ ĐẦU Chúng ta đang sống trong thời đại mà ngành khoa học vật lý đã đạt được những thành tựu vô cùng to lớn, đem lại những ứng dụng có giá trị rất cao trong nền văn minh của nhân loại. Để đạt được những thành tựu khoa học này là kết quả cả một quá trình tìm tòi, khám phá và nghiên cứu lâu dài và gian khổ của biết bao thế hệ các nhà khoa học từ thời cổ đại cho đến tận ngày nay. Trong bất cứ lĩnh vực khoa học nào cũng vậy, để có được những thành tựu như ngày hôm nay, các nhà khoa học đã không ngừng tìm tòi để khám phá ra những tri thức đầy đủ, chính xác và tổng quát. Từ thời cổ đại, xuất phát từ nhu cầu cần phải biết thời tiết để thuận lợi cho công việc trồng trọt và chăn nuôi, con người cổ đại chỉ biết quan sát vị trí và chuyển động của các ngôi sao trên bầu trời. Và thế là, qua nhiều năm tháng quan sát họ nhận ta sự thay đổi vị trí của các thiên thể trên bầu trời trùng hợp với sự thay đổi thời tiết trên mặt đất, trên cơ sở này họ xác định được năm, tháng, mùa màng… họ đã tạo mầm mống cho sự ra đời của ngành thiên văn học. Và ngày nay, khi khoa học ngày càng phát triển thì việc nghiên cứu thiên văn ngày càng trở nên dễ dàng hơn. Những thông tin gửi đến Trái Đất đã giúp cho con người hiểu biết về vũ trụ được phong phú hơn. Hơn nữa, sự phát triển của ngành du hành vũ trụ con người đã bước ra khỏi sự ràng buộc, hạn chế của Trái Đất để có được những thông tin khách quan hơn về vũ trụ. Như nhà bác học Anhxtanh đã từng nói: “Điều bí ẩn của tự nhiên là ở chổ chúng ta có thể nhận thức được nó”. Trước đây, người ta xem Mặt Trời như là một đĩa sáng trong bầu trời, khi nó xuất hiện thì gọi là ban ngày, còn khi nó biến mất là ban đêm. Trong các nền văn hóa cổ đại và tiền sử, Mặt Trời được xem là thần Mặt Trời hay các hiện tượng siêu nhiên khác và xem nó rất linh thiêng, không tì vết. Nhưng khi đến thế kỷ XVII, việc phát minh ra kính thiên văn đã cho phép các nhà khoa học (như Galileo, Thomas Harriot) đã quan sát thấy những vết đen trên Mặt Trời và từ đó người ta bắt đầu nghiên cứu kĩ hơn về Mặt Trời. Trước đây, người ta vẫn chưa lý giải được được nguồn năng lượng khổng lồ từ Mặt Trời, nó cứ chiếu sáng mãi tới Trái Đất mà không bao giờ bị cạn kiệt. Nhưng ngày nay, nhờ khoa học phát triển nên người ta đã bắt đầu tìm hiểu và trả lời các câu hỏi như: Mặt Trời chiếu sáng như thế nào? Làm thế nào Mặt Trời tạo ra lượng năng lượng khổng lồ cần thiết cho sự sống sinh sôi trên Trái Đất ? Và kết quả là nguồn gốc của năng lượng khổng lồ mà Mặt Trời có được là do chính phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lòng nó. Nhìn chung thì Mặt Trời là ngôi sao ổn định, tuy nhiên Mặt Trời cũng có những hoạt động nội tại làm thay đổi tính chất bức xạ của nó. Chính những hoạt động này đã tác động đến Trái Đất chúng ta. Những hoạt động của Mặt Trời xảy ra là do những biến đổi điện từ trên Mặt Trời. Mặt Trời là khối plasma – chứa các hạt mang điện chuyển động, khi chúng chuyển động có gia tốc thì sẽ sinh ra từ trường và chính từ trường này sẽ tác động trở lại đến chúng. Chính vì thế đã tạo ra những bất thường trong bức xạ Mặt Trời. Trước đây, người ta biết đến hoạt động Mặt Trời thông qua các vết đen, nhưng ngày nay người ta lần lượt tìm thấy các dạng hoạt động khác như: trường sáng, tai lửa trong Sắc cầu, bùng nổ Mặt Trời, CME trong Nhật hoa và cho thấy rằng các dạng này có mối quan hệ với nhau và tác động lên nhau, chúng tập hợp lại thành những tâm hoạt động Mặt Trời. Và trong luận văn này, về phần lý thuyết tôi sẽ chú tâm nghiên cứu một dạng hoạt động Mặt Trời là vết đen Mặt Trời và phần thực hành sẽ chụp lại những hình ảnh của vết đen Mặt Trời thông qua kính thiên văn Takahashi của trường đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh và so sánh những hình ảnh này với những bức ảnh mà các đài thiên văn lớn đã chụp được. Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu ngắn và việc quan sát cũng phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết nên trong phần thực hành tôi vẫn chưa xác định được tọa độ di chuyển của vết đen trên đĩa Mặt Trời qua các ngày tháng. Và hy vọng rằng luận văn này sẽ tạo cơ sở, nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo sau này về đề tài này. TỔNG QUAN Việc nghiên cứu về Mặt Trời được công nhận vào đầu thế kỷ XVII khi Galileo dùng kính thiên văn quan sát các vết đen trên Mặt Trời cùng với các nhà khoa học khác. Trước đây, vào thời Aristotle người ta cho rằng Mặt Trời là linh thiêng, không tì vết. Chỉ đến khi Galileo nhìn thấy những vết đen Mặt Trời qua kính thiên văn đã cho phép các nhà khoa học có cách quan sát chi tiết hơn về vết đen Mặt Trời. Trước đây, các vết đen Mặt Trời cũng đã được các nhà thiên văn Trung Quốc quan sát vào thời Hán (206 TCN – 220 CN), tuy nhiên vào thời này họ chỉ quan sát bằng mắt thường và cũng được ghi chép lại một cách cẩn thận và tỉ mỉ, nhưng lại đưa ra những kết luận không chính xác về vết đen Mặt Trời. Ở thế kỷ XVIII, nhà thiên văn Thụy Sĩ R.Wolf đã đưa ra khái niệm chỉ số vết đen Mặt Trời để thống kê số liệu vết đen Mặt Trời và dựa vào đó Schwabe đã tìm thấy quy luật biến đổi theo chu kì của hoạt động Mặt Trời. Đồng thời, Sporer phát hiện ra quy luật xuất hiện theo vĩ độ và được Maunder minh họa dưới tên gọi là giản đồ bướm. Quá trình để các nhà khoa học tìm hiểu về vết đen Mặt Trời không phải chỉ trong một thời gian ngắn mà phải trải qua một quá trình tìm tòi, nghiên cứu lâu dài. Cùng với sự phát triển của khoa học thì người ta đã lý giải được nguồn gốc năng lượng Mặt Trời vì thế hiện nay không còn xem Mặt Trời là khối khí lý tưởng nữa mà là khối plasma nóng bỏng. Hiện nay, các nhà khoa học đã tìm ra được những hoạt động Mặt Trời mới chẳng hạn như tai lửa, trường sáng, CME… ngoài vết đen Mặt Trời mà đã được nghiên cứu từ trước đến nay và chính chúng gây tác động đến Trái Đất của chúng ta. Do Mặt Trời ở quá xa Trái Đất nên các nghiên cứu từ trước đến nay thường được thông qua từ những quan sát trực tiếp bề mặt Mặt Trời từ kính thiên văn, quang phổ kế và thông qua việc nghiên cứu các tác động của Mặt Trời tới Trái Đất. Hiện nay, công nghệ khoa học ngày càng phát triển, có nhiều vệ tinh nhân tạo đã giúp cho việc nghiên cứu Mặt Trời được dễ dàng và hiệu quả hơn. Chẳng hạn như: Vệ tinh TRACE phóng năm 1998 cho phép thấy chi tiết các cấu trúc điện từ Mặt Trời, vào năm 2000 có những vệ tinh nhằm thu nhận những hình ảnh trung thực nhất về Mặt Trời ví dụ như vệ tinh GENESIS, CORONAS-F, RHESSI…Tuy vậy, hiện nay số liệu nghiên cứu về Mặt Trời còn rất ít, đặc biệt là việc dự báo về hoạt động Mặt Trời và những ảnh hưởng của nó vẫn là vấn đề cần được nghiên cứu rộng khắp trên Trái Đất. Hiện nay, công việc ghi nhận những hình ảnh vết đen Mặt Trời ở trường đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh thông qua kính thiên văn Takahashi nghiên cứu vẫn chưa được nhiều, qua luận văn này tôi muốn gửi đến người đọc cái nhìn tổng quan về một dạng hoạt động của Mặt Trời đó là vết đen Mặt Trời và có thể quan sát chúng qua kính thiên văn Takahashi. Luận văn được chia thành 2 phần chính:  Phần lý thuyết: Giới thiệu sơ lược về Mặt Trời, các thông số của Mặt Trời, cấu trúc của nó để có cái nhìn khách quan về Mặt Trời thông qua những tài liệu trên sách, tài liệu internet và các bài báo về Mặt Trời. Sau đó, giới thiệu về nguồn năng lượng của Mặt Trời từ đó giải thích về nguồn gốc năng lượng dồi dào của Mặt Trời, từ đó dẫn đến kết luận về nguồn gốc của các hoạt động điện từ của Mặt Trời. Những hoạt động điện từ này được gọi là hoạt động Mặt Trời và vết đen là một trong những dạng của hoạt động này, nó sẽ được đề cập chính trong luận văn này.  Phần thực hành: Trước hết, mô tả về kính thiên văn Takahashi của trường đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh, cách điều chỉnh kính thiên văn, và sau đó tiến hành thực hành: ghi lại những hình ảnh về vết đen Mặt Trời qua kính thiên văn trong thời gian tháng 12 năm 2010, đầu tháng 4 năm 2011 và so sánh những hình ảnh này với những hình ảnh mà đài thiên văn lớn đã chụp được và đưa ra nhận xét qua những bức hình thu được. Chương 1 LÝ THUYẾT VỀ VẾT ĐEN MẶT TRỜI 1.1. Giới thiệu về Mặt Trời 1.1.1 Giới thiệu sơ lược về Mặt Trời Mặt Trời là một ngôi sao bình thường trong Ngân hà, có khối lượng và kích thước thuộc loại trung bình so với các ngôi sao khác trong dãi Ngân hà và nó được hình thành từ tàn dư của các ngôi sao khác. Nó đặc biệt đối với con người vì nó là ngôi sao ở gần chúng ta nhất (ánh sáng từ Mặt Trời đến Trái Đất hết 8 phút, trong khi ánh sáng đi từ ngôi sao gần nhất là α – Centauri phải mất 4,3 năm) và nó mang lại sự sống cho toàn nhân loại. Trái Đất cách Mặt Trời 150 triệu km bằng 1 đơn vị thiên văn (1AU = 150.106km). Mặt Trời là một ngôi sao tiêu biểu trong vũ trụ và còn là trung tâm của hệ Mặt Trời, Trái Đất và các thành viên khác (hành tinh, tiểu hành tinh, thiên thạch, sao chổi và bụi) đều quay quanh nó. 1.1.2 Các thông số cơ bản về Mặt Trời Khối lượng B 0 1,99.1030 kg B 1 Bán kính (khoảng cách từ tâm đến Quang 6,95.105 km B 2 B 3 cầu) Khoảng cách đến Trái Đất (trung bình) B 4 Cấp sao nhìn thấy B 6 Cấp sao tuyệt đối B 8 Độ trưng B 0 1 149,6.106 km B 5 m = - 26,7 B 7 M = 4,8 B 9 L = 3,8.1026 W B 1 Nhiệt độ: B 2 1 Bề mặt ~ 6000K B 5 1 B 3 1 Tại tâm 15.106K B 6 1 B 4 1 Chu kì quay trung bình B 7 1 27 ngày B 8 1 Mặt Trời cấu tạo từ chất khí hoàn B 0 2 Thành phần B 9 1 toàn, 75% là Hydro; 23% là Heli; 2% là các khí khác. Độ nghiêng trục quay B 1 2 7,25° (tới mặt phẳng hoàng đạo) B 2 67,23° (tới mặt phẳng Ngân Hà) Chu kì tự quay: B 3 2 Tại 160 25,38 ngày B 4 2 B 7 2 Tại xích đạo 25,05 ngày B 5 2 B 8 2 Tại cực 34,3 ngày B 6 2 B 9 2 Vận tốc tự quay tại xích đạo B 0 3 1.1.3 7,284 km/h B 1 3 Cấu trúc của Mặt Trời Mặt Trời là khối cầu khí nóng bỏng, nhiệt độ và mật độ của Mặt Trời giảm dần khi đi từ trong lõi ra phía ngoài nên Mặt Trời có cấu trúc rất phức tạp vì vậy để nghiên cứu và tìm hiểu rõ về cấu trúc của Mặt Trời người ta chia thành các lớp khác nhau, mỗi lớp có tính chất và có kiểu hoạt động riêng. Minh họa hình 1.1 (1): Lõi (2): Vùng trực xạ (3): Vùng đối lưu (4): Quang cầu (5): Sắc cầu (6): Quầng (7): Vết đen Mặt Trời (8): Đốm Hình 1.1: Cấu trúc Mặt Trời (9): Chỗ lồi lên Mặt Trời chia làm 2 phần: Phần bên trong và phần khí quyển. 1.1.3.1  Phần bên trong Lõi: Lõi của Mặt Trời chiếm khoảng 0,2 tới 0,25 bán kính, mật độ lên tới 150g/cm3 (150 lần mật độ nước trên Trái đất) và có nhiệt độ gần 13.600.000oK. Tốc độ tự quay của lõi cao hơn vùng bức xạ. Đây là nơi xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân.  Vùng trực xạ: Nhiệt được truyền bởi sự bức xạ ion của Hydro và Heli phát ra các photon, nó chỉ di chuyển một khoảng cách ngắn trước khi bị tái hấp thụ bởi các ion khác.  Vùng đối lưu: Là vùng chuyển năng lượng nhiệt từ bên trong ra ngoài bằng bức xạ. Giữa vùng bức xạ và vùng đối lưu là một lớp quay chuyển tiếp được gọi là tachocline. Nguồn phát điện từ bên trong lớp này được xem là tạo ra từ trường của vết đen Mặt Trời. 1.1.3.2  Phần khí quyển Quang cầu: Là bề mặt sáng chói của Mặt Trời mà chúng ta quan sát hàng ngày. Nơi đây có những đặc trưng của hoạt động Mặt Trời như vết đen, vết sáng thể hạt và siêu hạt.  Sắc cầu: (hay còn gọi là sắc quyển) có tên gọi như vậy là do sắc màu đỏ - tím của nó. Đây là một lớp bất thường ngay trên quang cầu, nơi mà nhiệt độ tăng lên 20.0000 C. Ở nhiệt độ này Hydro phát ra ánh sáng có màu đỏ nhạt (có thể quan sát thấy ở những ngày nhật thực). Trong vùng Sắc cầu, gần các vết đen Mặt Trời thường xuất hiện các vụ bùng nổ với độ sáng tăng vọt, phóng ra nhiều loại bức xạ gây ảnh hưởng xấu đến Trái Đất.  Vùng trung chuyển: Bên trên Sắc cầu có một vùng chuyển tiếp mỏng (khoảng 200 km) trong đó nhiệt độ tăng nhanh từ khoảng 20.000K ở thượng tầng Sắc cầu lên tới nhiệt độ gần một triệu K tại vành Nhật hoa.  Nhật hoa: Là vành ánh sáng phát ra từ không gian xung quanh Mặt Trời, có dạng như một chiếc vương miện trắng xung quanh Mặt Trời lan tỏa cả triệu km trên quang cầu, thay đổi tùy theo mức độ hoạt động Mặt Trời . Vùng này có mật độ vật chất thấp chỉ bằng 10-6 mật độ quang cầu, tán xạ bức xạ điện từ từ Mặt Trời, và tạo ra ánh sáng yếu, và lớp này được nhìn thấy khi xảy ra hiện tượng Nhật thực toàn phần.  Gió Mặt Trời: Là một luồng hạt điện tích giải phóng từ vùng thượng quyển của Mặt Trời, và nó chính là sự lan tỏa của vành Nhật hoa ra ngoài vũ trụ. Gió Mặt Trời mang các hạt electron và proton ở năng lượng cao, khoảng 500 KeV, và nó là nguyên nhân dẫn đến các trận bão từ, và nó có liên hệ trực tiếp đến hiện tượng cực quang của Trái Đất và trên các hành tinh khác. Khi gió Mặt Trời tới Trái Đất, nó có tốc độ khoảng từ 400 km/s đến 700 km/s. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến từ quyển của Trái Đất. 1.1.4 Năng lượng của Mặt Trời Mặt Trời phát sáng được là do phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra trong vùng từ tâm Mặt Trời đến khoảng cách cỡ 0,3 lần bán kính Mặt Trời. Các phản ứng tổng hợp hạt nhân được Bethe đề xuất năm 1938 gọi là chu trình Proton – Proton và chu trình này có thể tóm tắt như sau: 4 1 H 1 → 2 He 4 + 2e + + 2ν e + 2γ + Q Trong trường hợp này Q = 26,7MeV = 4,3.10-12J P P Đồng thời, cũng trong năm đó Weizsacker đề xuất một chu trình khác, với Carbon làm xúc tác được gọi là chu trình Carbon – Nitrogen – Oxygen (CNO) như sau: 1 H 1 + 6 C 12 → 7 N 13 + γ 7 N 13 → 6 C 13 + e + + υ e 6 C 13 +1 H 1 → 7 N 14 + γ 7 N 14 +1 H 1 →8 O15 + γ 8 O15 → 7 N 15 + e + + υ e 7 N 15 +1 H 1 → 6 C 12 + 2 He 4 Chu trình này có thể viết gọn lại như sau: 4 1 H 1 → 2 He 4 + 2e + + 2ν e + 3γ + Q Trong đó: Q = 25MeV Như vậy, ở 2 chu trình đều mô tả sự kết hợp các hạt nhân nhẹ để trở thành hạt nhân nặng và giải phóng ra một lượng năng lượng khổng lồ và chính điều này lý giải việc chiếu sáng hàng tỉ năm của Mặt Trời mà không bị nguội đi. Và theo số liệu thống kê được thì một ngày Mặt Trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng nhiệt hạch lên đến 9.1024 KWh. Mặc dù ở cả hai chu trình đều tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ nhưng chu trình tạo ra nguồn năng lượng chủ yếu cho Mặt Trời là chu trình Proton – Proton. Thực tế, tại tâm Mặt Trời thì xãy ra cả hai chu trình, còn ở khoảng cách cỡ 0,2 đến 0,3 lần bán kính Mặt Trời thì chu trình CNO chấm dứt. Vậy chính phản ứng hạt nhân đã tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ cho Mặt Trời và nguyên liệu dùng để đốt trong phản ứng này là Hydro và khi phản ứng tổng hợp này chấm dứt thì Mặt Trời sẽ chuyển sang giai đoạn khác. Như vậy, nguồn gốc của những hoạt động điện từ của Mặt Trời chính là do phản ứng tổng hợp hạt nhân và sự chuyển động của các vật chất trong lòng nó. Do đó, nguyên liệu trong lò phản ứng này không còn là các hạt mang điện trung hòa mà là plasma chứa các hạt mang điện dưới nhiệt độ cao. Và một khi các hạt mang điện này chuyển động có gia tốc sẽ sinh ra từ trường, từ trường biến thiên sẽ sinh ra điện trường. Chính những sự tác động qua lại này gây nên những sự bất thường trong bức xạ của Mặt Trời và làm xuất hiện nhiều hiện tượng thú vị như vết đen, CME, tai lửa… đây chính là những dạng của hoạt động Mặt Trời, chúng xảy ra trong các lớp khác nhau của Mặt Trời. Chúng rất phức tạp, và đến nay vẫn còn nhiều cơ chế chưa được làm sáng tỏ. 1.1.5 Hoạt động Mặt Trời Mặt Trời là một ngôi sao ổn định, cấp sao không thay đổi hay không có biến động trong việc phát sáng. Tuy nhiên, Mặt Trời không đơn thuần là khối khí lý tưởng, mà là một khối plasma bao gồm các hạt mang điện chuyển động thêm vào đó sự quay không đồng đều của Mặt Trời và chính những chuyển động này sẽ sinh ra từ trường và chính từ trường này sẽ tác động lên chuyển động của dòng hạt mang điện và chính sự tác động qua lại này tạo ra những hoạt động Mặt Trời gây bất thường trong bức xạ Mặt Trời gây ảnh hưởng trực tiếp đến Trái Đất. Như vậy, hoạt động Mặt Trời chính là những biến đổi điện từ trên Mặt Trời. Trước đây, người ta biết đến hoạt động Mặt Trời thông qua các vết đen Mặt Trời. Và sau này lần lượt người ta tìm thấy các dạng hoạt động khác trong các lớp của khí quyển Mặt Trời như trường sáng, tai lửa trong Sắc cầu, bùng nổ Mặt Trời và CME trong Nhật hoa và các hoạt động này có liên quan tới nhau, chỉ khác là ở chỗ là chúng được quan sát tại những lớp khác nhau của khí quyển Mặt Trời. Và trong luận văn này, tôi chỉ tập trung nghiên cứu đến một trong những dạng của hoạt động Mặt Trời là vết đen Mặt Trời – nơi tập trung từ trường rất mạnh, gấp hàng ngàn lần từ trường của Trái Đất. 1.2. Vết đen Mặt Trời Tài liệu sớm nhất ghi lại việc quan sát vết đen Mặt Trời mà còn tồn tại là từ năm 364 trước công nguyên, dựa trên ý kiến của nhà thiên văn học Trung Quốc Gan De trong bảng liệt kê về ngôi sao. Bởi năm 28 trước Công nguyên, nhà thiên văn học Trung Quốc đã thường xuyên ghi lại các ngày quan sát vết đen. Lịch sử ghi lại rằng vào ngày 17 tháng 3 năm 807 sau công nguyên, nhà thầy tu theo dòng Bê-nêđích Adelmus đã quan sát thấy một vết đen Mặt Trời lớn trong tám ngày. Tuy nhiên, Adelmus đã đưa ra một kết luận không chính xác là ông đã quan sát sự vận động của sao Thủy. Và sau này cũng đã có rất nhiều nhà khoa học nghiên cứu hoạt động Mặt Trời thông qua việc quan sát vết đen Mặt Trời, tuy nhiên những nghiên cứu này đã có những kết luận không chính xác và bị lầm tưởng là sự vận động của các hành tinh. Vào đầu thế kỷ 17, việc phát minh ra kính viễn vọng đã cho phép quan sát chi tiết hơn về vết đen Mặt Trời do Thomas Harriot, Galileo Galilei và các nhà thiên văn khác thực hiện. Và lúc này khoa học mới thừa nhận trên bề mặt Mặt Trời có những vết đen (thời Aristotle đã xem Mặt Trời như một hiện tượng siêu nhiên nên trên Mặt Trời sẽ không có tì vết) và đây là một trong những hoạt động của Mặt Trời, mức độ hoạt động sẽ được thông qua số vết đen quan sát được. Dưới đây, luận văn sẽ trình bày rõ về dạng hoạt động này. 1.2.1. Định nghĩa Vết đen là những vùng nhỏ trên quang cầu Mặt Trời có nhiệt độ thấp hơn vùng rộng lớn xung quanh. Và vết đen là nơi tập trung từ trường rất mạnh, thường xuất hiện theo nhóm hay các bó và kích thước thường lớn hơn 32000km. 1.2.2. Cấu tạo Hình 1.3: Cấu tạo vết đen Vết đen Mặt Trời gồm 2 phần:  Phần tâm tối hơn có nhiệt độ cỡ 3700K gọi là vùng chùy tối (Ở đây từ trường mạnh nhất và nhiệt độ thấp nhất).  Phần rìa có dạng tia xuyên tâm sáng hơn gọi là phần bán chùy, thường có cấu trúc dạng sợi và nhiệt độ cỡ 5000K. (Ở đây, từ trường yếu hơn và thành phần từ trường hướng theo phương ngang nhiều hơn so với vùng chùy tối). Kích thước của các vết đen khác nhau, các vết nhỏ có đường kính khoảng 103 đến 2.103km và có cả những vết lớn có đường kính lên đến 4.104km (lớn gấp vài lần đường kính của Trái Đất). Thời gian sống của vết đen là phụ thuộc vào đường kính của nó, thường thì tồn tại khoảng vài ngày rồi biến mất và thay thế cho các vết đen khác. Với thời gian đó, chúng di chuyển qua bề mặt Trái Đất, biến mất ở phía sau Mặt Trời rồi xuất hiện ở bờ bên kia của đĩa Mặt Trời sau 2 tuần (đây chính là bằng chứng cho thấy Mặt Trời tự quay). Sự phân bố vết đen chủ yếu tập trung trong phạm vi từ 8 độ đến 35 độ hai bên đường xích đạo của Mặt Trời. 1.2.3.  Phân loại nhóm vết đen Loại A: Một vết đen nhỏ đơn cực hoặc một nhóm nhỏ không có biên mờ (sáng hơn lõi giữa nhưng tối hơn xung quanh).  Loại B: Vết đen hai cực và không có biên mờ  Loại C: Nhóm vết đen hai cực kéo dài, có ít nhất một vết đen có biên mờ.  Loại D: Nhóm vết đen hai cực kéo dài có biên mờ ở xung quanh nhóm.  Loại E: Nhóm vết đen hai cực kéo dài có biên mờ xung quanh nhóm. Biên mờ mở rộng theo kinh tuyến từ 100 đến 150.  Loại F: Nhóm vết đen hai cực kéo dài có biên mờ xung quanh nhóm. Biên mờ mở rộng theo kinh tuyến vượt quá 150.  Loại G: Nhóm lưỡng cực lớn (trên 100), mà không có điểm nhỏ giữa các điểm chính.  Loại H: Nhóm vết đen đơn cực có biên mờ.  Loại J: Vết đen đơn cực ở vùng nửa tối, nhỏ hơn 2,50. 1.2.4. Nguyên nhân xuất hiện vết đen Khi người ta giải thích được nguồn gốc của năng lượng Mặt Trời thì không còn xem Mặt Trời là khối khí lý tưởng, mà nó được cấu tạo từ khí plasma. Plasma bao gồm các hạt mang điện chuyển động, khi chúng chuyển động có gia tốc sẽ sinh ra từ trường và ngược lại, từ trường trong plasma sẽ có những tác động gây ra những hiện tượng thú vị như vết đen Mặt Trời, tai lửa, CME…đây là những dạng của hoạt động Mặt Trời. Và hiện nay, bằng nhiều phương pháp kết hợp với những vệ tinh, các nhà khoa học đã đề xuất những giả thuyết, mô hình để giải thích những hoạt động này. Một trong số mô hình được chú ý nhất là mô hình do H.Babcock đề xuất năm 1961 và được Leighton bổ sung vào năm 1964, 1969. Cơ sở thực nghiệm dựa trên số liệu đo đạc bởi các từ kế do Babcock chế và cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình thuyết từ động học với các khái niệm từ trường bị “đóng băng” vào khí plasma do Alfven đề xuất (1939). Mô hình được mô tả tóm tắt như sau: Mặt Trời được cấu tạo từ các dòng plasma, nhiệt độ trong lòng Mặt Trời lên đến 1,5.106 K. Quả cầu plasma bao gồm các hạt mang điện (bao gồm khí Hidro, proton, electron) chuyển động có gia tốc và khi đó sẽ sinh ra từ trường. Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt, chúng ta sẽ không nhìn thấy môi trường này và người ta thường dùng các đường sức từ để diễn tả từ trường, khi đó các hạt mang điện chuyển động sẽ “gắn” vào các đường sức từ và lúc này các đường sức từ trở thành các dây dẫn điện. Mặt khác, quả cầu plasma quay quanh trục của nó không đồng đều nhau. Ở phía trong, tính từ trung tâm đến khoảng cách chừng 70% bán kính, Mặt Trời quay như một vật rắn. Từ khoảng cách 70% bán kính trở ra, vật chất quay chậm dần, càng xa xích đạo càng quay chậm. Chính sự chuyển động hỗn loạn làm xoắn các đường sức từ, cuộn chúng xung quanh Mặt Trời, tạo ra những cuộn xoắn khổng lồ làm ở những nơi này xảy ra các hoạt động của Mặt Trời như vết đen Mặt Trời, vành khí, tai lửa. Và khi đó, các đường sức từ bị quấn vòng quanh, làm chúng bị dồn nén lại thành từng bó. Khi những bó đường sức có cường độ đủ mạnh, chúng sẽ nổi lên bề mặt với sự vặn xoắn theo đường kinh tuyến, tạo thành những cặp vết đen trên bề mặt Mặt Trời có định hướng Đông – Tây, với các vết dẫn ở phía đông, vết kéo theo ở phía tây, vết kéo theo ở gần cực và có phân cực ngược với cực từ ở bán cầu đó ở đầu chu kì. Babcock cũng đã tính được thời gian để các đường sức quấn quanh Mặt Trời là sau 3 năm được 5 vòng rưỡi và từ trường được tăng cường lên cỡ hàng kilogamma. Như vậy, chính sự quay không đều trên các lớp của Mặt Trời làm “cong” các đường sức từ tại tầng đối lưu của bề mặt Mặt Trời. Khi độ cong đủ lớn, các đường sức từ sẽ xuất phát từ một vùng, xuyên qua bề mặt Mặt Trời và quay trở lại ở một khu vực khác. Các kết quả quan sát cho thấy, các vết đen thường xuất hiện theo cặp với từ tính trái ngược nhau, đường sức từ đi ra từ một vết đen này và chui vào vết đen khác. Tại các điểm đi vào và đi ra của đường sức từ, sự đối lưu năng lượng bị ngăn cản, làm cho nhiệt độ của vùng đó thấp hơn các vùng xung quanh. Do đó, chúng nhìn sẽ tối hơn so với các vùng khác bên cạnh. Hình 1.6: Từ tính của vết đen Khi các electron và các hạt mạng điện của chúng chuyển động tương đối đối với các nguyên tử và các ion, có một dòng điện chạy trong chất khí. Có thể lấy hình ảnh solenoid như một mô hình của vết đen Mặt Trời: dây được quấn chặt theo dạng một ống hình trụ. Dây solenoid như một sợi dây dài vô hạn, cứ 1m được quấn bởi n vòng dây và có cường độ dòng điện là I, khi đó từ trường được tính theo công thức B = 4π .10 −7 nI . Nếu từ trường tại vùng có vết đen quan sát được là B = 0,15T thì trị số nI trong 1m dây là 1,2.105 A/m. Và các ống khí có chiều dài cỡ 3.104km tương đương với dòng điện cỡ 4.1012A. Và theo định luật điện từ, trong lòng ống dây sẽ có một từ trường đồng nhất với cường độ rất lớn là B = 0,15T, từ trường này gấp hàng ngàn lần từ trường Trái Đất. Như vậy, một vết đen Mặt Trời không chỉ là một nam châm rất mạnh mà còn là một nam châm siêu dẫn. Vết đen thường xuất hiện từng nhóm. Ở nhiều nhóm, những vết có sự phân cực giống nhau thường gom thành phần dẫn trước, còn những vết có sự phân cực ngược lại thì gom thành phần kéo theo sau. Và các nhóm này gồm các vết đen lớn nhỏ khác nhau, nó chiếm một vùng đáng kể trên đĩa Mặt Trời. 1.2.5. Chỉ số vết đen Mặt Trời Mức độ hoạt động Mặt Trời thể hiện qua số vết đen quan sát được, số vết đen xuất hiện trên đĩa Mặt Trời thay đổi từ ngày này sang ngày khác. Do vết đen xuất hiện thành từng nhóm, trên đó có nhiều vết nhỏ nên không thể có số liệu chính xác được nên vào năm 1848 J.R.Wolf ở đài thiên văn Zurich – Thụy Sĩ đã đưa ra công thức tính số vết đen mà cho đến nay đã trở thành số vết đen quốc tế. Ông đã đưa ra công thức tính số vết đen tương đối, cơ bản dựa trên số nhóm vết đen quan sát được: = Rz k (10g + f ) Trong đó: g: số nhóm vết đen f: số vết riêng biệt k: hệ số hiệu chỉnh Với Rz Wolf lấy hệ số k = 1. Như vậy, số vết đen quan sát hàng ngày theo chỉ số Zurich là: Rz = 0, khi không có vết đen nào. Rz = 11, khi có một vết đen. Với cách tính này ông đã khẳng định sự tồn tại của chu kì hoạt động của Mặt Trời, và đưa ra chu kì là 11,1 năm. Gần đây Hoyt và Schatten (1998) đề nghị số vết den dựa trên duy nhất số nhóm vết đen quan sát được: 1 N RG = ∑ K i .12,08g i N i =1 Trong đó: RG: số vết đen tính theo nhóm. N: số người quan sát. gi: số nhóm vết đen mà người thứ i quan sát được. ki: số hiệu chỉnh cho quan sát viên thứ i. Với cách tính này thì số liệu về vết đen Mặt Trời đầy đủ hơn và với bộ dữ liệu này được sử dụng để tiên đoán hoạt động Mặt Trời trong các chu kì sắp tới. 1.2.6. Chu kì vết đen Gần 400 năm nay, nhờ kính viễn vọng mà các nhà khoa học đã nghiên cứu một cách hệ thống về những vết đen trên Mặt Trời. Trước đó, các nhà thiên văn Trung Quốc đã có thể quan sát các vết đen Mặt Trời bằng mắt thường, khi các vết đó là đủ lớn và có một số điều kiện khí quyển (sương mù, bụi, khói, ...) làm giảm cường độ ánh sáng của Mặt Trời nhưng các quan sát này thì không xãy ra thường xuyên. Người đầu tiên quan sát vết đen bằng kính viễn vọng là Galileo và ông quan sát chúng dường như vào mỗi ngày. Vào thế kỷ XIX, một chủ hiệu thuốc người Đức tên là Heinrich Schwabe phát hiện ra rằng cứ khoảng 11 năm thì số lượng các vết đen trên Mặt Trời tăng lên một cách rõ rệt. Và người tạo ra bước ngoặt trong việc nghiên cứu tính dị thường của Mặt Trời là G.E.Hale (Mỹ), vào đầu thế kỷ XX, Hale khẳng định những vết đen trên Mặt Trời có liên quan đến từ trường mạnh (lớn hơn từ trường trái đất hàng ngàn lần). Như đã nhắc đến ở trên, mô hình Babcock cơ bản đã giải thích được các tính chất của hoạt động Mặt Trời nhưng vẫn chưa giải thích được tại sao chu kì của vết đen là 11 năm. Từ thập niên 80 của thế kỷ XX, nhờ sự phát triển của khoa học, các vệ tinh Mặt Trời thu thập nhiều số liệu, hình ảnh người ta phát hiện được sự quay của các lớp bên trong Mặt Trời và lớp quay chuyển tiếp được coi là nơi sản sinh ra Dynamo Mặt Trời – tức là cơ chế Mặt Trời biến cơ năng thành năng lượng từ. Đồng thời SOHO cũng phát hiện ra những dòng chảy trên bề mặt Mặt Trời theo hướng kinh tuyến (dòng chảy kinh) cho phép người ta hoàn thiện mô hình của Babcock. Gần đây, bà Mausumi Dikpati và Paul Chabonneau (Mỹ) đã đề xuất mô hình Dynamo với dòng chảy kinh để có một sự giải thích đơn giản về chu kì 11 năm. Chu kì 11