Những hiểu biết trước đây

Thần Mặt Trời Helios cưỡi xe ngựa Chariot trong hình dung của người Hy Lạp cổ đại
Tranh của Johann Baptist thế kỷ XVIII

Hiểu biết cơ bản nhất của nhân loại về Mặt Trời đó 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. Thờ cúng Mặt Trời là tâm điểm của các nền văn minh như Inca ở Nam Mỹ và Aztec thuộc México ngày nay. Một số tượng đài cổ được xây dựng với ý tưởng kết hợp với các hiện tượng liên quan đến Mặt Trời; ví dụ, các cự thạch đánh dấu một cách chính xác đông chí hoặc hạ chí (các cự thạch nổi tiếng phân bố ở Nabta Playa, Ai Cập, Mnajdra, Malta và ở Stonehenge, Anh). Vào thời kỳ La Mã, ngày sinh của Mặt Trời là ngày nghỉ để kỉ niệm Sol Invictus chỉ sau đông chí mà ngày nay gọi là Christmas. Dựa theo các sao cố định, Mặt Trời xuất hiện từ Trái Đất xoay một lần mất một năm theo mặt phẳng hoàng đạo xuyên qua mười hai chòm sao, và vì thế các nhà thiên văn học Hy Lạp cho rằng nó là một trong 7 hành tinh (Hy Lạp planetes nghĩa là "đi lang thang"), sau đó nó được đặt tên cho 7 ngày trong tuần trong một số ngôn ngữ.[103][104][105]

Sư hiểu biết cùng với tiến bộ khoa học

Trước Công nguyên

Vào đầu thiên niên kỷ 1 TCN, các nhà thiên văn học Babylon đã quan sát thấy rằng sự chuyển động của Mặt Trời theo đường hoàng đạo là không đồng nhất, mặc dù họ không biết tại sao như thế; với kiến thức ngày nay thì đó là do Trái Đất chuyển động theo quỹ đạo elip quanh Mặt Trời, khi đó Trái Đất sẽ chuyển động nhanh hơn khi nó ở gần Mặt Trời tại điểm cận nhật và chậm hơn khi nó ở xa điểm viễn nhật.[106]

Anaxagoras

Một trong những người tiên phong nêu ra lời giải thích khoa học về Mặt Trời là nhà triết học Hy Lạp Anaxagoras (500-428 TCN). Ông cho rằng Mặt Trời là quả cầu lửa kim loại khổng lồ, thậm chí lớn hơn Peloponnesus, và không phải là xe ngựa chariot của thần Mặt Trời Helios.[107] Khi giảng về vấn đề dị giáo này, ông đã bị bỏ tù bởi nhà cầm quyền và bị tuyên án tử hình, mặc dù sau đó ông được phóng thích bởi sự can thiệp của Pericles. Sau đó hai thế kỷ, vào thế kỷ III TCN nhà toán học, thi sĩ, thiên văn học Hy Lạp Eratosthenes đã ước tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời vào khoảng "400 vạn và 80.0000 thước đo tầm xa (stadia)", việc giải nghĩa vẫn chưa rõ ràng, nó ám chỉ hoặc 4.080.000 stadia (755.000 km) hoặc 804.000.000 stadia (148 đến 153 triệu km); con số sau là chính xác với sai số vài phần trăm.

Công nguyên

Vào thế kỷ I, nhà toán học, thiên văn học xứ Alexandria Ptolemy đã ước tính khoảng cách này gấp 1.210 lần bán kính Trái Đất.[108] Vào thế kỷ VIII, nhà toán học, thiên văn học người Ba Tư Yaqūb ibn Tāriq đã ước tính khoảng cách giữa Trái Đất và Mặt Trời gấp 8.000 lần bán kính Trái Đất, một con số lớn nhất về đơn vị thiên văn cho đến thời điểm đó.[109]

Những đóng góp cho thiên văn học của người Ả rập như Albatenius phát hiện rằng hướng độ lệch tâm của Mặt Trời đang thay đổi,[110] và Ibn Yunus quan sát hơn 10.000 vị trí của Mặt Trời trong nhiều năm bằng thiết bị đo độ cao thiên thể.[111] Sự chuyển động của Sao Kim được Avicenna quan sát đầu tiên vào năm 1032 và ông kết luận rằng Sao Kim nằm gần Trái Đất hơn Mặt Trời,[112] còn quan sát đầu tiên về sự chuyển động của Sao Thủy do Ibn Bajjah thực hiện vào thế kỷ XII.[113] Nhà vật lý Ả rập, Alhazen, đã nghiên cứu các đặc điểm của ánh sáng Mặt Trời bằng các thí nghiệm với camera trong buồng tối obscura, được miêu tả trong quyển Sách quang học (1021), và đã minh họa rằng Mặt Trời là nguồn cung cấp ánh sáng cho Mặt Trăng.[114] Để tạo nên công trình của ông vào thế kỷ XIII, Qutb al-Din al-Shirazi và Theodoric của Freiberg đã đưa ra các giải thích chính xác về hiện tượng cầu vồng, còn Kamāl al-Dīn al-Fārisī đã xác nhận thông qua các thí nghiệm bằng camera obscura rằng màu sắc của hiện tượng cầu vồng là sự phân tán của ánh sáng Mặt Trời.[115][116][117][118] Trong thế kỷ XIII, nhà thiên văn học đạo Hồi Maghribi đã ước tính đường kính Mặt Trời khoảng 255 lần đường kính Trái Đất,[119] con số này lớn gấp đôi con số hiện tại được chấp nhận.

Thuyết nhật tâm

Mô hình hệ mặt trời với mặt trời ở tâm của Copernicus

Giả thuyết rằng Mặt Trời là trung tâm của quỹ đạo chuyển động của các hành tinh được Aristarchus của Samos (310-230 TCN) đưa ra vào thế kỷ III TCN, và sau đó Seleucus của Seleucia cũng theo thuyết này (xem thuyết Nhật tâm). Quan điểm triết học quan trọng này đã được phát triển thành mô hình toán học dự đoán một cách hoàn chỉnh về hệ nhật tâm vào thế kỷ XVI bởi Nicolaus Copernicus. Vào đầu thế kỷ XVII, việc phát minh ra kính viễn vọng đã cho phép các quan sát chi tiết hơn về vết đen Mặt Trời do Thomas Harriot, Galileo Galilei và các nhà thiên văn khác thực hiện. Galileo đã thực hiện một số quan sát vết đen Mặt Trời bằng kính viễn vọng và thừa nhận rằng chúng nằm trên bề mặt của Mặt Trời hơn là các vật thể nhỏ chuyển động qua khoảng không giữa Trái Đất và Mặt Trời.[120] Các vết đen Mặt Trời cũng được các nhà thiên văn Trung Quốc quan sát vào thời nhà Hán (206 TCN - 220 CN), họ đã duy trì ghi chép các quan sát này trong vài thế kỷ. Averroes cũng đưa ra một miêu tả về các vết đen Mặt Trời trong thế kỷ XII.[121]

Năm 1672 Giovanni Cassini và Jean Richer xác định được khoảng cách đến Sao Hỏa và đã tính được khoảng cách đến Mặt Trời. Isaac Newton quan sát ánh sáng Mặt Trời bằng lăng kính, và thấy nó được tạo thành từ nhiều màu sắc,[122] trong khi đó vào năm 1800 William Herschel phát hiện ra bức xạ hồng ngoại nằm gần ánh sáng đỏ trong quang phổ của Mặt Trời.[123] Thập niên 1800 phát triển mạnh các kính quang phổ nghiên cứu về Mặt Trời, và Joseph von Fraunhofer đã thực hiện các quan sát đầu tiên về các vạch hấp thụ quang phổ, vạch mạnh nhất vẫn thường được gọi theo tên của ông là vạch Fraunhofer. Khi mở rộng dải quang phổ của sánh sáng từ Mặt Trời thì có một số màu bị mất được phát hiện.

Thiên văn học hiện đại

Vào những năm đầu tiên của kỷ nguyên khoa học hiện đại, nguồn năng lượng Mặt Trời vẫn là vấn đề còn nhiều bí ẩn. Lord Kelvin đã đề nghị rằng Mặt Trời là một vật thể lỏng đang lạnh đi một cách từ từ vì vậy nó đang phát ra nhiệt dự trữ bên trong lòng nó.[124] Sau đó, Kelvin và Hermann von Helmholtz đưa ra cơ chế Kelvin-Helmholtz để giải thích lượng năng lượng tỏa ra này. Tuy nhiên, kết quả tính tuổi Mặt Trời chỉ có 20 triệu năm, một con số rất nhỏ so với các tính toán mà các dấu hiệu địa chất lúc đó đưa ra là ít nhất 300 triệu năm.[124] Năm 1890 Joseph Lockyer, người đã phát hiện ra heli trong quang phổ của Mặt Trời, đã đưa ra giả thuyết thiên thạch về sự hình thành và tiến hóa của Mặt Trời.[125]

Mãi cho đến năm 1904 thì vấn đề này mới được giải quyết. Ernest Rutherford cho rằng lượng bức xạ Mặt Trời có thể đã được duy trì bởi một nguồn nhiệt bên trong nó, và đó là hoạt động phân rã phóng xạ.[126] Tuy nhiên, Albert Einstein là người đã đưa ra mối quan hệ giữa nguồn năng lượng phát ra từ Mặt Trời với phương trình cân bằng khối lượng-năng lượng E = mc2.[127]

Năm 1920, Sir Arthur Eddington đề xuất rằng áp suất và nhiệt động trong lõi của Mặt Trời có thể phát sinh một phản ứng hợp hạch hạt nhân theo đó các hạt nhân hidro (proton) hợp lại tạo ra hạt nhân heli, quá trình này sinh ra năng lượng đồng thời sẽ làm giảm dần khối lượng.[128] Lượng hdro chiếm ưu thế trong Mặt Trời được Cecilia Payne xác nhận vào năm 1925. Quan điểm lý thuyết về tổng hợp hạt nhân được các nhà vật lý thiên văn Subrahmanyan Chandrasekhar và Hans Bethe phát triển vào thập niên 1930. Hans Bethe đã tính toán chi tiết hai phản ứng sinh năng lượng chính trên Mặt Trời.[129][130]

Sau cùng, một bài báo có ảnh hưởng lớn của Margaret Burbidge được xuất bản năm 1957 với tựa là "Sự tổng hợp các nguyên tố của các Sao" ("Synthesis of the Elements in Stars").[131] Bài báo đã minh hoạ một cách thuyết phục rằng hầu hết các nguyên tố trong vũ trụ đã và đang được tổng hợp bằng các phản ứng hạt nhân bên trong các ngôi sao, giống như Mặt Trời.

Các nhiệm vụ khám phá không gian

Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Tàu SOHO.

Wikimedia Commons có thêm hình ảnh và phương tiện truyền tải về Tàu Genesis.

Hình ảnh Mặt Trăng đi ngang qua Mặt Trời nhìn từ tàu STEREO-B ngày 25 tháng 2 năm 2007. Do STEREO-B cũng di chuyển quanh Mặt Trời theo quỹ đạo Trái Đất và có khoảng cách đến Mặt Trăng xa hơn so với khoảng cách từ Trái Đất, Mặt Trăng trông nhỏ hơn so với Mặt Trời [132]

Các vệ tinh đầu tiên được thiết kế để giám sát Mặt Trời là Pioneer 5, 6, 7, 8 và 9 của NASA, được phóng lên trong khoảng 1959 - 1968. Các vệ tinh mang máy dò này quay quanh Mặt Trời với khoảng cách tương tự như vệ tinh bay quanh Trái Đất, và thực hiện các đo đạc chi tiết đầu tiên về gió Mặt Trời và trường từ Mặt Trời. Pioneer 9 vận hành trong thời gian tương đối dài và truyền dữ liệu về đến năm 1987.[133]

Trong thập niên 1970, hai phi thuyền Helios và Skylab cùng với kính thiên văn Apollo cung cấp cho các nhà khoa học những dữ liệu mới về gió Mặt Trời và vành nhật hoa. Hai bộ phận thăm dò Helios 1 and 2 kết hợp giữa Hoa Kỳ và Đức cùng nghiên cứu gió Mặt Trời bay trong quỹ đạo của Sao Thủy ở điểm cận nhật.[134] Trạm không gian Skylab được NASA phóng năm 1973 gồm các mô-đun quan sát Mặt Trời gọi là Apollo Telescope Mount, mô-đun này được vận hành bởi các nhà du hành vũ trụ định cư trên đó.[51] Skylab đã thực hiện các quan sát thời gian đầu tiên về các cùng Mặt Trời chuyển động qua và sự phát xạ tia tử ngoại từ vành nhật hoa.[51] Các phát hiện bao gồm các giám sát đầu tiên về sự phát xạ vật chất vành nhật hoa, còn gọi là "coronal transients", và các hố nhật hoa, ngày nay cho thấy rằng nó liên quan đến gió Mặt Trời.[134]

Năm 1980, phi vụ Solar Maximum Mission được phóng bởi NASA. Phi thuyền này được thiết kế để giám sát các tia gamma, tia X và UV từ các vết lóa Mặt Trời trong suốt thời gian hoạt động của Mặt Trời mạnh và độ sáng Mặt Trời. Tuy nhiên, chỉ một vài tháng sau khi phóng, một sự cố về điện làm cho đầu dò chuyển sang chế độ dự phòng, và phải mất 3 tháng hoạt động ở chế độ này. Năm 1984 nhiệm vụ Space Shuttle Challenger STS-41 đã khôi phục vệ tinh và sửa hệ thống điện trước khi đưa nó trở vào quỹ đạo. Solar Maximum Mission đã cung cấp hàng ngàn tấm ảnh về vành nhật hoa trước khi trở về khí quyển Trái Đất tháng 6 năm 1989.[135]

Một trong những chương trình mang nhiệm vụ quan trọng là phóng "Đài quan sát Mặt Trời và nhật quyển" (SOHO-Solar and Heliospheric Observatory) vào ngày 2 tháng 12 năm 1995 do Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) và Cục Quản trị Hàng không và Không gian Quốc gia Hoa Kỳ (NASA) hợp tác.[51] Soho nằm tại một điểm khá đặc biệt trong không gian, điểm Lagrange L1. Điểm Lagrange là điểm nằm giữa Trái Đất và mặt trời, cách Trái Đất chừng 1,6 triệu km, nơi có điểm trọng lực cân bằng giữa các hành tinh.

Sự giàu có của các nguyên tố trong quang quyển được biết rất rõ từ các nghiên cứu quang phổ thiên văn, nhưng thành phần bên trong Mặt Trời thì được biết ít hơn. Tàu Genesis, được thiết kế để lấy mẫu gió Mặt Trời, cho phép các nhà thiên văn có thể trực tiếp đo đạc thành phần vật chất của Mặt Trời. Nó trở lại Trái Đất năm 2004 và lẽ ra sẽ được phân tích, nhưng nó đã bị hư hại nặng khi hạ cánh do dù không mở khi đi vào bầu khí quyển của Trái Đất.[136][137]

• Tàu vũ trụ Genesis ở chế độ thu thập mẫu.
• Mạng thu thập mẫu gió mặt trời của Genesis.