Sao Thiên Hà

BÀI 60
SAO - THIÊN HÀ
Ngắm nhìn bầu trời ban đêm với dải Ngân Hà mờ ảo, những ngôi sao lấp lánh, ta có thể đặt ra biết bao câu hỏi:
“Các sao có gì khác biệt nhau?”
“Liệu quanh mỗi sao có các hành tinh chuyển động?”
“Dải Ngân Hà mờ ảo có bao nhiêu sao?”.
Thiên hà NGC2997
Năm ánh sáng là một đơn vị đo khoảng cách trong thiên văn. Nó bằng quãng đường mà ánh sáng truyền đi được trong một năm.
1. SAO
Sao là một khối khí nóng sáng, giống như Mặt trời. Vì các sao ở xa nên ta thấy chúng như những điểm sáng.
Ngôi sao gần nhất (sao Cận Tinh trong chòm Bán Nhân Mã) cũng đã cách ta đến hàng chục tỉ kilômét.
Còn ngôi sao ở xa nhất hiện nay đã biết được cách xa ta đến 14 tỉ năm ánh sáng (1 năm ánh sáng  9,46.1012 km).
Xung quanh một số sao còn có các hành tinh chuyển động, giống như hệ Mặt Trời.
Khối lượng của các sao có giá trị nằm trong khoảng từ 0,1 lần khối lượng Mặt Trời đến vài chục lần (đa số khoảng 5 lần) khối lượng Mặt Trời.
Bán kính của các sao có giá trị nằm trong một khoảng rất rộng, từ khoảng một phần nghìn lần bán kính Mặt Trời (ở sao chắt) đến gấp hành nghìn lần bán kính Mặt Trời (ở sao kềnh).
2. CÁC LOẠI SAO
a) Đa số các sao tồn tại trong trạng thái ổn định, có kích thước, nhiệt độ… không đổi trong một thời gian dài. Mặt Trời là một trong số các sao này.
b) Ngoài ra, người ta đã phát hiện thấy có một số sao đặc biệt: Sao biến quang, Sao mới, Sao nơtron.
Sao biến quang là sao có độ sáng thay đổi, có hai loại :
Sao biến quang do che khuất. là một hệ sao đôi (gồm sao chính và sao vệ tinh), mỗi sao có độ sáng không đổi, nhưng do sao vệ tinh chuyển động quanh sao chính, nên khi quan sát trong mặt phẳng chuyển động của sao vệ tinh, thì lần lượt sao vệ tinh che khuất sao chính hoặc bị khuất sau sao chính.
Vì vậy, độ sáng tổng hợp mà ta thu được sẽ biến thiên có chu kì.
Sao biến quang do nén dãn có độ sáng thay đổi thực sự theo một chu kì xác định.
Sao có nhiệt độ cao
Sao có nhiệt độ thấp
C1 Ta có nhận thấy các sao trên bầu trời ban đêm có màu sắc khác nhau không? Theo em, màu sắc của sao thể hiện đặc trưng nào của trạng thái sao?
Ta thấy các sao sáng khác nhau.
Độ sáng mà ta nhìn thấy của một ngôi sao thực chất là độ rọi sáng lên con ngươi của mắt ta, phụ thuộc vào khoảng cách và độ sáng thực của mỗi sao.
Độ sáng thực của mỗi sao lại phụ thuộc vào công suất bức xạ của nó.
Độ sáng của các sao rất khác nhau.
Sao Thiên Lang (sao nhìn thấy sáng nhất trên bầu trời) có công suất bức xạ lớn hơn của Mặt Trời trên 25 lần.
Sao kém sáng nhất có công suất bức xạ nhỏ hơn của Mặt Trời hàng vạn lần.
Sao mới là sao có độ sáng tăng đột ngột lên hàng ngàn, hàng vạn lần, hoặc hàng triệu lần (sao siêu mới), sau đó từ từ giảm.
Lí thuyết cho rằng sao mới, sao siêu mới là một pha đột biến trong quá trình tiến hóa của một hệ sao.
Punxa, sao nơtron là sao bức xạ năng lượng dưới dạng những xung sóng điện từ rất mạnh.
Sao nơtron được cấu tạo bởi các hạt nơtron với mật độ cực kì lớn (1014g/cm3).
Punxa (pulsar) là lõi sao nơtron (với bán kính 10km) tự quay với vận tốc có thể tới 640 vòng/s và phát ra sóng điện từ mạnh.
Bức xạ thu được trên Trái Đất có dạng từ xung sáng giống như ánh sáng của một ngọn hải đăng mà tàu biển nhận được.
Nguồn gốc hình thành các sao nơtron là như sau:
Các sao có khối lượng bằng khoảng 10 lần Mặt Trời thường chỉ “sống” được độ 100 triệu năm, rồi nổ tung thành “sao siêu mới”.
Sau đó trong lõi sao chỉ còn toàn là các hạt nơtron với mật độ cực lớn.
c) Ngoài ra, trong hệ thống các thiên thể trong vũ trụ còn có lỗ đen và tinh vân.
Lỗ đen là một thiên thể được tiên đoán bởi lí thuyết, cũng được cấu tạo bởi các nơtron, có trường hấp dẫn lớn đến nỗi thu hút mọi vật thể, kể cả ánh sáng.
Vì vậy, thiên thể này tối đen, không phát ra bất kì sóng điện từ nào. Người ta chỉ phát hiện được một lỗ đen nhờ tia X phát ra, khi lỗ đen đó hút một thiên thể gần đó.
d) Trên bầu trời, ta còn thấy có những “đám mây sáng”, gọi là tinh vân. Đó là các đám bụi khổng lồ được rọi sáng bởi các ngôi sao ở gần đó, hoặc là các đám khí bị ion hóa được phóng ra từ một sao mới hay sao siêu mới.
3. KHÁI QUÁT VỀ SỰ TIẾN HÓA CỦA CÁC SAO
Tất cả các sao đều có lịch sử hình thành và phát triển của chúng.
Các kết quả nghiên cứu thiên văn cho biết các sao được cấu tạo từ một đám “mây” khí và bụi.
Đám mây này vừa quay vừa co lại do tác dụng của lực hấp dẫn và sau vài chục nghìn năm, vật chất dần dần tập trung ở giữa, tạo thành một tinh vân dày đặc và dẹt như một cái bánh dày.
Ở trung tâm tinh vân, nơi mật độ cao nhất, một ngôi sao nguyên thủy được tạo thành. Vì mới “ra đời”, sao chưa nóng lên chỉ phát ra bức xạ ở miền hồng ngoại.
Sao tiếp tục co lại và nóng dần (trong lòng sao bắt đầu xảy ra phản ứng nhiệt hạch), trở thành một ngôi sao sáng tỏ.
Trong trường hợp sao là Mặt Trời thì vật chất ở phía ngoài đám bụi khí ngưng tụ và đọng lại thành một vòng đai, nơi những hành tinh sẽ được tạo ra và quay xung quanh Mặt Trời.
Trong thời gian “tồn tại” của sao, các phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong lòng ngôi sao làm tiêu hao dần hiđrô có trong sao, tạo thành heli và các nguyên tố (cacbon, ôxi, sắt…).
Khi “nhiên liệu” trong sao cạn kiệt, sao biến thành các thiên thể khác.
Lí thuyết cho thấy các sao có khối lượng cỡ Mặt Trời có thể “sống” tới 10 tỉ năm, sau đó biến thành sao chắt trắng (hay sao lùn), là sao có bán kính chỉ bằng một phân trăm hay một phần nghìn lần bán kính Mặt Trời nhưng lại có nhiệt độ bề mặt tới 50 000 K.
Còn các sao có khối lượng lớn hơn Mặt Trời (từ năm lần trở lên) thì chỉ “sống” được khoảng 100 triệu năm, nhiệt độ của sao giảm dần và trở thành các sao kềnh đỏ, sau đó sao tiếp tục tiến hóa và trở thành một sao nơtron (punxa), hoặc một lỗ đen.
Chú ý:
Nhiệt độ bề mặt Ts của các sao rất khác nhau do cường độ phản ứng nhiệt hạch ở mỗi sao một khác.
Sao “nóng” nhất có “Ts = 50 000 K, sao này có màu xanh lam khi ta nhìn từ Trái Đất.
Sao “nguội” nhất có Ts = 3 000 K, có màu đỏ.
Mặt Trời có Ts = 6 000 K, có màu vàng.
4. THIÊN HÀ
Các sao tồn tại trong vũ trụ thành những hệ thống tương đối độc lập với nhau. Hệ thống sao gồm nhiều loại sao và tinh vân gọi là thiên hà.
a) Các loại thiên hà
Qua các kính thiên văn, các thiên hà hiện ra dưới nhiều dạng. Tuy nhiên, về đại thể có ba loại thiên hà chính:
Thiên hà có hình dạng dẹt như các đĩa có những cánh tay xoắn ốc, chứa nhiều khí, gọi là thiên hà xoắn ốc.
thiên hà xoắn ốc Messier 83
Thiên hà xoắn ốc NGC 7331
Các loại thiên hà
Thiên hà hình elip, chứa ít khí và có khối lượng trải ra trên một dải rộng, gọi là thiên hà elip. Có một loại thiên hà elip lớn là nguồn phát sóng vô tuyến điện rất mạnh.
Thiên hà không có hình dạng xác định, trông như những đám mây, gọi là thiên hà không định hình. (hay thiên hà không đều), ví dụ hai thiên hà Ma-gien-lăng.
Đường kính của các thiên hà vào khoảng 100000 năm ánh sáng.
Toàn bộ các sao trong mỗi thiên hà đều quay xung quanh trung tâm thiên hà.
Thiên hà NGC5102
thiên hà NGC2997
C2 Thiên hà NGC 5102 và thiên hà NGC2997 thuộc loại thiên hà nào?
b) Thiên Hà của chúng ta. Ngân Hà
Thiên Hà của chúng ta là loại thiên hà xoắn ốc, có đường kính khoảng 100 nghìn năm ánh sáng và có khối lượng bằng khoảng 150 tỉ khối lượng Mặt trời.
Nó là một hệ phẳng giống như một cái đĩa, dày khoảng 330 năm ánh sáng, chứa vài trăm tỉ ngôi sao.
Ảnh Thiên Hà của chúng ta (a) và mô hình phác họa Thiên Hà của chúng ta (nhìn ngang) (b).
Hệ Mặt trời nằm trên mặt phẳng đi qua tâm và vuông góc với trục của ngân hà và cách tâm khoảng cở 2/3 bán kính của nó
Hệ Mặt Trời nằm trong một cánh tay xoắn ở rìa Thiên Hà, cách trung tâm trên 30 nghìn năm ánh sáng và quay quanh tâm Thiên Hà với tốc độ khoảng 250 km/s.
Giữa các sao có bụi và khí. Phần trung tâm Thiên Hà có dạng một hình cầu dẹt, gọi là vùng lồi trung tâm (dày khoảng 15000 năm ánh sáng), được tạo bởi các sao “già”, khí và bụi.
Ngay ở trung tâm Thiên Hà có một nguồn phát xạ hồng ngoại và cũng là nguồn phát xạ sóng vô tuyến điện; nguồn này phát ra năng lượng tương đương với độ sáng của chừng 20 triệu ngôi sao như Mặt Trời và phóng ra một luồng gió mạnh.
Từ Trái đất, chúng ta chỉ nhìn được hình chiếu của Thiên Hà trên vòm trời, như một dải sáng trải ra trên bầu trời đêm, thường được gọi là dải Ngân Hà.
Mặt phẳng trung tâm của dải Ngân Hà trở nên tối do một làn bụi dài. Vào đầu đêm mùa hè, ta thấy dải Ngân Hà nằm trên nền trời sao theo hướng Đông Bắc – Tây Nam.
c) Nhóm thiên hà. Siêu nhóm thiên hà
Vũ trụ có hàng trăm tỉ thiên hà, các thiên hà thường cách nhau khoảng mười lần kích thước của chúng.
Các thiên hà có xu hướng hợp lại với nhau thành nhóm thiên hà (hay đám thiên hà) gồm từ vài chục đến hàng vài nghìn thiên hà.
Thiên Hà của chúng ta và các thiên hà lân cận khác thuộc về nhóm thiên hà địa phương, gồm khoảng 20 thành viên, chiếm một thể tích không gian có đường kính gần một triệu năm ánh sáng.
Nhóm thiên hà
Nhóm thiên hà địa phương bị chi phối chủ yếu bởi ba thiên hà xoắn ốc lớn: Tiên Nữ, Thiên Hà, Tam giác.
Thiên hà Tiên Nữ (hay Tinh vân Tiên Nữ, kí hiệu M31 hay NGC224), là thành viên có khối lượng tương đương với khối lượng của Thiên Hà của chúng ta (bằng khoảng 200 tỉ khối lượng Mặt Trời).
+Thiên Hà của chúng ta (Milky Way
+Thiên hà Tam giác, kí hiệu M33.
Các thành viên còn lại của Nhóm là các thiên hà elip và các thiên hà không định hình tí hon với khối lượng nhỏ hơn nhiều.
Một số thiên hà của nhóm địa phương đã được phát hiện nhờ sự bức xạ vô tuyến của chúng.
Siêu nhóm thiên hà
Khoảng năm chục nhóm nhỏ các thiên hà đã được phát hiện ở xung quanh Nhóm thiên hà địa phương.
Ở khoảng cách cỡ 50 triệu năm ánh sáng, là Nhóm Trinh Nữ (Virgo) chứa hàng nghìn thiên hà trải rộng trên bầu trời trong chòm sao Trinh Nữ.
Các nhóm thiên hà tập hợp thành Siêu nhóm thiên hà hay Đại thiên hà.
VD: Siêu nhóm thiên hà địa phương có tâm nằm ở nhóm Trinh Nữ và chứa tất cả các nhóm bao quanh, trong đó có Nhóm thiên hà địa phương chúng ta.
Va chạm giữa các thiên hà
Một thiên hà có thể va chạm với thiên hà láng giềng trong nhóm thiên hà.
Đặc biệt là ở trong các nhóm thiên hà khoảng cách giữa các thiên hà nhỏ nên xác suất tương tác giữa các thiên hà khá lớn.
Có thuyết cho rằng, các thiên hà elip được tạo ra do sự va chạm giữa hai thiên hà xoắn ốc trong nhóm thiên hà.
Sau khi va chạm, khí trong thiên hà bị thoát ra ngoài nên thiên hà elip ít chứa khí.
Việc tìm hiểu sự hình thành của thiên hà vẫn đang là một vấn đề nghiên cứu có tính thời sự.
Nhiều giả thuyết cho rằng, trong vũ trụ nguyên thủy không đồng đều có hình thành những đám mây vật chất nguyên thủy có khối lượng bằng vài trăm triệu lần khối lượng Mặt Trời, đó là các thiên hà tí hon, là mầm mống của những thiên hà sau này.
Cả hệ thiên hà quay xung quanh trục thẳng góc với mặt phẳng thiên hà.
5. CÁC QUAZA (CHUẨN SAO)
Quaza được phát hiện vào những năm 1960, là một loại thiên thể ở xa bên ngoài Thiên Hà của chúng ta, có hình ảnh không trải rộng ra như hình ảnh của một thiên hà mà có dạng gần tròn, làm ta liên tưởng tới các ngôi sao thông thường trong dải Ngân Hà.
Mặc dù các quaza hiện ra như những vật thể rất mờ trên bầu trời, nhưng thực tế, chúng sáng gấp hàng ngàn lần các thiên hà sáng và thuộc vào loại những thiên thể sáng nhất trong vũ trụ.
Các quaza là những nguồn phát tia X và sóng vô tuyến điện rất mạnh.
Điều khá kì lạ là công suất phát xạ của các quaza lớn đến mức mà người ta cho rằng các phản ứng nhiệt hạch không đủ để cung cấp năng lượng cho quá trình phát xạ này.
Kết luận: Quaza là một loại cấu trúc mới (không phải là thiên hà cũng không phải là sao, có thể gọi là chuẩn sao), nằm ngoài các thiên hà, phát xạ mạnh một cách bất thường tia X và sóng vô tuyến, phát sáng gấp hàng ngàn lần các thiên hà sáng.
Ở khoảng cách càng xa Thiên Hà của chúng ta thì mật độ quaza càng lớn. Sự kiện này được dùng làm cơ sở thực nghiệm cho thuyết Big Bang