Mặt Trời không cháy như đống lửa than. Nó sáng nhờ phản ứng tổng hợp hạt nhân trong lõi: ở đó nhiệt độ lên tới hàng triệu độ và áp suất khổng lồ ép các hạt nhân hidro va vào nhau và hợp lại thành heli. Mỗi lần hợp lại, một phần rất nhỏ khối lượng biến mất và trở thành năng lượng. Lượng hidro trong Mặt Trời lớn đến mức nó đã sáng như vậy khoảng bốn tỷ rưỡi năm và còn sáng thêm vài tỷ năm nữa.
Chào bạn, đây là Nhà Vật Lý. Mọi bữa cơm, mọi ngọn gió, mọi hạt lúa trên đồng đều bắt nguồn từ ánh nắng. Vậy cái lò khổng lồ trên trời kia đang đốt thứ gì? Câu hỏi này từng làm đau đầu các nhà khoa học giỏi nhất thế kỷ mười chín, và câu trả lời phải chờ tới khi con người hiểu được bên trong hạt nhân nguyên tử.
Nếu Mặt Trời là đống than thì nó đã tắt từ lâu
Thử nghĩ nếu Mặt Trời là một khối than khổng lồ cháy trong ô xy, với lượng ánh sáng nó phát ra mỗi giây, nó sẽ cháy hết chỉ trong vài nghìn năm. Trong khi đất đá và hoá thạch cho thấy Trái Đất đã có nắng ấm suốt thời gian dài hơn thế rất nhiều.
Thế kỷ mười chín, một số nhà vật lý đề xuất Mặt Trời nóng lên vì nó tự co lại dưới sức hút của chính mình, chuyển năng lượng hấp dẫn thành nhiệt. Cách đó cho tuổi Mặt Trời cỡ vài chục triệu năm, vẫn quá ngắn so với những gì các nhà địa chất và Charles Darwin cần để giải thích đất đá và sự tiến hoá.
Cuộc tranh luận ấy kéo dài cho tới khi vật lý hạt nhân ra đời. Hoá ra cả hai phía đều thiếu một mảnh ghép: một nguồn năng lượng mạnh hơn mọi phản ứng hoá học hàng triệu lần, nằm sâu trong hạt nhân nguyên tử.
Khi hai ngành tính toán cẩn thận mà mâu thuẫn nhau, thường là có điều gì đó chưa được biết tới.
Trong lõi Mặt Trời: hidro hợp lại thành heli
Lõi Mặt Trời nóng khoảng mười lăm triệu độ, đặc hơn chì nhiều lần. Ở đó các nguyên tử bị tước hết electron, chỉ còn hạt nhân chạy hỗn loạn với tốc độ rất cao.
Hạt nhân hidro mang điện dương nên đẩy nhau. Bình thường chúng không thể chạm nhau. Nhưng ở nhiệt độ và áp suất trong lõi, thỉnh thoảng hai hạt nhân lao vào nhau đủ mạnh và gần nhau đủ để lực hạt nhân mạnh, lực chỉ có tác dụng ở khoảng cách cực ngắn, kéo chúng dính lại. Qua một chuỗi bước, bốn hạt nhân hidro trở thành một hạt nhân heli.
Điều kỳ lạ là hạt nhân heli tạo ra nhẹ hơn tổng bốn hạt nhân hidro ban đầu một chút. Phần khối lượng thiếu hụt đó biến thành năng lượng, theo công thức nổi tiếng của Einstein: năng lượng bằng khối lượng nhân với bình phương tốc độ ánh sáng. Vì tốc độ ánh sáng rất lớn, một chút khối lượng cho ra năng lượng khổng lồ.
Mỗi giây, Mặt Trời biến khoảng bốn triệu tấn khối lượng thành năng lượng. Lời giải thích chi tiết các chuỗi phản ứng này được hoàn thiện vào những năm ba mươi của thế kỷ hai mươi, gắn với tên nhà vật lý Hans Bethe.
Hành trình của ánh nắng từ lõi tới mặt bạn
Năng lượng sinh ra trong lõi không bay thẳng ra ngoài ngay. Nó đi qua những lớp vật chất cực đặc, bị hấp thụ rồi phát lại vô số lần theo những hướng ngẫu nhiên, rồi được những dòng đối lưu khổng lồ cuộn lên bề mặt. Hành trình từ lõi ra tới bề mặt được ước tính mất rất lâu, hàng chục nghìn năm trở lên, các con số cụ thể vẫn khác nhau giữa các mô hình.
Tới bề mặt, ánh sáng thoát vào không gian và lao tới Trái Đất với tốc độ ánh sáng. Quãng đường khoảng một trăm năm mươi triệu cây số được đi hết trong chừng tám phút.
Vì vậy khi bạn nhìn thấy Mặt Trời mọc, thật ra bạn đang thấy Mặt Trời của tám phút trước.
Ánh nắng tới Trái Đất được cây xanh dùng để quang hợp, hâm nóng biển và đất để tạo ra gió, mưa, dòng hải lưu. Ngay cả than đá và dầu mỏ cũng là năng lượng Mặt Trời từ hàng triệu năm trước được cây cỏ cổ đại cất giữ lại.
Mặt Trời còn sáng bao lâu nữa?
Mặt Trời khoảng bốn tỷ rưỡi tuổi, và theo hiểu biết hiện nay, nó đã đi được khoảng nửa quãng đời ổn định của mình. Còn khoảng vài tỷ năm nữa nó vẫn đốt hidro trong lõi gần như hiện nay, chỉ sáng dần lên rất chậm.
Khi hidro trong lõi cạn, Mặt Trời sẽ phình to thành một ngôi sao khổng lồ đỏ, rồi về sau bỏ lại lớp vỏ ngoài và co lại thành một ngôi sao lùn trắng nhỏ, nguội dần.
Những chi tiết về số phận của Trái Đất trong giai đoạn đó vẫn đang được các nhà thiên văn tính toán và còn tranh luận. Nhưng đó là chuyện của tương lai xa tới mức không có ý nghĩa gì với đời sống loài người hôm nay.
Điều có ý nghĩa với hôm nay là các ngôi sao khác trên bầu trời cũng là những Mặt Trời, ở những giai đoạn khác nhau của cuộc đời. Nhìn lên bầu trời đêm là nhìn thấy cả những ngôi sao trẻ lẫn những ngôi sao già.
Một lời nhắc an toàn và một câu hỏi
Mặt Trời mạnh tới mức nhìn thẳng vào nó chỉ một lúc đã có thể làm tổn thương võng mạc, như mình đã kể trong tập về nhật thực. Đừng bao giờ nhìn Mặt Trời qua ống nhòm, kính thiên văn, ống kính máy ảnh nếu không có kính lọc chuyên dụng gắn đúng cách phía trước.
Muốn quan sát vết đen Mặt Trời, những vùng nguội hơn trên bề mặt, cách an toàn là chiếu hình qua ống nhòm lên một tấm bìa trắng, không nhìn vào ống nhòm, hoặc dùng kính thiên văn có tấm lọc Mặt Trời chuẩn. Tốt nhất là tham gia các buổi quan sát do câu lạc bộ thiên văn tổ chức.
Ánh nắng mạnh cũng chứa tia tử ngoại gây cháy nắng và lão hoá da. Mũ rộng vành, áo chống nắng và kem chống nắng trong những giờ nắng gắt là những thói quen tốt cho người làm việc ngoài trời.
Câu hỏi để bạn nghĩ tiếp: phi hành gia trên trạm vũ trụ quay quanh Trái Đất trông như lơ lửng không trọng lượng. Có phải ở trên đó lực hấp dẫn của Trái Đất đã biến mất?
Câu hỏi thường gặp
Mặt Trời có phải là một ngôi sao không?
Có. Mặt Trời là một ngôi sao cỡ trung bình, trông to và sáng vì ở rất gần Trái Đất. Những ngôi sao khác trên bầu trời đêm cũng là các Mặt Trời ở rất xa.
Vì sao Mặt Trời có màu vàng mà ảnh vũ trụ lại trắng?
Ánh sáng Mặt Trời thật ra gần với màu trắng. Khi đi qua khí quyển, một phần ánh sáng xanh bị tán xạ ra bầu trời, nên nhìn từ mặt đất Mặt Trời ngả vàng, nhất là lúc gần chân trời.
Vết đen Mặt Trời là gì?
Vết đen là những vùng trên bề mặt Mặt Trời nguội hơn xung quanh do từ trường mạnh cản dòng nhiệt từ bên dưới lên. Chúng chỉ trông đen khi so với vùng xung quanh còn sáng hơn.
Gió Mặt Trời có ảnh hưởng tới Trái Đất không?
Có. Dòng hạt mang điện từ Mặt Trời tương tác với từ trường Trái Đất, tạo cực quang ở vùng gần hai cực. Những cơn bão Mặt Trời mạnh có thể ảnh hưởng tới vệ tinh, liên lạc vô tuyến và lưới điện.
Con người đã làm được phản ứng tổng hợp hạt nhân như Mặt Trời chưa?
Các phòng thí nghiệm đã tạo được phản ứng tổng hợp hạt nhân, nhưng biến nó thành nguồn điện ổn định, kinh tế vẫn là mục tiêu đang được nghiên cứu. Khó nhất là giữ được nhiên liệu nóng hàng triệu độ ổn định đủ lâu.
