Nội dung

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.