quan sát vết đen mặt trời bằng kính thiên văn takahashi

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 đầ

QUAN SÁT VẾT ĐEN MẶT TRỜI BẰNG

KÍNH THIÊN VĂN TAKAHASHI

• 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

2 Hình 1.2: Các hạt từ gió Mặt Trời tiếp xúc với từ quyển Trái Đất 14

34 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)

48

35 Hình 2.23: Hình ảnh vết đen Mặt Trời bởi SOHO của trung tâm

NASA được lấy từ website:

2TU

http://spaceweather.com/archive.php?view=1&day=06&month=125

0&year=2010U

48

36 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 50

38 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

40 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

42 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

44 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

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:

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

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

C hương 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

Vận tốc tự quay tại xích đạo 31B7,284 km/h

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

 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

Hình 1.1: Cấu trúc Mặt Trời

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

 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 10-6mật 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

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:

Chu trình này có thể viết gọn lại như sau:

ở khoảng cách cỡ 0,2 đến 0,3 lần bán kính Mặt Trời thì chu trình CNO chấm dứt

4 2 12 6 1 1 15 7

15 7 15 8

15 8 1 1 14 7

14 7 1 1 13 6

13 6 13 7

13 7 12 6 1 1

He C

H N

e N O

O H N

N H C

e C N

N C

H

e e

+

→+

++

→

+

→+

+

→+

++

→

+

→+

+

+

υγγυγ

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

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

Vào đầu thế kỷ 17, việc phát minh ra kính viễn vọng đã cho phép quan sát chi tiết hơn về vết đen Mặt Trờido 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

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

(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

Hình 1.3: Cấu tạo vết đen

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

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

7

4 10

B= π − 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 4.1012

A 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

Hình 1.6: Từ tính của vết đen

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:

Với RzWolf 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

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

năm của Mặt Trời chủ yếu liên quan với số vết đen được quan sát thấy ở trên Mặt Trời ở một thời điểm bất kì Như được chỉ ra trên giản đồ 1.2.6a , cứ vào khoảng 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 150Bắc và Nam Vào cuối chu kì chúng hiện ra ở gần xích đạo Với mô hình này cho phép giải thích đặc điểm của chu kỳ thứ 23 (sự đảo cực chậm chạp và bất thường, cực Nam đảo chậm 9 tháng sau cực Bắc)

Hình 1.8: Số vết đen trung bình hàng tháng

Trong mỗi chu kỳ 11 năm, cực Bắc và cực Nam của từ trường tổng lại đổi chổ cho nhau, sự kiện này thường xãy ra sau cực đại của chu kỳ hoạt động Mặt Trời Trong quãng thời gian đó, Mặt Trời có thể có 2 cực Bắc từ, 2 cực Nam từ Có điều kì lạ này là do từ trường của Mặt Trời không phải là từ trường của vật rắn Do

có sự đảo cực như vậy nên chu kỳ thật của hoạt động Mặt Trời phải là 22 năm Chu

kì 22 năm liên quan tới hướng từ trường của vết đen Khi hiệu ứng Zeeman tách một vạch phổ, sự phân cực tròn của hai vạch cho chúng ta biết liệu từ trường được định hướng về phía chúng ta hay đi xa chúng ta 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 Sự định hướng của từ trường được chỉ thị bởi Nam và Bắc, 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 một 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 Cho nên chu kì của Mặt Trời là 22 năm chứ không phải là

11 năm và đến này vẫn chưa có một lời giải thích thỏa đáng cho chu kì Mặt Trời

Hình 1.10: Sự định hướng của từ trường

Cho đến nay, vẫn chưa có một mô hình Dynamo nào có khả năng tiên đoán một cách chính xác hoạt động Mặt Trời Dựa trên sự nghiên cứu về các chu kỳ hoạt động Mặt Trời (hình dạng, cường độ, thời gian kéo dài của chu kỳ…), từ đó người

ta xây dựng một hàm đặc trưng cho hình dạng của chu kỳ, cho phép tính giá trị vết đen hàng tháng theo giá trị cực đại Rmaxcủa chu kỳ đó Giá trị này liên hệ với độ dài của chu kỳ trước, nhưng kết quả dự đoán tương đối chính xác chỉ có thể có được sau khi chu kỳ đạt cực tiểu từ 2 – 3 năm

Hiện nay, một nhóm các chuyên gia đã đưa ra dự đoán về chu kỳ tiếp theo của Mặt Trời, cho rằng chu kỳ thứ 24 sẽ lên tới đỉnh vào tháng 5 năm 2013 với số lượng các điểm đen dưới mức trung bình Được chỉ đạo bởi Cơ quan Khí quyển và Đại dương quốc gia (NOAA) và được tài trợ bởi NASA, nhóm nghiên cứu bao gồm

12 thành viên đến từ 9 viện nghiên cứu và cơ quan chính phủ khác nhau Dự báo của họ cho rằng Mặt Trời sẽ ở trong tình trạng gần như yên tĩnh ít nhất trong vòng 1 năm nữa trước khi hoạt động trở lại bình thường

“Nếu dự báo của chúng tôi là chính xác, chu kỳ 24 của Mặt Trời sẽ có tối đa

90 điểm đen, con số thấp nhất trong tất cả các chu kỳ kể từ chu kỳ thứ 16 với 78 điểm đen năm 1928” dẫn lời Doug Biesecker, chủ tịch trung tâm dự báo thời tiết vũ

trụ của NOAA

Chu kì vết đen Mặt Trời hiện nay được trung tâm NASA biễu diễn qua giản đồ sau:

Nguyên lý hoạt động bên trong của vết đen trên Mặt Trời luôn là điều bí ẩn,

và việc hiểu rõ về nguyên lý phức tạp phát sinh trong vết đen giúp các nhà khoa học

Hình 1.11: Chu kì 24 của vết đen Mặt Trời

nắm chắc, và có thể dự đoán từ trường phát sinh từ vết đen gây ảnh hưởng thế nào đến hệ thống thông tin và khí hậu Matthias Rempel, là người trợ giúp nghiên cứu chế tạo ra mô hình máy tính thuộc trung tâm nghiên cứu quốc gia NCAR của Mỹ

cho biết: “Đây là lần đầu tiên chúng tôi mô tả được hoàn chỉnh cả mô hình vết đen

Mặt Trời”

Đây là mô phỏng mới nhất cho khu vực Mặt Trời có bán kính bề mặt là 49879m x 99758m, độ sâu là 5953m Hình ảnh mô phỏng trên máy tính phát hiện vết đen Mặt Trời có hai điện cực trái nhau Mô hình chi tiết này cho thấy khu vực trung tâm màu đen chính là phần ảnh đen trung tâm của vết đen Mặt Trời, do đó phần nửa tối xung quanh vết đen Mặt Trời có phun ra rất nhiều những vật có hình sợi

Mô phỏng này chỉ ra rằng, từ trường trong vết đen Mặt Trời chắc chắn phải nghiêng lệch theo một hướng nhất định thì mới phát sinh ra hiện tượng này Matthias Rempel và các đồng nghiệp của ông cho rằng, dựa vào đặc trưng của vết đen Mặt Trời, chúng ta có thể lý giải hiện tượng đối lưu trong từ trường

Michael Konofaike (Trung tâm NCAR) nói: “Các nhà khoa học thông qua thực nghiệm mô phỏng mang tính đột phá này để hoàn chỉnh sơ đồ vật lý, có thể đặt quan sát bề ngoài, sự hình thành, động lực học và sự tan biến của vết đen Mặt Trời liê n kết lại với nhau” Dòng máy tính cao cấp Blue file thuộc trung tâm nghiên cứu

Hình 1.12: Mô phỏng mới nhất về vết đen Mặt Trời

quốc gia NCAR đã được sử dụng để thực hiện thí nghiệm mô phỏng, đồng thời kính viễn vọng mặt đất và không gian cũng được đưa vào sử dụng để quan sát Kết quả nghiên cứu này được đăng trên tờ "Tạp chí Khoa học" ngày 19/06 vừa qua

 Trên đây là toàn bộ lý thuyết về vết đen Mặt Trời mà tôi đã trình bày và mong là người đọc đã có cái nhìn tổng quan về dạng hoạt động này và sau đây là những hình ảnh vết đen Mặt Trời ghi nhận từ việc quan sát Mặt Trời qua kính thiên văn Takahashi của trường đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh vào những thời điểm khác nhau

Chương 2

TAKAHASHI CỦA KHOA LÝ – TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM TP

HỒ CHÍ MINH 2.1 Mục đích của việc nghiên cứu

(Thời gian nghiên cứu: các ngày trong tháng 12/2010, đầu tháng 4/2011 – đây là giai đoạn đang xảy ra chu kì 24 của Mặt Trời)

 Nắm được cấu tạo cũng như nguyên tắc hoạt động của kính thiên văn

 Biết cách điều chỉnh và sử dụng kính thiên văn Takahashi để quan sát Mặt Trời

 Biết cách ghi lại những hình ảnh của vết đen Mặt Trời thông qua kính Takahashi và so sánh với hình ảnh ghi lại từ trung tâm NASA qua trang web spaceweather.com từ đó rút ra kết luận về việc ghi lại hình ảnh của Mặt Trời thông qua kính thiên văn này

 Qua việc quan sát này, tôi muốn chỉ ra rằng thông qua kính thiên văn Takahashi ở trường đại học Sư Phạm thành phố Hồ Chí Minh ta cũng có thể quan sát được hoạt động của Mặt Trời – cụ thể là những vết đen Mặt Trời, và thấy rõ rằng các vết đen này có sự di chuyển trên đĩa Mặt Trời Nó xuất hiện ở mép bên này, tồn tại trong một thời gian rồi di chuyển ngang bề mặt rồi sau đó mất đi ở mép bên kia của đĩa Mặt Trời Và đây chính là minh chứng cho sự tự quay của Mặt Trời, Galileo đã chứng minh được sự tự quay của Mặt Trời là 27 ngày

2.2 Kính thiên văn

Năm 1609 chiếc kính thiên văn đầu tiên của nhân loại được ra đời bởi nhà bác học Galileo với dụng cụ thô sơ chỉ gồm một ống bằng chì bên trong được đặt vào 2 thấu kính một phẳng lồi và một phẳng lõm Và ông đã dùng kính này để quan sát bầu trời và phát hiện ra nhiều bí ẩn về Vũ Trụ mà trước đó chưa một ai nhìn thấy

Kính thiên văn là dụng cụ để nhìn những vật ở xa, hay nó là dụng cụ dùng để thu tín hiệu (bức xạ điện từ) phát ra từ vật thể Vì kính thiên văn là một dụng cụ quang học nên nó chịu những sai lệch quang học như quang sai, sắc sai và nó cũng

là dụng cụ thu bức xạ điện từ nên nó chịu ảnh hưởng của môi trường

2.2.1 Phân loại kính

Kính thiên văn quang học được cấu tạo gồm hai bộ phận: Vật kính và thị kính Tùy thuộc vào hệ thống quang học kính mà người ta đã chia thành hai loại kính sau:

2.2.1.1 Kính thiên văn khúc xạ

Vật kính và thị kính đều là thấu kính

Ống nhòm là thế hệ đầu tiên của loại kính này, một trong những kiểu kính vẫn còn sử dụng cho đến ngày nay là: Kiểu Galileo, Kepler (giống kiểu của Galileo nhưng Kepler thay thấu kính phân kỳ thành thấu kính hội tụ)…

Nhược điểm của loại kính này là khả năng thu gom ánh sáng không cao và bị sắc sai (là hiện tượng ánh sáng trắng sau khi đi qua thấu kính hoặc lăng kính bị tán sắc – cho một chùm ánh sáng với sự phân bố từ đỏ đến tím) ánh sáng

2.2.1.2 Kính thiên văn phản xạ

Vật kính là gương cầu hay gương parabol, thị kính là thấu kính

Loại này gồm rất nhiều kiểu như: Newton (được chế tạo vào năm 1668 với chiều dài chỉ khoảng 15cm), Cassegrain, Grigorian, Conde…Sự khác nhau giữa các kiểu này là ở chổ đặt thêm kính phụ tại tiêu điểm nhằm tăng thêm khả năng của kính

Ưu điểm:

• Khắc phục được các nhược điểm của kính khúc xạ

• Việc chế tạo một gương cầu lõm rồi tráng bạc dễ dàng hơn việc đúc một thấu kính lớn, do đó có lợi thế về độ mở ống kính, giảm tối đa cầu sai (hiện

Hình 2.1: Mô hình tạo ảnh bởi kính thiên văn khúc xạ