Ứng dụng lượng giác cầu trong tính toán xác định vị trí của các thiên thể và giải bài tập thiên văn

Ngày naykhi khoa học phát triển tới trình độ cao, Thiên văn học càng liên quan chặtchẽ với các ngành khoa học tự nhiên khác như Vật lý, Hoá học, Toán học,...Giờ đây con người đã có thể đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ HỒNG NHUNG

ỨNG DỤNG LƯỢNG GIÁC CẦU TRONG TÍNH TOÁN

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA CÁC THIÊN THỂ

VÀ GIẢI BÀI TẬP THIÊN VĂN

Chuyên ngành: Vật lý đại cương KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hà Nội – 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

PHẠM THỊ HỒNG NHUNG

ỨNG DỤNG LƯỢNG GIÁC CẦU TRONG TÍNH TOÁN

XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ CỦA CÁC THIÊN THỂ

VÀ GIẢI BÀI TẬP THIÊN VĂN

Chuyên ngành: Vật lý đại cương KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học

TS Nguyễn Hữu Tình

Hà Nội – 2018

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn HữuTình người đã giúp đỡ định hướng nghiên cứu, cung cấp cho em những tàiliệu quý báu, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất trong quátrình hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, các cô Trường Đại học

Sư phạm Hà Nội 2 đã giảng dạy, dìu dắt và cung cấp cho em những nền tảngkiến thức cơ bản đến những kiến thức chuyên ngành chuyên sâu, cũng nhưkhả năng thực hành, thực nghiệm trong suốt bốn năm học qua

Cuối cùng, em xin gửi những lời tốt đẹp nhất đến bố mẹ, gia đìnhbạn bè đã luôn bên cạnh, kịp thời giúp đỡ, động viên em vượt qua khó khănhoàn thành khoá luận một cách tốt đẹp

Là một sinh viên lần đầu tiên nghiên cứu khoa học nên khoá luậncủa em không tránh khỏi sự thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận được nhữngđóng góp ý kiến của thầy cô và bạn bè để khoá luận được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cám ơn!

Hà Nội, ngày 09 tháng 05 năm 2018

Sinh Viên

Phạm Thị Hồng Nhung

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong khoá luận hoàn toàn làtrung thực và chưa từng được công bố bởi bất kì nơi nào khác, mọi nguồn tàiliệu tham khảo đều được trích dẫn một cách rõ ràng

Hà Nội, ngày 09 tháng 05 năm 2018

Sinh Viên

Phạm Thị Hồng Nhung

MỤC LỤC

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Nhiệm vụ của đề tài 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Cấu trúc của đề tài 2

PHẦN 2: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG I: LƯỢC SỬ THIÊN VĂN HỌC 3

1.1 Thời tiền sử 3

1.2 Thiên văn học trong các nền văn minh cổ đại 4

1.3 Thời trung cổ 6

1.4 Thời phục hưng 7

1.5 Thế kỉ XVII-XVIII 9

1.6 Thế kỉ XIX 11

1.7 Thế kỉ XX đến nay 13

CHƯƠNG II: TOẠ ĐỘ CẦU, LƯỢNG GIÁC CẦU VÀ ỨNG DỤNG 17

2.1 Các hệ toạ độ cầu 17

2.1.1 Hệ toạ độ chân trời 17

2.1.2 Hệ toạ độ xích đạo 18

2.1.3 Hệ toạ độ hoàng đạo 20

2.2 Lượng giác cầu 21

2.2.1 Những công thức cơ bản của tam giác cầu 21

2.2.1.1 Tam giác cầu 21

2.2.1.2 Thành lập công thức cơ bản 22

2.2.2 Công thức chuyển hệ toạ độ 24

2.2.2.1 Chuyển từ hệ tọa độ xích đạo sang hệ tọa độ chân trời 25

2.2.2.2 Chuyển hệ tọa độ chân trời sang hệ tọa độ xích đạo 26

2.2.2.3 Chuyển hệ tọa độ từ xích đạo (α, δ) sang hệ tọa độ hoàng đạo (L, B) 27

2.2.2.4 Chuyển hệ tọa độ từ hoàng đạo sang xích đạo 29

2.2.3 Xác định thời điểm và vị trí mọc (lặn) của các thiên thể 30

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG LƯỢNG GIÁC CẦU VÀO GIẢI BÀI TẬP 32

PHẦN 3: KẾT LUẬN 39

PHẦN 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Minh hoạ hệ toạ độ chân trời 17

Hình 2.2 Hệ tọa độ góc giờ 18

Hình 2.3 Hệ tọa độ xích kinh 19

Hình 2.4 Hệ tọa độ hoàng đạo 20

Hình 2.5 Tam giác cầu 21

Hình 2.6 Tam giác cầu trong hệ tọa độ OXYZ 22

Hình 2.7 Tam giác cầu trong hệ tọa độ OXYZ’ 23

Hình 2.8 Tam giác cầu vuông 24

Hình 2.9 Tam giác cầu trong hệ tọa độ xích đạo và chân trời 25

Hình 2.10 Tam giác cầu trong hệ tọa độ xích đạo và hoàng đạo 28

Hình 2.11 Tam giác cầu trong hệ tọa độ hoàng đạo và xích đạo 29

1 Lý do chọn đề tài

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

Thế giới tự nhiên, xét về mặt vật lý, là một bức tranh gồm ba phần: vi

mô, vĩ mô và siêu vĩ mô Siêu vĩ mô có nghĩa là vô cùng to lớn theo khônggian và thời gian Thiên văn học là môn học về thế giới siêu vĩ mô đó Cùngvới các phần học khác của Vật lý, Thiên văn giúp chúng ta có được một bứctranh toàn diện về thế giới tự nhiên Thiên văn học là một môn rất cổ điển,nhưng đồng thời cũng rất hiện đại

Thiên văn học có quan hệ rất mật thiết với các ngành khoa học khác.Trước thế kỉ 19, Thiên văn học không tách rời Toán học và Cơ học Ngày naykhi khoa học phát triển tới trình độ cao, Thiên văn học càng liên quan chặtchẽ với các ngành khoa học tự nhiên khác như Vật lý, Hoá học, Toán học, Giờ đây con người đã có thể đặt chân lên vũ trụ, có thể tiên đoán chính xáccác hiện tượng thời tiết, các chuyển động của các thiên thể và những ảnhhưởng của chúng tới Trái Đất, chúng ta cũng có những hệ thống thông tin liênlạc vững chắc qua những vệ tinh nhân tạo mà ngay lúc này vẫn đang khôngngừng chuyển thông tin đến khắp mọi nơi trên Trái Đất, v.v.v Tất cả nhữngđóng góp đó đã đưa Thiên văn trở thành ngành khoa học quan trọng đượcnghiên cứu mũi nhọn tại nhiều nước trên thế giới; và khác với sự lầm tưởngcủa nhiều người, Thiên văn học ngày nay không chỉ là nghiên cứu những hiệntượng trên bầu trời, sự xuất hiện và biến mất của các ngôi sao, mà là mộtngành khoa học nghiên cứu về toàn bộ vũ trụ trên quy mô từ vi mô đến siêu vĩ

mô với cơ sở chính là vật lý học

Thiên văn học là khoa học nghiên cứu các thiên thể, trong đó nếunghiên cứu về sự dịch chuyển của các thiên thể hay xác định vị trí cụ thể củacác thiên thể, khoảng cách giữa chúng trên Thiên cầu và toạ dộ của các điểmtrên mặt đất thì chúng ta phải biết được công thức liên hệ giữa các yếu tố (góc

và cạnh) Nhưng chúng ta lại không sử dụng được công thức trong hình họcphẳng bởi vì các thiên thể được phân bố trên mặt cầu (thiên cầu) và khoảngcách giữa hai điểm trên mặt đất là vòng cung lớn vì vậy người ta phải sử dụngcác công thức lượng giác cầu Do thấy sự cần thiết của vấn đề em xin được

làm đề tài “Ứng dụng lượng giác cầu trong tính toán xác định vị trí của các

thiên thể và giải bài tập thiên văn”.

2 Mục đích nghiên cứu

Ứng dụng của các công thức lượng giác cầu trong việc xác định vị trí củacác thiên thể và áp dụng để giải bài tập thiên văn

3 Nhiệm vụ của đề tài

Tìm hiểu về lịch sử Thiên văn học

Tìm hiểu các hệ toạ độ cầu

Xây dựng công thức lượng giác cầu

Ứng dụng công thức lượng giác cầu vào việc xác định vị trí và áp dụng giải bài tập Thiên văn

4 Phạm vi nghiên cứu

Các hệ toạ độ cầu, công thức lượng giác cầu và ứng dụng của nó

5 Phương pháp nghiên cứu

Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu có liên quan

6 Cấu trúc của đề tài

1.1 Thời tiền sử

NỘI DUNG CHƯƠNG I:

LƯỢC SỬ THIÊN VĂN HỌC

Từ thời đại tiền sử, con người đã ngắm nhìn và suy ngẫm về bầu trờisao huyền bí trên đầu Người xưa quan sát chuyển động lặp đi lặp lại của MặtTrời và Mặt Trăng trên bầu trời đêm để nhận biết các thời điểm chuyển mùa.Những hiện tượng thiên văn bí ẩn còn được coi là điềm báo cho những gì

sẽ xảy ra trong cuộc sống cũng như củng cố tín ngưỡng của con người Khiviệc trồng trọt và chăn nuôi xuất hiện thì quan sát thiên văn trở nên rất quantrọng Nông dân, mục đồng và thợ săn quan sát thiên văn để biết được thời vụđánh bắt, sản xuất Dần dần con người nhận ra rằng Mặt Trời, Mặt Trăng vànhững vì sao di chuyển theo một đường nhất định trên trời còn những hànhtinh lại không như vậy Những ngôi sao sáng ở gần nhau được con người gộplại thành các chòm sao theo những hình dạng nhất định và thường đi kèm vớinhững truyền thuyết, tín ngưỡng thời xa xưa

Khoảng 8.000-12.000 năm trước, người tiền sử ở Siberia đã tưởng tượng

ra hình một con gấu với cái đuôi dài khi quan sát những ngôi sao sáng trongchòm sao Đại Hùng ngày nay Có tài liệu cho rằng, những dấu chấm khắcdưới hình con ngựa trong hang động Lascaux ở Pháp có niên đại khoảng15.000 năm TCN thể hiện những pha của Mặt Trăng

Từ thời đồ đá, con người đã xây dựng những công trình thiên văn Mộttrong những kiến trúc cổ nhất liên quan đến thiên văn học ở châu Âu làNewgrange ở gần thủ đô Dublin của Ai len Công trình khổng lồ bằng đá vớiniên đại khoảng 3.200 năm TCN này có một hành lang hẹp dẫn vào một cănphòng Vào ngày cận ngày đông chí, ánh sáng Mặt Trời mọc sẽ chiếu xuyênqua hành lang đó vào tận căn phòng

Một trong những công trình bí ẩn và hoành tráng đã được công nhận là

di sản thế giới trên bình nguyên Salisbury của nước Anh là ngôi đềnStonehenge Ngày nay, hầu hết những nhà nghiên cứu đều nhất trí rằng ngôiđền được xây dựng vào khoảng năm 1900 đến 1600 TCN với 30 cột đá đồ sộchôn sâu xuống đất và cao hơn mặt đất khoảng 5,5 m; rộng 2 m; nặng khoảng

26 tấn tạo thành một vòng đường kính 29,5 m Phía trong vòng cột có 5

"cổng" được tạo bởi một phiến đá xếp chồng lên hai phiến khác; nhóm "cổng"này được xếp theo hình móng ngựa bao quanh trụ đá trung tâm Phiến đá lớnnhất gọi là "Cột Đá Gót" (Heel Stone) nặng tới 35 tấn được dựng ở cuối mộtđường hành lang ở hướng Đông Bắc của ngôi đền Vào ngày hạ chí, khi MặtTrời mọc ở hướng Đông Bắc gần điểm chính Bắc nhất thì nó mọc lên ở đúngđỉnh Cột Đá Gót Ngoài ra, có nhà nghiên cứu còn cho rằng các cột đá kháccòn có thể được dùng để xác định thiên thực

1.2 Thiên văn học trong các nền văn minh cổ đại

Thời cổ đại, thiên văn học ra đời trước tiên với mục đích giải thích cáchiện tượng của tự nhiên Con người cổ đại muốn có một cách giải thích cáchiện tượng thường làm họ hoảng sợ như mưa, bão, nhật thực, nguyệt thực, sựthay đổi của bầu trời ban đầu các hiện tượng thường được gán cho các vịthần, các thế lực siêu nhiên Thần thoại và truyền thuyết chính là ra đời từ đó,các quốc gia có nền văn minh phát triển sớm nhất cũng có thần thoại pháttriển mạnh nhất như Hy Lạp, Trung Quốc, Ấn Độ, , đây cũng chính là cơ sởcho tôn giáo hình thành và phát triển thông qua việc cúng bái các vị thần đểcầu xin sự khỏe mạnh, may mắn

Tuy nhiên những giải thích theo thần thoại chỉ có tính tình thế, nó nuôidưỡng những niềm tin thiếu cơ sở thực tế, và thiên văn học ra đời chính từmong muốn tìm ra những cơ sở để giải thích cho các hiện tượng thiên nhiên,các quy luật của trời đất, vũ trụ Những quan sát cổ nhất về thiên văn học mà

con người được biết ngày nay là những quan sát từ 4000 năm trước CôngNguyên (TCN) tại Ai Cập và Trung Mĩ, văn bản cổ nhất ghi chép lại nhữngquan sát thiên văn được tìm thấy lầ những văn bản tồn tại từ những năm 3000TCN tại Trung Mĩ, Ai Cập và Trung Quốc Năm 2697 TCN, người TrungQuốc đã có những quan sát và ghi chép đầu tiên về nhật thực Vào khoảngnhững năm 2000 TCN, đã xuất hiện những cuốn lịch đầu tiên về chu kì củaMặt Trời và Mặt Trăng (sun – lunar calendar) và các nhà thiên văn cổ đã vẽđược những chòm sao đầu tiên.

Thế kỉ tứ 6 TCN, Pythagor và Thales là những người đàu tiên nêu lên ýtưởng rằng Trái Đất có dạng cầu Thales cũng đã tính được chính xác chu kìthời tiết là 365 ngày, dự đoán tương đối chính xác chu kì nhật – nguyệt thực.Theo quan niệm của Thales thì mọi thứ trong tự nhiên đều sinh ra từ nước và

sẽ quay trở lại với nước Một nhà triết học khác là Anaximande đưa ra môhình vũ trụ đầu tiên trong đó Trái Đất như một hình trụ ngắn có 3 vành quayquanh trên đó có gắn các hành tinh, Mặt Trời và Mặt Trăng

Khoảng thế kỉ thứ 5 TCN, thiên văn học bắt đầu được nhiều nhà triết học

và toán học quan tâm đến khi họ bắt đầu sử dụng các tư duy toán học đầu tiêncủa mình để giải thích thiên văn

Thế kỉ thứ 4 TCN, Aristotle đưa ra mô hình vũ trụ trong đó Trái Đất làtrung tâm, đây là mô hình địa tâm đầu tiên của nhân loại Aristotle còn chorằng mọi vật tạo thành từ 4 yếu tố (element) là đất, không khí, nước và lửa.Nhà vật lí này còn xây dựng nên cả một hệ thống các định luật vật lí mà ngàynay được gọi là vật lí Aristotle (hệ thống vật lí này là không chính xác và saunày nó bị Galilei chứng minh là sai lầm và bác bỏ)

Khoảng năm 280 TCN, 2 nhà thiên văn là Aristarchus và Samos đã đưa

ra ý tưởng cho rằng Trái Đất chuyển động tròn quanh Mặt Trời

Năm 130 TCN, Hipparchus khám phá ra hiện tượng tiến động của cácđiểm xuân phân và thu phân, ông cũng đã đưa ra danh mục sao đầu tiên củanhân loại với sự liệt kê khoảng 1000 ngôi sao sáng.

Năm 140 sau Công Nguyên (SCN), Claudius Ptolemy – một nhà toánhọc lớn của Hi Lạp cổ - cho ra đời tác phẩm Mathematike Syntaxis (sau nàydịch ra là Almagest) trong đó có các danh mục của 48 chòm sao đầu tiêntrong thiên văn học, sự mô tả chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng và cáchành tinh trên thiên cầu Mô hình của Ptolemy sau này được gọi là mô hìnhđịa tâm Ptolemy Mô hình này cho biết Trái Đất nằm ở trung tâm vũ trụ MặtTrời, mặt Trăng, các hành tinh và các ngôi sao chuyển động trên những mặtcầu quanh Trái Đất Sau này mô hình lộ rõ nhiều điểm bất hợp lí nhưng nóvẫn được duy trì dưới sự bảo vệ rất vững chắc của tôn giáo do nó củng cốniềm tin của con người vào sự sáng tạo của Thượng Đế

1.3 Thời trung cổ

Thiên văn học trung cổ được tính từ thế kỉ thứ 8 đến thế kỉ thứ 12 sauCông Nguyên Đây là thời kì nhận thức và tư tưởng của con người về vũ trụphần nhiều là không có mấy tiến bộ do phải núp dưới cái bóng của mô hìnhđịa tâm Ptolemy được bảo vệ bởi nhà thờ tôn giáo

Từ đầu thế kỉ thứ 9 đến thế kỉ thứ 11 là thời kì phát triển khá mạnh củathiên văn học tại các nền văn minh Ả Rập và Ba Tư Các nhà thiên văn củacác nền văn minh này đã đưa ra được danh mục sao tương đối đầy đủ, mô tảkhá chính xác chuyển động biểu kiến của Mặt Trăng và các hành tinh,

Năm 813, một nhà thiên văn là Al Mamon lập ra trường họ thiên vănBagdad, tác phẩm Mathematike Syntaxis của Ptolemy được dịch ra tiếng Arập là Al- Majisti, sau này tiếng Latin gọi nó là Almagest

Năm 903, Al Sufi lập ra danh mục sao của mình đầy đủ hơn Ptolemycùng với hình vẽ mô tả vị trí các ngôi sao và chòm sao

Năm 1054, các nhà thiên văn cổ Trung Quốc quan sát được hiện tượngxuất hiện một sao siêu mới (super nova) trong chòm sao Taurus (ngày nay saosiêu mới này được biết đến chính là tinh vân con cua – M1)

1.4 Thời phục hưng

Thiên văn học châu Âu thời Phục hưng chứng kiến cuộc cách mạng củanhững tên tuổi lớn như Tycho Brahe, Copernicus, Kepler, Galileo Tuynhiên, trước đó phải nhắc đến Johannes Müller (còn gọi là Regiomontanus),người đã dịch tác phẩm vĩ đại Almagest từ tiếng Ả Rập và đưa ra những bìnhluận có giá trị trong cuốn sách Epitome of the Almagest (Tóm lược vềAlmagest) mà sau này được Copernicus, Galileo sử dụng

Cuộc cách mạng đã bùng nổ với nhà thiên văn học người Ba LanNicolaus Copernicus, "người đã bắt Mặt Trời dừng lại và đẩy cho Trái Đấtquay" như những lời ghi trên tượng đài của ông ở Warsaw Sau những nămtháng làm việc ở giáo đường Frombork, ông cho ra đời tập Tiểu luận(Commentariolus) trình bày những ý niệm ban đầu về thuyết nhật tâm củamình Kết quả của hàng thập kỷ lao động của ông được thể hiện trong bộ sách

Về chuyển động quay của các thiên thể (De revolutionibus orbiumcoelestium) xuất bản lần đầu tiên năm 1543 Bộ sách gồm sáu cuốn trong đótrình bày quan điểm và những lý giải của ông về hệ thống nhật tâm đồng thờiđưa ra danh mục các ngôi sao (định tinh) cũng như mô tả chuyển động biểukiến của Mặt Trời, Mặt Trăng và các hành tinh Tuy nhiên do coi rằng cáchành tinh chuyển động tròn đều nên hệ thống của Copernicus còn chưa đạt độchính xác cao và sau này Kepler, Newton tiếp tục hoàn thiện

Tycho Brahe (1546 - 1601), nhà quan trắc thiên văn học người ĐanMạch đã xây dựng một đài thiên văn lớn và đặt tên là Uraniborg (nghĩa là

"Lâu đài trời") Với kết quả quan trắc, ông lập được một bản danh mục gồm

788 ngôi sao với độ chính xác cao mà sau này là cơ sở dữ liệu cho những

công trình của Kepler Ông cũng có những nghiên cứu về sao chổi và đưa ra

lý thuyết về chuyển động của Mặt Trời, Mặt Trăng Tuy nhiên, Brahe vẫn chorằng Trái Đất đứng yên, Mặt Trời, Mặt Trăng chuyển động quanh nó còn cáchành tinh chuyển động quanh Mặt Trời

Sử dụng những kết quả quan sát của Brahe, Johannes Kepler, người kếnhiệm ông ở đài thiên văn Prague, đã nghiên cứu và tìm ra quy luật chuyểnđộng của các hành tinh Những công trình của ông không những mô tả chuyểnđộng của các hành tinh mà còn đề cập đến nguyên nhân của những chuyểnđộng ấy Theo mô hình của Kepler, động cơ tiên khởi của chuyển động củacác hành tinh là Mặt Trời, nó quay và nhờ "trường lực" của mình khiến chocác hành tinh khác quay theo Mặt khác các hành tinh còn hút lẫn nhau, lựchút này giống như từ tính và càng gần nhau thì cường độ càng lớn Ông cũngđưa ra giả thuyết về nguyên nhân của thuỷ triều là do lực hấp dẫn của MặtTrăng Thiên văn học giờ đây đã chuyển từ những mô hình thuần tuý toán họcsang bản chất vật lý mà sau đó Newton đã làm cho hai môn khoa học này gắn

bó chặt chẽ với nhau Với những đóng góp đó, Kepler được coi là một trongnhững người đặt nền móng cho thiên văn học hiện đại

Sống cùng thời và đã có trao đổi thư từ với Kepler là một nhà thiên vănhọc vĩ đại khác - Galileo Galilei Được biết về phát minh ra ống nhòm củangười Hà Lan ông đã chế tạo ra kính viễn vọng và cuối năm 1609, bắt đầuquan sát bầu trời bằng dụng cụ này Ông đã nhìn thấy những mỏm núi trênMặt Trăng, quan sát các vết đen Mặt Trời, biết rằng Ngân Hà là được tạo bởinhững ngôi sao nhỏ li ti, phát hiện ra bốn vệ tinh (Galileo gọi chúng là hànhtinh và sau đó Kepler mới đề nghị dùng từ vệ tinh) của sao Mộc Ông cũngnhận thấy các pha của sao Kim rất giống với Mặt Trăng và do đó nó phảiquay quanh Mặt Trời chứ không phải Trái Đất Những khám phá của Galileo

đã chứng minh cho học thuyết của Copernicus

Một nhà triết học và vũ trụ học người Ý khác là Giordano Bruno đã tánthành và phát triển học thuyết của Copernicus về vũ trụ Ông cho rằng khôngchỉ Trái Đất mà cả Mặt Trời cũng tự quay quanh trục của nó và còn có nhiềuhành tinh quay quanh Mặt Trời mà con người chưa biết tới Trong vũ trụ có

vô số những ngôi sao tương tự Mặt Trời cũng như những thế giới khác giốngnhư Trái Đất Vì những quan điểm này mà Bruno đã bị toà án giáo hội thiêutrên giàn lửa

1.5 Thế kỉ XVII-XVIII

Thời cận đại đánh dấu bước chuyển của thiên văn học sang những nhậnthức khoa học và hiện đại về vũ trụ, thiên văn học và vật lý học trở nên thốngnhất với sự ra đời của môn cơ học thiên thể

Isaac Newton, nhà khoa học vĩ đại đã có những đóng góp to lớn trong sựphát triển của thiên văn học thời kỳ này Ông đã chế tạo chiếc kính thiên vănphản xạ đầu tiên, phân tích ánh sáng thành một chuỗi các vạch quang phổ, đặtnền móng cho quang phổ học, một phương pháp quan trọng để nghiên cứucác thiên thể Tuy nhiên thành tựu quan trọng nhất của ông trong thiên vănhọc là ba định luật của động lực học và định luật vạn vật hấp dẫn được trìnhbày trong phần thứ ba (thiên văn học) của tác phẩm Những nguyên lý toánhọc của triết học tự nhiên (tiếng Latin: Philosophiae Naturalis PrincipiaMathematica) Với quan niệm rằng chuyển động của các thiên thể cũng tuântheo các quy luật như chuyển động của các vật thể khác trên mặt đất Newton

đã hợp nhất các định luật của Kepler và cơ học của Galileo tạo bước ngoặtcho sự phát triển của môn cơ học thiên thể

Những người kế tục Newton đã tiếp tục chứng minh tính đúng đắn củađịnh luật vạn vật hấp dẫn cũng như phát triển môn cơ học thiên thể EdmundHalley đã phát hiện ra gia tốc thế kỷ của Mặt Trăng mà sau này Euler,Lagrange và Laplace đã giải thích nó bằng lý thuyết vạn vật hấp dẫn Ông

cũng tới đảo St Helena và lập bản đồ với 341 ngôi sao ở thiên cầu Nam(không nhìn thấy được ở châu Âu) và cũng trong khi ở đây, ông đo được sựkhác biệt về độ dài của giây do con lắc dao động tạo ra khi ở những vĩ độkhác nhau do lực hấp dẫn khác nhau (bởi khoảng cách đến tâm Trái Đất thayđổi) mà Newton đã chỉ ra Halley cũng tạo ra bước ngoặt trong quan niệm vềsao chổi Trước đó sao chổi được cho là có quỹ đạo parabol và sẽ vĩnh viễn đivào vũ trụ bao la sau khi đi ngang qua Trái Đất.

Trong lĩnh vực quan trắc, giai đoạn này cũng có những thành tựu nổi bật.Giovanni Cassini, giám đốc Đài thiên văn Paris đã khám phá ra 4 vệ tinh củasao Thổ là Iapetus (1671), Rhea (1672), Tethys (1684), Dione (1684) vàkhoảng tối giữa vành đai của hành tinh này (gọi là vạch chia Cassini) Bằngphương pháp quan sát sao Hoả ở hai điểm Cayenne và Paris rồi từ hiệu toạ độgiữa chúng, ông đã xác định được khoảng cách tương đối chính xác từ TráiĐất đến Mặt Trời (đơn vị thiên văn) Ở Nga, Mikhail Lomonosov tìm ra khíquyển của sao Kim còn ở Anh, James Bradley phát hiện hiện tượng tinh sai

do chuyển động của Trái Đất và tính hữu hạn của vận tốc ánh sáng; hiệntượng chương động (sự lắc của trục Trái Đất với chu kỳ 18,6 năm đồng bộ vớihiện tượng quay đảo của quỹ đạo Mặt Trăng) Nhà quan trắc xuất sắc và tiênphong trong giai đoạn này là Friedrich Wilhelm (William) Herschel vớinhững chiếc kính thiên văn phản xạ khổng lồ của mình Trong 20 năm quansát, ông đã phát hiện được khoảng 2500 tinh vân và sao chùm đồng thời đưa

ra mô hình các tinh vân dạng Ngân Hà Herschel đã tìm ra một hành tinh mớitrong hệ Mặt Trời - sao Thiên Vương (1781) mà thoạt đầu ông nghĩ đó là saochổi rồi 2 vệ tinh của nó là Titania và Oberon, phát hiện 2 vệ tinh thứ sáu vàthứ bảy của sao Thổ (Enceladus, Mimas) năm 1789 Herschel còn chỉ ra rằng

hệ Mặt Trời cũng chuyển động giữa các ngôi sao gần đó và điểm hướng trongchuyển động của nó (điểm Apex) là sao Lambda Herculis trong chòm Vũ

Tiên Nhà thiên văn này cũng là người phát hiện ra tia hồng ngoại khi nhậnthấy nhiệt kế để ở ngoài phạm vi phổ nhìn thấy được của ánh sáng Mặt Trời

về phía màu đỏ cũng nóng lên

Về sự hình thành của vũ trụ và Hệ Mặt Trời, vào đầu thế kỷ 18, giảthuyết tinh vân do Emanuel Swedenborg đề xuất cho rằng mọi cơ cấu trong tựnhiên đều được tạo thành theo những nguyên lý như nhau Các nguyên tửcũng như những ngôi sao đều được tạo ra bởi luồng xoáy cố hữu của vật chất.Nguyên tử là một cơ cấu phức tạp của các hạt tương tự như Hệ Mặt Trời Tuynhiên ông không công nhận lực hấp dẫn của Newton mà cho rằng các ngôisao, hành tinh được từ lực giữ Nhà triết học nổi tiếng Immanuel Kant đã tiếptục phát triển giả thuyết này nhưng theo thuyết vạn vật hấp dẫn của Newton,chính lực hấp dẫn đã làm cho vật chất ở trạng thái loãng lúc ban đầu chuyểnđộng xoáy Dần dần, lực hoá học đã tạo ra được sự cô đặc ban đầu của vậtchất nguyên thuỷ và dưới tác dụng của lực hấp dẫn, khối lượng cô đặc ở tâmtăng lên Tinh vân chuyển động xoáy ngày càng đặc và phần trung tâm hìnhthành nên Mặt Trời còn vành khuyên tạo thành các hành tinh Độc lập vớiKant, Laplace cũng có một số ý tưởng trùng hợp trong tác phẩm Trình bày hệthống thế giới

sóng của những vạch quan sát được và tên ông được đặt cho những vạch hấpthụ này Giữa thế kỷ 19, các nhà khoa học đã nghiên cứu kỹ về phổ của cácchất khí nóng sáng Gustav Kirchhoff và Robert Bunsen đã so sánh bước sóngcủa những vạch Frauhofer và phát hiện ra natri, sắt, magiê, calcium, crom vànhững kim loại khác trên Mặt Trời Trong những thí nghiệm này, họ cũngphát hiện ra hai nguyên tố mới là caesium và rubidium.

Năm 1862, Anders Angstrom phát hiện hydro trên Mặt Trời và năm

1869 lập bản đồ phổ Mặt Trời với hàng ngàn vạch Năm 1868, Pierre Janssenkhi quan sát nhật thực toàn phần đã để ý thấy một vạch màu vàng sáng trongphổ Mặt Trời gần những vạch kép của natri và sau đó ít lâu, Norman Lockyer

đã khẳng định đó là một nguyên tố mới - helium mà mãi đến năm 1895 mớitìm ra trên Trái Đất Những kết quả nghiên cứu phổ Mặt Trời đã kích thích sựchuyển hướng sang các ngôi sao và hành tinh khác Angelo Secchi đã nghiêncứu phổ của khoảng 4000 ngôi sao và được coi là cha đẻ của hệ thống phânloại phổ sao Một người Ý khác, Giovanni Donati là người đầu tiên thu đượcphổ sao chổi và nhận dạng, phân loại các vạch quan sát được trong phổ đó.William Huggins xác lập sự tương đồng giữa phổ Mặt Trời với nhiều ngôi sao

và lần đầu tiên thu được phổ của các tinh vân khí gồm những vạch phát xạriêng biệt Năm 1890, Đài thiên văn Havard đã xuất bản danh mục phổ saogồm 10.350 sao đến cấp 8, bản danh mục này sau đó thường xuyên được bổsung

Chụp ảnh được Joseph Nicéphore Niépce phát minh năm 1826, và sau

đó ông cùng với Louis Daguerre hoàn thiện phương pháp này Năm 1839,Daguerre tìm ra cách thu nhận ảnh trên tấm kim loại phủ Iodua Bạc rồi chohiện hình bằng hơi thuỷ ngân Phương pháp này được mang tên ông và sau

đó, Louis Arago, giám đốc Đài thiên văn Paris đã ngay lập tức đánh giá caonhững ứng dụng trong tương lai của nó Năm 1851, Frederick Scott Archer đã

đưa ra phương pháp keo ướt, nhờ đó ảnh rõ nét hơn và có thể nhân bản Chụpảnh tạo ra một công cụ hữu hiệu cho quan sát thiên văn mà người đi tiênphong trong chụp ảnh thiên văn là John William Draper với bức ảnh chụpMặt Trăng năm 1840 Warren de la Rue đã chụp được rất nhiều ảnh Mặt Trời,rồi cũng chính Draper chụp được phổ của sao Alpha năm 1872, chụp tinh vânnăm 1880.

1.7 Thế kỉ XX đến nay

Thiên văn học hiện đại có một bước ngoặt hết sức quan trọng cùng vớivật lí, vào những năm đầu tiên của thế kỉ 20, vật lí thế giới bước sang mộttrang mới, thay đổi một phần lớn nhận thức của nhan loại nhờ 2 lí thuyết vật lí

mà đến ngày nay vẫn là 2 mũi nhọn của vật lí hiện đại: thuyết tự do Planck đềxướng năm 1900 và thuyết tương đối đưa ra bởi Einstein (thuyết tương đốihẹp năm 1905 và thuyết tương đối rộng năm 1915) Hai thuyết này đã gópphần quan trọng nhất vào tất cả các khám phá của nhân loại về vũ trụ, khônggian và thời gian trong thế kỉ 20 và cả những năm đầu tiên của thế kỉ 21

- Năm 1900, Chaberlin và Moulton đề xuất giả thuyết va chạm về sựhình thành hệ Mặt Trời, theo đó các hành tinh được hình thành do sự va chạmcủa Mặt Trời sơ khai với một ngôi sao khác Cũng năm này, Max Planck nêu

ra lí thuyết về sự lượng tử hóa năng lượng

- Năm 1905, Albert Einstein nêu ra thuyết tương đối hẹp với 2 nội dungchính là mọi định luật vật lí như nhau với người quan sát ở các hệ quy chiếuquán tính có vận tốc bất kì và vận tốc ánh sáng là vận tốc lớn nhất và là vậntốc tuyệt đối có giá trị như nhau đối với mọi hệ quy chiếu có vận tốc bất kì

- Năm 1911-1914, Hertzsprung và Russel cùng khám phá ra mối liênquan giữa các vạch quang phổ của các ngôi sao và cấp sao của chúng , mốiliên quan này được biểu diễn trên biểu đồ Hertzsprung – Russel (biểu đồ H-

R) Năm 1915, Adams phát hiện ra sao lùn trắng đàu tiên, sao Sirius B.Einstein hoàn thiện và công bố thuyết tương đối rộng về trường hấp dẫn củamình, năm 1916, phương trình của thuyết này ra đời.

- Năm 1919, Eddington chứng minh thành công thuyết tương đối rộngEinstein bằng việc quan sát hiện tượng nhật thực toàn phần trên đảo Principe,qua đó xác minh được tính chính xác của hiệu ứng lệch đường đi tia sáng quaMặt Trời có thể quan sát được khi có nhật thực toàn phần

- Năm 1929, Hubble phát hiện ra hiện tượng tất cả các thiên hà ở rất xa

có vạch quang phổ dịch mạnh về phía đỏ, áp dụng hiệu ứng Doppler cho hiệntượng này, Hubble kết luận rằng tất cả các thiên hà đều đang rời xa nhau theomọi hướng, và như vậy là vũ trụ đang giãn nở Sự rời xa của các thiên hàđược biểu diễn qua định luật Hubble

- Năm 1930, nhà thiên văn nghệp dư Tombaugh phát hiện ra hành tinhthứ 9 của Hệ Mặt Trời – Sao Diêm Vương

sao

- Năm 1937- 1940, Gamov đưa ra lí thuyết về sự tiến hóa của các ngôi

- Năm 1948, Gamov đề xuất lí thuyết Big Bang (vụ nổ lớn) về sự hìnhthành vũ trụ Lí thuyết này cho biết vũ trụ đã hình thành từ một vụ nổ lớncách đây khoảng 15 tỉ năm sinh ra vật chất, không gian và thời gian

- Năm 1957, vệ tinh nhân tạo đầu tiên được phóng lên vũ trụ Vệ tinhnày mang tên Sputnik1, được Liên Xô (cũ) phóng lên ngày 4 tháng 10

- Năm 1961, lần đầu tiên con người đặt chân lên vũ trụ Người đầu tiênbay lên vũ trụ là Gagarin, bay lên vào ngày 12 tháng 4 trên tàu Vostok1

- Năm 1965, Penzias và Wilson khám phá ra sự tồn tại của bức xạ phông

vũ trụ ở nhiệt độ 2,7K Khám phá này là một bằng chứng quan trọng chứngminh cho thuyết Big Bang Loại bức xạ phông này (còn gọi là bức xạ tàn dư)

đã được Big Bang tiên đoán trước đó, đây chính là loại bức xạ còn xót lại vàgiảm nhiệt độ từ Big Bang đến nay

- Năm 1967, Pulsar đầu tiên được phát hiện, đó là các thiên thể nhỏnhưng tốc độ quay rất lớn (có nghĩa là khối lượng của nó là rất lớn), ngày nay

đã biết pulsar là các ngôi sao nặng khi chết đi co lại thành các khối neutron cómật độ rất lớn, gọi là sao neutron

- Năm 1969, con người lần đầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng Hai ngườiđầu tiên đặt chân lên Mặt Trăng là Neils Armstrong và Edwin Aldrin, họ đãbay lên Mặt Trăng bằng tàu Apollo11

- Năm 1977-1986, các tàu Voyager 1 và 2 được phóng lên và lần lượtchụp ảnh các hành tinh ngoài Hệ Mặt Trời, chúng cũng là 2 tàu du hành đầutiên đã ra khỏi biên giới của Hệ Mặt Trời

- Năm 1981, Alan Guth nêu ra lí thuyết lạm phát để mô tả và giải thích

sự giãn nở gia tốc của vũ trụ

- Năm 1998, nhóm dự án vũ trụ học sao siêu mới (Supernova CosmologyProject) do Saul Perlmutter đứng đầu khi quan sát các sao siêu mới phát hiệnrằng vũ trụ đang giãn nở với gia tốc ngày càng tăng và như thế thì vũ trụ sẽgiãn nở mãi mãi

Hiện nay thiên văn học tập trung vào 2 mũi nhọn cơ bản Thứ nhất là vũtrụ học, nghiên cứu cấu trúc và sự tiến hóa của vũ trụ trên nền tảng là các líthuyết vật lí hiện đại (mà chủ yếu là cơ học lượng tử) Hướng mũi nhọn thứ 2

là hàng không vũ trụ, ứng dụng các công nghệ hàng không để nghiên cứu cácthiên thể trong Hệ Mặt Trời.