Thiên văn học Mặt trời

Ở khoảng cách khoảng tám phút ánh sáng, ngôi sao thường được nghiên cứu nhất là Mặt trời, một ngôi sao lùn căn bản trong dãy chính của lớp sao G2 V, và có khoảng 4.6 tỷ năm tuổi. Mặt trời được coi là một ngôi sao biến đổi, nhưng nó có trải qua các thay đổi theo chu kỳ trong hoạt động được gọi là chu kỳ đốm mặt trời. Đây là một sự dao động với chu kỳ 11 năm trong số lượng đốm mặt trời. Các đốm mặt trời là các vùng có nhiệt độ thấp hơn trung bình và gắn liền với hoạt động từ trường mãnh liệt.[39]

Một hình ảnh cực tím về hoạt động quyển sáng của Mặt trời bởi kính viễn vọng TRACE. ảnh NASA.

Mặt trời có độ sáng tăng đều trong suốt cuộc đời nó, tăng 40% từ khí nó lần đầu tiên trở thành một ngôi sao dãy chính. Mặt trời cũng trải qua các thay đổi độ sáng theo chu kỳ có thể tác động mạnh tới Trái Đất.[40] Ví dụ, tối thiểu Maunder, được cho là đã gây ra hiện tượng Băng hà ngắn trong thời Trung Cổ.[41]

Bề mặt nhìn thấy được bên ngoài Mặt trời được gọi là quyển sáng. Trên lớp này là một vùng mỏng được gọi là quyển sắc. Nó được bao quạnh bởi một vùng chuyển tiếp với nhiệt độ tăng lên nhanh chóng, tiếp sau đó là một quầng siêu nóng.

Ở trung tâm Mặt trời là vùng lõi, một khối lượng nhiệt độ và áp lực đủ để phản ứng tổng hợp hạt nhân diễn ra. Bên trên lõi là vùng bức xạ, nơi plasma truyền dòng năng lượng bằng các phương tiện bức xạ. Các lớp bên ngoài tạo thành một vùng đối lưu nơi vật liệu khí chuyển năng lượng chủ yếu thông qua việc dời chuyển vật lý của khí. Mọi người tin rằng vùng đối lưu này tạo ra hoạt động từ tạo nên các đốm mặt trời.[39]

Gió mặt trời là các dòng phân tử plasma liên tục thoát ra ngoài Mặt trời tới khi nó tới nhật mãn (heliopause). Gió mặt trời tương tác với quyển từ của Trái Đất để tạo nên các vánh đai bức xạ Van Allen, cũng như cực quang nơi các dòng của từ trường Trái Đất đi xuống vào trong khí quyển.[42]

Khoa học hành tinh

Lĩnh vực thiên văn học này nghiên cứu sự tập hợp của các hành tinh, vệ tinh, hành tinh lùn, sao chổi, thiên thạch, và các vật thể quay xung quanh Mặt trời, cũng như các hành tinh ngoài hệ mặt trời. Hệ mặt trời đã được nghiên cứu khá kỹ, ban đầu bằng các kính viễn vọng và sau này bởi các tàu vũ trụ. Điều này đã cung cấp một sự hiểu biết tổng thế khá tốt về sự thành tạo và tiến hoá của hệ hành tinh này, dù nhiều phát hiện mới vẫn đang diễn ra.[43]

Đốm đen ở đỉnh là một bụi quỷ bên trên một bức tường hố va chạm trên Sao Hoả. Cột xoáy và chuyển động này của Khí quyển Sao Hoả (có thể so sánh với một trận cuồng phong trên Trái Đất) tạo ra sọc dài và tối. Hình NASA.

Hệ mặt trời được phân chia nhỏ thành các hành tinh bên trong, vành đai tiểu hành tinh, và các hành tinh bên ngoài. Các hành tinh kiểu Trái Đất gồm Sao Thuỷ, Sao Kim, Trái Đất, và Sao Hoả. Các hành tinh khí khổng lồ bên ngoài là Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương, và Sao Hải Vương.[44] Bên ngoài Sao Hải Vương là Vành đai Kuiper, và cuối cùng là đám Mây Oort, có thể mở rộng xa tới một năm ánh sáng.

Các hành tinh được thành tạo bởi một đĩa tiền hành tinh bao quanh Mặt trời buổi đầu. Thông qua một quá trình gồm lực hút hấp dẫn, va chạm và bồi tụ, đĩa hình thành các cụm vật chất, cùng với thời gian, trở thành các tiền hành tin. Áp lực bức xạ của gió mặt trời sau đó đã đẩy hầu hết vật chất không bồi tụ, và chỉ các hành tinh có đủ khối lượng mới giữ được khí quyển của chúng. Các hành tinh tiếp tục quét sạch, hay đẩy đi, số vật chất còn lại trong một quá trình ném bom dày đặc, với bằng chứng là nhiều hố va chạm trên Mặt Trăng. Trong giai đoạn này, một số tiền hành tinh có thể đã va chạm nhau, dẫn tới lý thuyết về sự hình thành của Mặt Trăng.[45]

Khi các hành tinh đã có đủ khối lượng, các vật chất với mật độ khác nhau cô lập bên trong, trong sự phân biệt hành tinh. Quá trình này có thể tạo thành một lõi đá hay kim loại, được bao quanh bởi một lớp áo và một bề mặt bên ngoài. Lõi có thể gồm các vùng rắn và lỏng, và một số lõi hành tinh tạo ra từ trường của riêng nó, có thể bảo vệ khí quyển của nó khỏi sự tước đoạt của gió mặt trời.[46]

Sức nóng bên trong của hành tinh hay vệ tinh được tạo ra từ các va chạm, các vật liệu phóng xạ (ví dụ uranium, thorium, và 26Al), hay nhiệt thuỷ triều. Một số hành tinh và vệ tinh tích tụ đủ nhiệt để tạo ra các quá trình địa chất như hoạt động núi lửa và kiến tạo. Những hành tinh và vệ tinh tích tụ hay giữ được một khí quyển cũng có thể trải qua sự xói mòn bề mặt bởi gió và nước. Các vật thể nhỏ hơn, không có nhiệt thuỷ triều, lạnh đi nhanh chóng; và hoạt động địa chất của chúng ngừng loại ngoại trừ khi có sự kiện va chạm.[47]

Thiên văn học sao

Tinh vân Con kiến. Sự phun ra khí từ tâm đang chết của ngôi sao cho thấy những mô hình đối xứng không giống các mô hình hỗn loạn hay các vụ nổ thông thường.

Việc nghiên cứu các ngôi sao và quá trình tiến hoá sao là nền tàng của sự hiểu biết vũ trụ của chúng ta. Vật lý vũ trụ về các ngô sao đã được quyết định thông qua việc quan sát và hiểu biết lý thuyết; và từ các mô hình giả lập máy tính phần bên trong.

Sự thành tạo sao xảy ra tại các vùng đặc có nhiều khí và bụi, được gọi là các đám mây phân tử lớn. Khi mất ổn định, các mảnh đám mây có thể sụp đổ dưới ảnh hưởng của trọng lực, để hình thành nên một tiền sao. Với một lõi có độ đặc, nhiệt độ đủ sẽ tạo ra phản ứng tổng hợp hạt nhân, và tạo nên một ngôi sao dãy chính.[48]

Hầu hết các nguyên tố nặng hơn hydro và heli được tạo ra bên trong lõi các ngôi sao.

Các tính chất của ngôi sao được hình thành phụ thuộc chủ yếu vào khối lượng ban đầu của nó. Ngôi sao càng có khối lượng lớn, càng tạo ra nhiều ánh sáng, và càng tiêu thụ nhanh chóng nhiên liệu hạt nhân trong lõi. Cùng với thời gian, nhiên liệu hạt nhân bị biến đổi hoàn toàn thành heli, và ngôi sao bắt đầu tiến hoá. Phản ứng tổng hợp heli đòi hỏi nhiệt độ cao trong lõi, vì thế ngôi sao vừa mở rộng về kích thước vừa tăng mật độ trong lõi. Kết quả là ngôi sao đỏ khổng lồ có tuổi thọ ngắn, trước khi nhiên liệu heli đến lượt nó cũng bị sử dụng. Các ngôi sao có khối lượng rất lớn có thể trải qua một loạt phase tiến hoá giảm dần, bởi chúng ngày càng nấu chảy nhiều nguyên tố nặng.

Số phận cuối cùng của ngôi sao phụ thuộc vào khối lượng của nó, với những ngôi sao có khối lượng lớn hơn khoảng tám lần khối lượng Mặt trời, nó sẽ trở thành sao siêu mới sụp đổ lõi; trong khi các ngôi sao nhỏ hơn hình thành nên các tinh vân hành tinh, và phát triển thành các sao lùn trắng. Tàn tích của một sao siêu mới là một sao neutron đặc, hay nếu khối lượng sao ít nhất gấp ba lần khối lượng Mặt trời, là một hố đen.[49] Những ngôi sao kép ở gần nhau có thể đi theo những con đường tiến hoá phức tạp, như chuyển đổi khối lượng trở thành một ngôi sao lùn trắng đồng hành và có khả năng tạo ra một sao siêu mới. Tinh vân hành tinh và sao siêu mới là cần thiết cho sự phân bố kim loại vào không gian liên sao; không có chúng, mọi ngôi sao mới (và hệ thống hành tinh của chúng) sẽ chỉ được tạo thành từ hydro và heli.

Thiên văn học thiên hà

Kết cấu được quan sát của những cánh tay xoắn ốc của Ngân hà

Hệ mặt trời của chúng ta chuyển động trên quỹ đạo trong Ngân hà, một thiên hà xoắn ốc kẻ vạch là một thành viên lớn của Nhóm Địa phương của các thiên hà. Nó là một khối lượng khí, bụi, sao và các vật thể quay tròn, được giữ cùng nhau bằng sự hấp dẫn trọng lượng lẫn nhau. Bởi Trái Đất nằm bên trong các cánh tay bụi bên ngoài, có một tỷ lệ lớn Ngân hà không thể được quan sát từ Trái Đất.

Trong trung tâm Ngân hà là lõi, một chỗ lồi hình thanh với cái được tin là một hố đen siêu trọng lượng ở trung tâm. Nó được bao quanh bởi bốn cánh tay chính có hình xoắn ốc từ lõi. Đây là một vùng thành tạo sao tích cực chứa nhiều sao dân số sao cấp I. Đĩa được bao quanh bởi một vòng sáng hình cầu với các ngôi sao dân số sao cấp II già hơn, cũng như những khu vực tập trung sao với mật độ khá dày được gọi là các cụm cầu.[50][51]

Giữa các ngôi sao là không gian liên sao, một vùng có vật chất thưa thớt. Tại các vùng có mật độ lớn nhất, các đám mây phân tử của phân tử hydro và các nguyên tố khác tạo ra các vùng thành tạo sao. Chúng khởi đầu như các đĩa tinh vân bất thường, cô đặc lại và sụp đổ (về khối lượng được xác định bởi độ dài Jeans) để hình thành nên các tiền sao đặc.[52]

Khi các ngôi sao có khối lượng lớn xuất hiện, chúng chuyển đám mây thành một vùng H II của khí và plasma sáng. gió sao và các vụ nổ sao siêu mới từ các ngôi sao đó cuối cùng làm tan rã đám mây, thường để lại một hay nhiều cụm mở của các ngôi sao. Các cụm này dần tan rã, và các ngôi sao gia nhập vào dân số của Ngân hà.

Các cuộc nghiên cứu động học của vật chất trong Ngân hà và các thiên hà khác đã chứng minh rằng có nhiều khối lượng có thể được tính toán cho vật thể nhìn thấy được. Một quầng vật thể tối dường như thống trị khối lượng, dù tính chất của vật thể tối này vẫn chưa được xác định.[53]

Thiên văn học ngoài thiên hà

Việc nghiên cứu các vật thể bên ngoài thiên hà của chúng ta là một nhánh của thiên văn học liên quan tới sự thành tạo và tiến hoá của các thiên hà; hình thái học của chúng và xếp hạng; và sự xác định các thiên hà hoạt động, và các nhóm và cụm thiên hà. Việc xác định các thiên hà hoạt động và các nhóm và cụm thiên hà là quan trọng để hiểu được cơ cấu tầm mức lớn của vũ trụ.

Hình này thể hiện nhiều vật thể xanh có hình vòng là những hình ảnh chồng của cùng một thiên hà, bị nhân lên bởi hiệu ứng thấu kính hấp dẫn của cụm các thiên hà màu vàng gần trung tâm hỉnh. Thấu kính được tạo ra bởi trường hấp dẫn trọng lượng của cụm uốn cong ánh sáng khiến nó khuếch đại và bóp méo hình của một vật thể ở xa.

Hầu hết thiên hà được tổ chức thành các hình khác biệt cho phép thực hiện các mô hình xếp hạng. Thường chúng được chia thành thiên hà xoắn ốc, thiên hà elíp và thiên hà bất thường.[54]

Như cái tên cho thấy, một thiên hà elíp có hình dạng mặt cắt của một elíp. Các ngôi sao di chuyển theo các quỹ đạo ngẫu nhiên và không có hướng ưu tiên. Các thiên hà này chứa ít hay không chứa bụi liên sao; ít vùng thành tạo sao; và nói chung gồm các ngôi sao già. Các thiên hà elíp thường được tìm thấy ở trung tâm các cụm thiên hà, và có thể từng được thành lập thông qua sự hoà trộn các thiên hà lớn.

Một thiên hà xoắn ốc được tổ chức thành một đĩa xoay, phẳng, thường với một chỗ phồng hay thanh lớn ở trung tâm, và các cánh tay sáng hình vệt xoắn ốc ra bên ngoài. Các cánh tay này là vùng bụi thành tạo sao nơi nhiều ngôi sao trẻ được tạo ra như những chấm nhỏ màu xanh. Các thiên hà xoắn ốc nói chung được bao quanh bởi một quầng sao già. Cả Ngân hà và Thiên hà Andromeda đều là các thiên hà xoắn ốc.

Các thiên hà bất thường thường có hình thái hỗn loạn, và không có hình xoắn ốc cũng như elíp. Khoảng một phần tư các thiên hà là thiên hà bất thường, và các hình dạng kỳ lạ của các thiên hà đó có thể là kết của sự tương tác hấp dẫn.

Một thiên hà hoạt động là một thành tạo phát ra một lượng lớn năng lượng của nó từ một nguồn ngoài các ngôi sao, bụi và khí; và được cấp năng lượng bởi một vùng nén tại lõi, thường được cho là một hố đen khối lượng siêu lớn phát ra bức xạ từ vật liệu rơi vào đó.

Một thiên hà radio là một thiên hà hoạt động rất sáng ở phần quang phổ radio, và phát ra nhiều chùm hay vấu khí. Các thiên hà hoạt động phát ra bức xạ năng lượng cao gồm các thiên hà Seyfert, các Quasar, và các Blazar. Quasar được cho là các vật thể sáng ổn định nhất trong vũ trụ đã được biết tới.[55]

Kết cấu có tầm mức lớn của vũ trụ được thể hiện bởi các nhóm và cụm thiên hà. Kết cấu này được tổ chức trong một hệ thống cấp bậc của các nhóm, với hệ lớn nhất là các siêu cụm. Vật chất chung được thành tạo trong các sợi và các bức tường, để lại những khoảng trống ở giữa.[56]

Vũ trụ học

Vũ trụ học (từ từ tiếng Hy Lạp κοσμος "thế giới, vũ trụ" và λογος "từ, nghiên cứu") có thể được coi là việc nghiên cứu vũ trụ như một tổng thể.

Các quan sát cấu trúc tầm mức lớn của vũ trụ, một nhánh được gọi là vật lý vũ trụ, đã cung cấp một hiểu biết sâu về sự thành tạo và tiến hoá của vũ trụ. Nền tảng cho vũ trụ học hiện đại là lý thuyết big bang được chấp nhận rộng rãi, theo đó vũ trụ của chúng ta khởi đầu tại một điểm duy nhất trong thời gian, và sau đó mở rộng trong 13.7 tỷ năm để trở thành như hiện tại. Ý tưởng Big Bang có thể được truy nguyên dấu vết từ sự khám phá bức xạ vi sóng vũ trụ năm 1965.

Trong quá trình mở rộng này, vũ trụ trải qua nhiều giai đoạn tiến hoá. Ở những khoảnh khắc đầu tiên, lý thuyết cho rằng vũ trụ trải qua một giai đoạn lạm phát vũ trụ rất nhanh chóng, làm đồng nhất các điều kiện khởi đầu. Sau đó, tổng hợp hạt nhân tạo ra sự phong phú nguyên tố của vũ trụ buổi đầu. (Xem thêm Niên đại hạt nhân vũ trụ.)

Khi các nguyên tử đầu tiên hình thành, vũ trụ trở nên trong suốt với bức xạ, nhả ra năng lượng có thể được thấy hiện nay ở dạng màn bức xạ vi sóng. Vụ trụ mở rộng sau đó trải qua một Thời kỳ Tối vì sự thiếu hụt các nguồn năng lượng sao.[57]

Một cơ cấu cấp bậc vật chất bắt đầu hình thành từ những sự thay đổi trong thời gian ngắn trong mật độ khối lượng. Vật chất tích tụ trong những vùng đặc nhất, hình thành nên các đám mây khí và những ngôi sao đầu tiên. Những ngôi sao lớn này gây ra quá trình tái tổ chức và được cho là đã tạo ra nhiều nguyên tố nặng trong vũ trụ buổi đầu và thường có xu hướng phân rã trở lại thành các nguyên tố nhẹ hơn mở rộng chu kỳ.

Những sự tích tụ hấp dẫn tập trung thành các sợi, để lại các khoảng trống trong các lỗ hổng. Dần dần, các tổ chức khí và bụi hoà trộn để hình thành nên các thiên hà nguyên thuỷ đầu tiên. Cùng với thời gian, chúng lôi kéo vào trong thêm nhiều vật chất và thường được tổ chức thành các nhóm và cụm thiên hà, sau đó thành các siêu cụm ở tầm mức lớn.[58]

Nền tảng của cơ cấu của vụ trụ là sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối. Chúng hiện được cho là các thành phần chiếm ưu thế, tạo ra 96% mật độ vũ trụ. Vì lý do này, nhiều nỗ lực đã được thực hiện nhằm tìm hiểu tính chất vật lý của các thành phần đó.[59]