Tải bản đầy đủ
Xác định khoảng cách và kích thước thiên thể

Xác định khoảng cách và kích thước thiên thể

Tải bản đầy đủ

Chương 8
TUẦN TRĂNG. NHẬT, NGUYỆT THỰC. THỦY TRIỀU
1. Tuần trăng
1.1. Mặt trăng và mối quan hệ với Trái đất
Mặt trăng là thiên thể phản xạ ánh sáng MT. Tùy vị trí tương đối của nó với
Trái Đất mà phần dọi sáng đến TĐ lớn hay nhỏ tức là trăng tròn hay khuyết.
Quỹ đạo quay quanh TĐ của Tr là elip có tâm sai bé e = 0,055. Mặt phẳng
quỹ đạo của nó gọi là mặt phẳng bạch đạo nghiêng với hoàng đạo một góc 5 09'
chu kỳ chuyển động bằng 27,32 ngày. Thực chất, chuyển động của Tr phức tạp
do lực nhiễu loạn, khối lượng và kích cỡ khá lớn. Giữa TĐ & Tr chuyển động
quanh một khối tâm chung là O, cách tâm trái đất khoảng 4650 Km. Gọi khoảng
cách từ tâm TĐ đến O là x, khoảng cách TĐ-Tr là r, m đ và mt là khối lượng TĐ
và Tr thì mx = mt(r - x).
H 8.1. Xác định khối tâm chung TĐ-Tr

R = 4635km, r = 384000,

O
Tr
m t = 1/81 mđ.
Các lực nhiễu loạn làm cho thông số quĩ đạo Tr biến đổi không ngừng.
Riêng độ nghiêng mặt phẳng(vt = mp) bạch đạo so với mp hoàng đạo dao động
trong khoảng 4058' đến 5020', mp bạch đạo quay chậm so với mp hoàng đạo. Do
đó, đường nối giữa 2 giao điểm quay ngược chiều chuyển động của Tr trong
khoảng thời gian 18.6 năm (chu kỳ saros) tức là 19 03' mỗi năm. Đồng thời,
đường cận điểm (bán trục lớn) của quỹ đạo Tr cùng các điểm cận, viễn địa quay
chậm trong mp bạch đạo theo chiều chuyển động của Tr với chu kỳ 8,85 năm.
Kết quả là chu kỳ tiết điểm(nút điểm) của Tr ngắn hơn chu kỳ sao của Tr còn chu
kỳ cận (viễn) điểm lại dài hơn chu kỳ sao.
1.2. Các pha của Trăng
Chuyển động biểu kiến của Tr cho thấy Tr cách MT với khoảng cách góc
thay đổi và hình dạng của phần sáng của nó nhìn từ TĐ biến thiên với chu kỳ
xác định gọi là các pha. Một chu kỳ pha của Tr là một tuần Tr (hay tháng giao
hội) trung bình là 29,53 ngày. Hình 70, [1] và phụ lục 2 cuối tập bài giảng này
cho thấy 4 pha cơ bản.
Góc pha Ψ tạo bởi tia MT và tia phản xạ tới TĐ.
1.2.1. Pha không trăng (ngày sóc là ngày mùng 1) Ψ = 0 sau đó Tr non
(lưỡi liềm, lưng liềm lồi về hướng tây) từ ngày 1÷ 7 Ψ < 900.
1.2.2. Pha thượng huyền Ψ = 90o khoảng ngày 7 ÷ 8 thì Tr bán nguyệt sau
đó Tr lồi 90o <Ψ < 180o.

44

1.2.3. Pha Tr tròn ngày 14 ÷ 16 (vọng) âm lịch Ψ = 180o Tr ở vị trí xung
đối với MT, xuất hiện vào chiều tối và sáng cả đêm, lặn vào rạng sáng sau đó
trăng lồi khuyết dần 1800 <Ψ < 2700, (Tr già).
1.2.4. Pha hạ huyền Tr bán nguyệt 270 0< Ψ < 3600 mọc khoảng nửa đêm
vào các ngày 22 ÷ 23 sau đó Tr khuyết dần hình lưỡi liềm phần lồi quay về đông
ngược với thượng huyền.
1.3. Chu kỳ của tuần trăng và chu kỳ tự quay
Quan sát từ TĐ chỉ thấy nửa bề mặt của Tr là do chu kỳ tự quay của nó
đúng bằng chu kỳ quay quanh TĐ. Ta đã biết chu kỳ tuần trăng kéo dài 29,53
ngày (khi xét về thời gian âm lịch) nên 1 ngày của tuần Tr đúng bằng 1 tháng
giao hội (29,53 ngày). Thực tế nhìn thấy được 60% bề mặt MT là do quỹ đạo Tr
hình elip quay nhanh ở điểm cận địa, quay chậm ở điểm viễn địa, do đó có thể
nhìn thấy thêm 7045' hai mép đông - tây. Quỹ đạo Tr nghiêng 6 041' so với hoàng
đạo nên thấy được hai mép bắc - nam của đĩa Tr.
Hơn nữa Tr được quan sát từ các vị trí khác nhau trên TĐ nên bề mặt nhìn
thấy là rộng hơn.
Nửa kia của Tr đã được chụp ảnh lần đầu từ trạm Luna-3 của Nga ngày 410-1959.
2. Nhật, Nguyệt thực.
2.1. Hiện tượng nhật thực và nguyệt thực.
2.1.1. Nhật thực xảy ra khi Tr đi qua giữa MT và TĐ ở gần đúng tiết điểm
sẽ che toàn bộ MT hoặc một phần. Mp bạch đạo nghiêng góc 5 09’ nên không phải
pha không trăng nào cũng xảy ra nhật thực mà chỉ xảy ra khi Tr cách tiết điểm <
180.
Hình 73 trong [1] và phụ lục 1cuối tập bài giảng cho thấy có vùng tối hoàn
toàn không Tr (nhật thực toàn phần), có vùng bán dạ (nhật thực 1 phần). Khi Tr
và TĐ quay các vùng này quét thành một dải, ở các vùng đất đó sẽ nhìn thấy
trong thời gian không quá 3-4 giờ (nhật thực toàn phần lâu nhất là 7m8s). Trường
hợp chóp bóng tối của Tr không chạm TĐ, các vùng đất quanh trục bóng tối thấy
nhật thực hình khuyên có thể kéo dài đến 12min). Bóng tối Tr in hình oval trên
mặt đất rộng 40 -100 km không quá 272km với vận tốc di chuyển 1km/s dài tới
15000km và chỉ có thể xảy ra vào đầu - cuối tháng âm lịch.
2.1.2. Nguyệt thực (xem hình 74,trong [1]).
Khi Tr đi vào bóng tối của TĐ vào thời điểm xung đối với MT (pha Tr tròn)
thì nguyệt thực xảy ra ở đúng hoặc gần tiết điểm và có thể là toàn phần hay một
phần. Về lý thuyết, nguyệt thực toàn phần có thể kéo dài tới hơn 3h và các nơi
đang là ban đêm sẽ thấy nguyệt thực cùng một lúc giống nhau.
45

2.2. Điều kiện xảy ra nhật, nguyệt thực
Điều kiện chung là bạch đạo và hoàng đạo lệch nhau 5 09' nên chỉ có hai tiết
điểm. Trong 1 năm tiết điểm = 346,62 ngày m.t.t.b ( khoảng thời gian giữa 2 lần
liên tiếp MT đi qua 1 tiết điểm) MT và Tr giao hội hay xung đối ở hai tiết điểm có
thể xảy ra nhật nguyệt thực (xem [1] và [3]).
Nhật thực: khi có giao hội Tr cách tiết điểm dưới 11 0 sẽ có nhật thực toàn
phần hay hình khuyên, Tr cách tiết điểm từ 110 ÷ 170 sẽ có nhật thực 1 phần.
Nguyệt thực: khi xung đối Tr cách tiết điểm < 5 0 sẽ có nguyệt thực toàn
phần, từ 50- 110 có nguyệt thực 1 phần.
Một năm có tối đa 5 nhật thực và 3 nguyệt thực, tối thiểu có 2 nhật thực và
không có nguyệt thực. Sở dĩ có thể có 5 nhật thực vì tiết điểm dịch chuyển trên
hoàng đạo ngược chiều chuyển động của TĐ và 1 năm tiết điểm có 346,62 ngày.
2.3. Chu kỳ Saros
Là chu kỳ lặp lại nhật, nguyệt thực. Một chu kỳ trung bình có 13 nhật thực
toàn phần, 15 nhật thực hình khuyên, 15 nhật thực một phần và 28 nguyệt thực.
Chu kỳ này bằng 6585 ngày 8h tính ra năm tiết điểm (khi tính năm thường phải
kể đến năm nhuận).
Thí dụ: Năm 1941 có 2 nhật thực, 2 nguyệt thực thì đến năm 1959 sẽ lặp lại
như thế.
3. Triều Trái Đất
3.1. Thủy triều
Nước ven biển và cửa sông lên xuống với chu kỳ 24h52m đúng bằng thời
gian Tr liên tiếp 2 lần đi qua kinh tuyến trên ở mỗi nơi chứng tỏ lực hấp dẫn của
Tr ảnh hưởng nhiều đến thủy triều. Lực hấp dẫn của MT-TĐ cũng tạo triều nhưng
nhỏ hơn 2,17 lần so với lực tạo triều của Tr. Ta thử tính gia tốc tạo triều của Tr.
Giả sử TĐ là hình cầu nhẵn phủ đều lớp nước trên bề mặt. Lực hấp dẫn của
Tr tác dụng lên TĐ xem như 1 chất điểm với khối tâm O có gia tốc là g 0 = Gmtr /
r2 (r là khoảng cách TĐ-Tr tính đến tâm O). Ở vùng A gần Tr hơn và vùng B xa
tâm O khoảng = r nên lực tác động đến vùng A mạnh hơn vùng B. Tính gia tốc
gA, gB ta có:
H 8.3. Xác định lực hút thủy triều

gA = G

c
O
B

∆g

m

(r − R)

2

, gB = G

m

(r + R)2

Tr
A

Hiệu số gia tốc là: Δg = g A − g o ≈

Gia tốc thủy triều ∆g hướng về phía Tr làm nước dâng lên.
46

2GmR
.
r3

Ở vùng B có Δg = g B − g o ≈

2GmR
hướng ra xa Tr cũng làm nước dâng lên.
r3

Vì vậy các vùng ở 2 đỉnh nước sẽ hạ xuống.
Hàng ngày nước triều lên xuống là do lực hấp dẫn Tr mỗi ngày 2 lần cách
nhau 12h 25m hay mỗi ngày 1 lần 24h 50m. Ngoài ra còn có thủy triều hỗn hợp
với chu kỳ thay đổi từ nửa ngày (khi Tr gần xích đạo TĐ) sang cả ngày (khi Tr xa
nhất về phía bắc hoặc nam). Còn MT tác động đến thủy triều có chu kỳ đúng 12 h
trong nửa tháng âm lịch.
Cũng cần biết thêm về thủy triều với các khái niệm sau:
Triều cường xảy ra vào các ngày sóc, vọng khi Tr, MT,TĐ thẳng hàng làm
lực tạo triều mạnh nhất.
Triều nhược xảy ra vào các pha huyền, Tr và MT vuông góc nhau làm lực
tạo triều giảm bớt.
Thực tế, các vùng vịnh, eo biển v..v.. lực triều phức tạp tùy vào địa hình có
chu kỳ riêng.
3.2. Địa triều và khí triều
TĐ không phải là hoàn toàn rắn lại có lớp khí quyển bên ngoài nên lực hấp
dẫn của Tr, MT cũng gây ra lực tạo triều.
Địa triều diễn ra ở các vùng xích đạo và vỹ độ thấp làm mặt đất dao động có
thể cao tới 40÷50 cm trong một ngày.
Khí triều có biên độ dao động không đáng kể, trừ phần ở tầng cao có chu kỳ
2 lần trong 1 ngày gây ra sự dao động khí áp ở sát mặt đất.
Các nội dung cần chú ý trong chương này:
-Xem các pha của Tr và đối chiếu các nội dung trong [1] để phát hiện các
nội dung khác biệt hoặc chưa nêu trong sách.
-Nhận biết mối liên hệ giữa lịch mặt trăng với tuần trăng, nhật thực, nguyệt
thực và thủy triều.

47

Chương 9
PHƯƠNG PHÁP THIÊN VĂN VẬT LÝ
Ở phần trên trình bày các vấn đề cơ bản của Thiên văn học, chủ yếu nghiên
cứu về quy luật vận động của các thiên thể dựa vào các định luật cơ bản của cơ
học cổ điển và sử dụng các phương pháp quan trắc. Thiên văn vật lý chuyên
nghiên cứu về bản chất vật lý của các thiên thể, cấu trúc của nó trong quá trình
hình thành và tiến hóa. Những phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết
vật lý hiện đại được kết hợp để lý giải các vấn đề về cấu trúc của thiên thể và vũ
trụ.
1. Bức xạ vũ trụ
Vũ trụ là một phòng thí nghiệm thiên nhiên khổng lồ phát ra các bức xạ.
Các nguồn bức xạ này có các bức xạ phát xạ liên tục (với các bức xạ nhiệt và phi
nhiệt) và cả các phát xạ vạch. Người ta quan sát các bức xạ này bằng các kính
thiên văn quang học và kính thiên văn vô tuyến đặt trên mặt đất hoặc trên các
trạm vũ trụ truyền dữ liệu về hệ thống máy thu sau đó xây dựng mô hình toán học
mô phỏng các quan sát được để tìm hiểu cơ chế của bức xạ.
1.1. Bức xạ điện từ
Ta biết rằng bức xạ điện từ theo thuyết lượng tử của Einstein là các photon
mang bản chất sóng -hạt. Đó là nguồn bức xạ vũ trụ quan trọng từ các thiên thể
phát ánh sáng về phía TĐ. Phân bố bức xạ điện từ theo bước sóng (hoặc tần số )
có giải rộng từ λ cực ngắn đến cực dài (tia γ đến sóng vô tuyến điện). Bức xạ điện
từ bị hấp thụ mạnh hoặc phản xạ trở lại bầu trời từ khí quyển TĐ. Người ta phát
hiện thấy:
- Các tia γ, tia X, tia tử ngoại bị các nguyên tử, phân tử ở khí quyển TĐ hấp
thụ mạnh.
- Bức xạ hồng ngoại bị nước và dioxyt cacbon hấp thụ.
- Các sóng VTĐ bước sóng dài bị phản xạ mạnh ở lớp quyển ion trên cùng.
Hơn nữa, bức xạ cực tím còn ion hóa lớp khí quyển này.
Cuối cùng, chỉ còn có 2 cửa sổ hẹp quan sát bức xạ điện từ từ vũ trụ là:
- Vùng ánh sáng khả kiến đến vùng hồng ngoại (λ = 0,4 ÷ 3µm).
- Vùng VTĐ (λ = 1mm ÷ 30m).
Để quan sát bức xạ điện từ này, các kính thiên văn phải đặt ở nơi cao phù
hợp điều kiện quan sát hoặc đặt trên các trạm vũ trụ. Cửa sổ vô tuyến không được
phát các sóng khác (rađa,TV...).
Phổ bức xạ của các thiên thể phát xạ liên tục ở dải sóng rất rộng. Cường độ
và độ rộng phổ phụ thuộc vào nhiều điều kiện khác nhau. Vì vậy, người ta cần

48

thu được các tín hiệu đủ độ tin cậy để phân tích, so sánh phổ hấp thụ, phổ vạch để
tìm hiểu bản chất các nguyên tử, phân tử của các thiên thể.
Sự phát xạ liên tục có 2 nguồn chính:
- Bức xạ nhiệt do vật thể không trong suốt bị nung nóng hoặc các đám mây
khí có các electron tự do chuyển động hỗn loạn.
- Bức xạ phi nhiệt do các đám mây khí có các electron năng lượng cao
chuyển động nhanh được gia tốc trong từ trường.
Sau đây, ta xét các nguồn bức xạ này.
1.1.1. Bức xạ nhiệt và vật đen tuyệt đối
Ta biết rằng, một vật đen tuyệt đối có tính chất hấp thụ tất cả các bức xạ ở
mọi bước sóng. Nó cũng là vật phát xạ lý tưởng. Năng suất phát xạ Ελ là năng
lượng bức xạ của 1 m2 bề mặt theo mọi phương trong 1s lấy trong khoảng phổ λ
÷ λ+dλ tính theo công thức Planck:
E λ dλ =

2c 2 πh
λ5

1
e

hc
λkT


−1

Lấy một diện tích dS trên bề mặt S của vật đen tuyệt đối nằm trong 1 góc
khối dω hướng tới nơi quan sát thìa độ chói của vật đó chỉ phụ thuộc nhiệt độ T
và bước sóng λ:
Bλ =

2c 2 h
λ5

1
e

hc
λkT

.Từ công thức Planck cho: λmax.T= 2,898.10-3m.K.
−1

Công thức Wien cho thấy một sao có nhiệt độ bề mặt khoảng 6000 K có:
λmax= 480nm (xanh lam) và T = 3000K có λmax = 1µm (hồng ngoại).
Năng lượng toàn phần Eλ tỷ lệ với năng suất bức xạ toàn phần theo công
thức R(T) = σ.T4 với σ = 5,67.10-8w/m2.K4, cho thấy năng lượng tăng nhanh theo
nhiệt độ. Cùng một diện tích, sao xanh lam phát ra nhiều năng lượng hơn sao màu
đỏ.
Khi thỏa mãn điều kiện (hν/kT) << 1 thì theo định luật Rayleigh-Jean độ
chói Bλ = 2kT.λ-2. Ở bước sóng xác định có nhiệt độ T xác định và tỷ lệ với độ
chói. Trong thiên văn vô tuyến, công thức này được dùng để đo các sóng cỡ cm.
1.1.2. Phát xạ nhiệt từ các khí bị ion hóa
Các đám mây khí giữa các sao bị nung nóng và bị ion hóa bởi các photon có
bước sóng tử ngoại phát ra từ các sao. Khi đó, các electron bứt ra từ các nguyên
tử hydro trung hòa và phát bức xạ nhiệt bị đổi hướng bởi các proton giống quá
trình tạo bởi điện trở bị đốt nóng.

49